某車輛滾翻過程中乘員頸部動態(tài)響應(yīng)*

傅耀宇，周二振，丁瑞陽，周云波，付條奇，張 明

（1.中國人民解放軍63969部隊(duì)，南京 211113；2.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094）

前言

越野車行駛路面環(huán)境復(fù)雜，車輛行駛工況要求高，很容易出現(xiàn)滾翻事故。國內(nèi)外學(xué)者針對車輛滾翻進(jìn)行了大量試驗(yàn)，其研究大多集中在普通輕型車及客車的動態(tài)滾翻試驗(yàn)。Jeffrey 等［1］在混凝土和壓實(shí)土表面上進(jìn)行了一系列臺車滾翻試驗(yàn)（Forester 試驗(yàn)系列），研究了小車滾翻中的車頂結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)與假人頸部損傷載荷的影響；Martha 等［2］利用Ford Explorer SUV 的一系列動態(tài)滾翻試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了車頂變形、安全帶載荷和擬人測試裝置（ATD）頸部載荷大小及脊柱損傷程度與時(shí)間的關(guān)系。何恩澤［3］采用平臺車滾翻仿真驗(yàn)證車輛滾翻特性，并對人體模型進(jìn)行乘員損傷研究。1985 年Orlowski 等［4］通過臺車滾翻試驗(yàn)和1990年Bahling等［5］通過“Malibu”倒跌試驗(yàn)的研究得出結(jié)論：壓縮頸部載荷不是由車頂擠壓引起的，而是由乘員的頭部和軀干向車頂板移動引起的。

付條奇等［6］認(rèn)為車輛滾翻過程伴隨大幅度和多自由度運(yùn)動，試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集困難，試驗(yàn)可重復(fù)性低，偶然因素影響大，無法準(zhǔn)確得知滾翻過程中車輛及駕乘人員運(yùn)動姿態(tài)。本文中采用有限元仿真模擬滾翻過程，以某型車輛的整車簡化模型為基礎(chǔ)，建立不同工況下的滾翻仿真模型，配置假人及座椅系統(tǒng)，分析滾翻過程中的車內(nèi)駕乘人員的運(yùn)動姿態(tài)及頸部損傷，對坡度滾翻進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，獲取準(zhǔn)確的車內(nèi)乘員的損傷形態(tài)與運(yùn)動學(xué)姿態(tài)，為車輛滾翻的乘員損傷研究提供理論與試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 滾翻仿真模型的建立

車輛滾翻是由多種機(jī)制造成的，包括撞擊路緣或障礙物、在土壤或草皮上側(cè)滑以及從路堤上掉落滾翻。事故統(tǒng)計(jì)表明，大多數(shù)翻車事故都是在越野情況下發(fā)生的［7］。車輛行駛環(huán)境復(fù)雜，在越野過程中易發(fā)生不同形式的滾翻，采用顯式有限元仿真方法［8］建立不同工況滾翻模型來模擬車輛滾翻狀態(tài)。

1.1 車輛及乘員約束系統(tǒng)模型建立

以某型車輛為研究目標(biāo)，將整車CAD 模型進(jìn)行離散劃分，有限元模型如圖1所示。

圖1 整車有限元模型

網(wǎng)格單元尺寸以10 mm 為基準(zhǔn)，最小單元尺寸不小于5 mm，最大尺寸不大于20 mm，網(wǎng)格質(zhì)量要求包括最小邊（大于5 mm）、翹曲度（小于15°）、最大/最小角度（大于45°，小于135°）、單元的雅克比（大于0.65）等，在合并所有零部件網(wǎng)格時(shí)，調(diào)整零部件位置，防止網(wǎng)格出現(xiàn)初始穿透及滲透現(xiàn)象［9］。對整車進(jìn)行配重，使其滿足整備質(zhì)量6.3 t，整車質(zhì)心位置滿足X：1 780 mm、Y：0 mm、Z：345 mm，坐標(biāo)原點(diǎn)為前輪中心上方175 mm，整車質(zhì)心位置如圖2所示。

圖2 整車質(zhì)心位置圖

滾翻過程中，車體與地面發(fā)生接觸的部位主要有車頂、車頂邊梁、車門及車身側(cè)圍，為保證沖擊載荷準(zhǔn)確傳遞，這些部位在建模時(shí)保留原結(jié)構(gòu)特征，采用6211 t5 型高碳鉻鋼材料，其彈性模量為207 GPa，屈服強(qiáng)度為1 300 GPa，泊松比為0.3。輪胎與懸架結(jié)構(gòu)也在滾翻中起重要作用，采用相互重合的拉伸彈簧、阻尼彈簧以及柱鉸模擬懸架系統(tǒng)，建立氣囊模型模擬輪胎內(nèi)部充氣影響，有限元模型如圖3所示。

圖3 懸架及輪胎有限元模型

因?yàn)樵撥囆徒Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，滾翻中變形量小，如發(fā)動機(jī)等動力總成簡化為剛體（MAT_RIGID）處理，并簡化車內(nèi)對乘員損傷無影響的部件（箱體類和裝飾部件）。

圖4 展現(xiàn)了乘員約束系統(tǒng)的各部分有限元模型。采用Hybrid-III 型第50 百分位的成年男性假人（圖4（a））放置于副駕駛位，X正方向?yàn)榧偃苏娉?，Y正方向?yàn)榧偃擞沂诌叿轿?，Z正方向朝向假人下方。座椅模型如圖4（b）所示。用Primer軟件進(jìn)行假人定位，建立四點(diǎn)式安全帶乘員約束系統(tǒng)。在滾翻中座椅結(jié)構(gòu)的變形和破壞程度低，建立座椅模型時(shí)，骨架部分采用剛體（MAT_RIGID）進(jìn)行簡化［10］，坐墊、靠背及頭枕部位采用本構(gòu)模擬高壓縮性低密度泡沫材料（MAT_LOW_DENSITY_FOAM）。

圖4 乘員約束系統(tǒng)模型

1.2 坡度滾翻模型建立

1.2.1 坡面模型建立

坡面有限元模型按照圖5 建立，土壤采用solid實(shí)體單元，網(wǎng)格單元尺寸以100 mm 為基準(zhǔn)。坡道坡面與水平路面夾角約30.9°，坡道高度為15 m，坡面長21 m，寬30 m，模型中坡面土壤層厚度為1.1 m。

圖5 坡面模型示意圖

仿真中采用MAT_SOIL_AND_FOAM 本構(gòu)模型來模擬試驗(yàn)場地土壤建立滾翻坡面模型，土壤材料參數(shù)如表1所示。

表1 土壤材料參數(shù)

1.2.2 仿真計(jì)算邊界條件

坡度滾翻模型中，采用關(guān)鍵字*LOAD_BODY_Z定義全局重力加速度，關(guān)鍵字*INITIAL_VELOCITY_GENERATION 定義車輛的初始側(cè)傾速度（39.6 km/h）、側(cè)傾角速度（5 rad/s）以及車輛的初始滾翻中心軸。另外，采用*Contact 分別定義假人的自接觸、假人與車身以及車體與路面的面-面接觸。最后設(shè)置計(jì)算所需的求解控制卡片和結(jié)果輸出控制卡片，提交LS-Dyna軟件進(jìn)行求解計(jì)算。

1.3 平臺車滾翻仿真模型建立

采用1.1 節(jié)車輛模型及乘員約束系統(tǒng)模型建立平臺車滾翻仿真模型，如圖6 所示。使用推送平臺來簡單模擬平臺車模型，地面模型土壤材料參數(shù)與坡度滾翻仿真中坡面模型土壤相同。仿真計(jì)算時(shí)長1.1 s，推送平臺與被測車輛具有48 km/h 的初始速度，推送平臺在0.01 s 開始減速，0.075 s 時(shí)速度減為零。

圖6 平臺車滾翻仿真模型

1.4 螺旋滾翻仿真模型建立

螺旋滾翻仿真模型如圖7 所示。車輛模型及乘員約束系統(tǒng)模型不變。螺旋滾翻中斜坡臺架的參數(shù)如圖8 所示，包括一道陡坡和一道緩坡［11］。仿真計(jì)算時(shí)長為1.7 s，被測車輛以48 km/h 的初速度使駕駛側(cè)車輪爬上斜坡臺架。

圖7 螺旋滾翻仿真模型

圖8 斜坡臺架參數(shù)

2 頸部運(yùn)動損傷分析

從生物力學(xué)角度分析，人體頸部主要是由位于頭部與胸椎之間的頸椎組成的，能夠支撐頭部在三維空間內(nèi)自由運(yùn)動。如圖9 所示，C1 到C7 共7 塊椎骨組成了人體的頸椎。

圖9 頸椎示意圖

如圖10 所示，軀干在整體運(yùn)動時(shí)，頸部有彎曲、伸展、側(cè)彎和旋轉(zhuǎn)4種運(yùn)動方式。

圖10 頸部運(yùn)動狀態(tài)

通常車輛滾翻過程中頸部損傷類型可以分為：壓縮-前彎曲、壓縮-后彎曲、拉伸-前彎曲、拉伸-后彎曲以及側(cè)向彎曲［3］。壓縮-前彎曲（圖11）是由于頸部受到軸向壓縮力向前彎曲引起的，比如滾翻中乘員頭頂與車頂碰撞；壓縮-后彎曲（圖12）是由于頭部受到正面撞擊或頸部軸向壓縮力引起的頭部向后旋轉(zhuǎn)；拉伸-后彎曲（圖13）是由于下巴受到撞擊或頸部受軸向拉力引起的；側(cè)向彎曲是由頸部所受剪切力引起的。

圖11 壓縮前彎曲損傷機(jī)理

圖12 壓縮后彎曲損傷機(jī)理

圖13 拉伸后彎曲損傷機(jī)理

目前國內(nèi)外對于車輛滾翻的法規(guī)很少，大多數(shù)法規(guī)均針對車輛碰撞制定。因此乘員頸部損傷評價(jià)參考美國聯(lián)邦機(jī)動車安全標(biāo)準(zhǔn)（FMVSS 208）中的正面碰撞車內(nèi)乘員保護(hù)要求來衡量假人頸部損傷。

FMVSS 208 中規(guī)定了頸部損傷指標(biāo)Nij＜1.0，通過上頸部載荷單元的拉力不能超過4.17 kN，壓力不能超過4.0 kN。

式中：Mocy為枕骨骨節(jié)處的彎曲力矩；Fz為頸部軸向力；Fzc為Fz臨界值；Fx為頸部剪切力；My為頸部彎矩；Myc為My臨界值。Fzc和Mzc的值滿足下列情況：

（1）當(dāng)Fz為拉力時(shí)，F(xiàn)zc=6806 N；

（2）當(dāng)Fz為壓力時(shí)，F(xiàn)zc=6160 N；

（3）當(dāng)My為向前彎曲時(shí)，Mzc=310 N·m；

（4）當(dāng)My為向后彎曲時(shí)，Myc=135 N·m。

3 坡度滾翻仿真與試驗(yàn)分析驗(yàn)證

Hybrid-III型假人頸部結(jié)構(gòu)生物仿真度有限，通過應(yīng)力云圖無法準(zhǔn)確獲得滾翻過程中假人頸部的動態(tài)響應(yīng)，因此本文通過分析頸部受力情況，結(jié)合乘員頸部運(yùn)動姿態(tài)判斷乘員頸部損傷機(jī)理，并進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)車坡度滾翻試驗(yàn)驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性。

試驗(yàn)時(shí)車輛置于坡道上路面，副駕駛位放置Hybrid-III型假人，車內(nèi)外分別安裝高速攝像機(jī)記錄車內(nèi)假人運(yùn)動與車輛滾翻姿態(tài)，采用DH5902 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄假人各項(xiàng)數(shù)據(jù)。

3.1 乘員頸部動態(tài)分析

在1.2 s的仿真計(jì)算時(shí)長內(nèi)，車輛完成了一次完整的滾翻，圖14 為坡度滾翻仿真中車輛的滾翻運(yùn)動過程。

圖14 坡度滾翻仿真中車輛運(yùn)動過程

圖15 為坡度滾翻中車內(nèi)副駕駛乘員頸部受力隨時(shí)間變化的仿真與試驗(yàn)結(jié)果曲線。

圖15 試驗(yàn)與仿真頸部力對比分析

通過對圖15進(jìn)行分析得出如下結(jié)果。

（1）從最大頸部力數(shù)值來看，試驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)均未超過損傷標(biāo)準(zhǔn)，假人頸部無致命損傷出現(xiàn)且誤差都在10%以內(nèi)。假人頸部X向力仿真值（647.54 N）大于試驗(yàn)值（585.39 N），誤差約為9.6%；頸部Y向力仿真值（2 027.24 N）大于試驗(yàn)值（1 835.96 N），誤差約為9.4%；頸部Z向力仿真值（1 731.54 N）小于試驗(yàn)值（1 872.24 N），誤差約為8.1%。

（2）從頸部峰值力發(fā)生時(shí)間來看，坡滾仿真中假人頸部損傷發(fā)生在0.044～0.22 s 以及0.72～0.95 s，在坡滾試驗(yàn)中假人頸部損傷主要在0.03～0.2 s以及0.64～0.95 s 產(chǎn)生，試驗(yàn)中頸部力波動比仿真中提前出現(xiàn)，誤差時(shí)間在0.1 s以內(nèi)。

假人頸部力矩是作用力使頸部繞某一軸轉(zhuǎn)動的趨向，力矩方向與轉(zhuǎn)動中心軸平行，垂直于力與力臂所在平面。假設(shè)在車輛滾翻運(yùn)動中假人頸部力矩在某一時(shí)刻的大小可以反映假人頸部在該時(shí)刻的運(yùn)動狀態(tài)，進(jìn)而結(jié)合頸部受力狀況判斷頸部損傷響應(yīng)。具體假設(shè)內(nèi)容如下：

①根據(jù)頸部X向力矩判斷假人頸部側(cè)彎現(xiàn)象，正值為向右側(cè)彎，負(fù)值為向左側(cè)彎；

②頸部Y向力矩判斷假人頸部前后彎曲現(xiàn)象，正值為后彎曲，負(fù)值為前彎曲，同時(shí)頸部Z向力為正表現(xiàn)為拉伸力，Z向力為負(fù)表現(xiàn)為壓縮力。

對坡度滾翻仿真中假人頸部力矩（圖16）進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，0.05 s 時(shí)力矩開始變化，在0.11 s 出現(xiàn)第一次峰值，0.8 s時(shí)出現(xiàn)最大峰值。

圖16 坡度滾翻仿真副駕駛乘員頸部力矩

運(yùn)用上述假設(shè)對0.11 和0.8 s 時(shí)刻假人頸部損傷機(jī)理的分析如下：0.11 s 時(shí)頸部X向力矩為-27.8 N·m，頸部Y向力矩為-16.6 N·m，頸部Z向力矩為5.3 N·m，顯然該時(shí)刻的X向力矩最大，Y向次之，判斷此時(shí)假人頸部主要繞X軸在YZ平面上轉(zhuǎn)動，并有輕微前彎曲現(xiàn)象，即假人頸部相對于軀干向左前方移動。結(jié)合頸部受力狀況發(fā)現(xiàn)，0.11 s 時(shí)頸部受到較大的Y向剪切力及Z向拉伸力，判斷0.11 s時(shí)乘員頸部動態(tài)響應(yīng)為向左側(cè)彎曲與拉伸-前彎曲共同作用。同理對0.8 s時(shí)刻進(jìn)行分析得出，該時(shí)刻頸部動態(tài)響應(yīng)為壓縮-前彎曲與向右側(cè)彎曲共同作用。

結(jié)合坡度滾翻仿真與試驗(yàn)的假人頸部力及頸部力矩的數(shù)據(jù)結(jié)果，采用式（1）計(jì)算得到仿真中頸部損傷指標(biāo)Nij=0.39，小于FMVSS 208 中臨界數(shù)值1.0，頸部最大拉力為1.7 kN，最大壓力為1.1 kN。試驗(yàn)中Nij=0.32，頸部最大拉力為1.8 kN，最大壓力為0.4 kN，參考FMVSS 208標(biāo)準(zhǔn)得出結(jié)果：在發(fā)生坡度滾翻事故時(shí)，該型車輛車內(nèi)乘員的頸部損傷威脅較小。

3.2 乘員運(yùn)動姿態(tài)驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述滾翻過程中頸部運(yùn)動狀態(tài)假設(shè)的正確性，須對坡度滾翻仿真與試驗(yàn)中車內(nèi)乘員的運(yùn)動姿態(tài)（圖17）進(jìn)行對比分析。

圖17 坡度滾翻仿真中乘員頸部運(yùn)動姿態(tài)

坡度滾翻仿真中，0.05 s 時(shí)車輛剛剛進(jìn)入滾翻坡面，乘員頭部受慣性力作用帶動頸部開始運(yùn)動，但相對于初始姿態(tài)變化不明顯（圖18（a））。在坡度滾翻試驗(yàn)中，0.05 s 時(shí)被測車輛處于滾翻起步階段，副駕駛位假人無明顯變化（圖18（b））。

圖18 車輛開始滾翻時(shí)乘員運(yùn)動姿態(tài)

如圖19 所示，0.11 s 時(shí)副駕駛乘員受到運(yùn)動慣性力作用身體突然向右前方傾斜，頭頸部姿態(tài)隨之變化但運(yùn)動較慢，上頸部相對于下頸部有輕微向左側(cè)彎曲現(xiàn)象，同時(shí)頭部所受慣性力為拉力，從而出現(xiàn)拉伸-前彎曲損傷風(fēng)險(xiǎn)。該現(xiàn)象證明上文假設(shè)判斷的正確性，即0.11 s 時(shí)乘員頸部損傷為向左側(cè)彎曲與拉伸-前彎曲共同作用。

圖19 滾翻 0.11 s時(shí)乘員運(yùn)動姿態(tài)

0.8 s 時(shí)車輛滾翻至240°，車身受到與路面撞地的反作用力向上運(yùn)動，車內(nèi)乘員由于重力的作用繼續(xù)向下運(yùn)動，乘員頭部后上區(qū)域與車頂發(fā)生接觸（圖20），使頸部受到軸向壓縮以及向前彎曲的載荷，導(dǎo)致乘員頸部壓縮-前彎曲現(xiàn)象，另外頭頸部位向右側(cè)彎產(chǎn)生側(cè)向彎曲損傷。該損傷現(xiàn)象與假設(shè)判斷相符。

圖20 頭部與車頂撞擊狀態(tài)

通過對上述乘員運(yùn)動姿態(tài)的驗(yàn)證得出仿真模型具有一定的準(zhǔn)確性，但也存在一定的誤差，主要是由于試驗(yàn)時(shí)假人帶有頭盔而仿真中沒有。也證明在車輛坡度滾翻過程中可以利用乘員頸部力矩來判斷某一時(shí)刻頸部主要運(yùn)動狀態(tài)，結(jié)合頸部軸向受力和剪切力后可以判斷頸部動態(tài)響應(yīng)類型。

4 不同滾翻工況頸部動態(tài)響應(yīng)分析

對平臺車滾翻以及螺旋滾翻進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證結(jié)合乘員頸部力與力矩判斷某一滾翻時(shí)刻頸部運(yùn)動狀態(tài)的方法是否適合不同滾翻工況，并比較3 種滾翻工況下乘員頸部動態(tài)響應(yīng)的差異。

4.1 平臺車滾翻中乘員頸部動態(tài)響應(yīng)

平臺車滾翻仿真中車輛運(yùn)動過程如圖21 所示。在推送平臺減速過程中被測車輛的駕駛側(cè)車輪與推送平臺的剛性凸起發(fā)生碰撞，使被測車輛左右兩側(cè)的運(yùn)動速度不同從而發(fā)生滾翻運(yùn)動。

圖21 平臺車滾翻仿真車輛運(yùn)動過程

平臺車滾翻過程中副駕駛乘員頸部力及頸部力矩曲線如圖22和圖23所示。

圖22 平臺車滾翻仿真中假人頸部力

圖23 平臺車滾翻仿真中假人頸部力矩

頸部力和頸部力矩在0.04～0.08 s、0.2～0.28 s、0.7～0.8 s和0.85～0.94 s時(shí)段出現(xiàn)劇烈波動。0.075 s時(shí)頸部力矩出現(xiàn)第一次峰值，分別為-40.28 N·m 的X向力矩、-34.3 N·m 的Y向力矩以及9.19 N·m 的Z向力矩，該時(shí)刻乘員頸部X向力矩和Y向力矩均較大，且伴隨有軸向上的較大伸展力，可以判斷頸部出現(xiàn)向左的側(cè)向彎曲損傷并伴隨有伸展-前彎曲損傷；0.71 s 時(shí)頸部具有19.6 N·m 的X向力矩以及16.6 N·m 的Y向力矩，軸向受到壓縮力，此時(shí)頸部存在向右的側(cè)向彎曲及壓縮-后彎曲損傷風(fēng)險(xiǎn)；0.22 和0.9 s 時(shí)刻頸部X向力矩明顯大于Y和Z向，說明該時(shí)刻乘員頸部主要出現(xiàn)側(cè)向彎曲損傷。

對乘員運(yùn)動姿態(tài)（圖24）進(jìn)行分析驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)平臺車滾翻過程中，乘員頸部一直存在明顯的側(cè)向彎曲現(xiàn)象，這點(diǎn)與利用假設(shè)推斷的結(jié)果相符。0.075 s 時(shí)副駕駛乘員慣性力作用顯著，乘員頸部存在明顯的側(cè)向彎曲現(xiàn)象，而乘員軀干在向左偏出過程中受到安全帶的約束作用使頸部具有拉伸-前彎曲的趨勢；而在0.9 s時(shí)刻乘員頭部向右側(cè)彎與車身側(cè)壁碰撞，易對頸部產(chǎn)生較大的壓縮損傷。

圖24 平臺車仿真中假人頸部運(yùn)動姿態(tài)

結(jié)合式（1）計(jì)算得到平臺車滾翻過程中假人頸部損傷指標(biāo)Nij=0.84，頸部最大拉力為4.9 kN，最大壓力為1.9 kN，可以發(fā)現(xiàn)頸部最大拉力超過了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的臨界值4.17 kN，且出現(xiàn)時(shí)間在滾翻開始的前0.1 s，結(jié)合頸部運(yùn)動響應(yīng)判斷該損傷是由于車輛初始加速度的運(yùn)動慣性引起的。

通過對平臺車滾翻仿真分析得出乘員頸部力矩判斷某一滾翻時(shí)刻頸部運(yùn)動狀態(tài)的假設(shè)適應(yīng)于該滾翻工況，對比坡度滾翻工況中乘員頸部動態(tài)響應(yīng)發(fā)現(xiàn)，這兩種工況下乘員動態(tài)響應(yīng)近似，主要是側(cè)向彎曲損傷以及頸部碰撞壓縮損傷，不同點(diǎn)在于平臺車滾翻過程中車內(nèi)乘員頸部受到車輛初始加速度的慣性影響較大。

4.2 螺旋滾翻中乘員頸部動態(tài)響應(yīng)

圖25 所示為螺旋滾翻仿真中車輛的運(yùn)動過程。在該滾翻過程中副駕駛乘員頸部力與力矩的變化情況如圖26和圖27所示。

圖25 螺旋滾翻仿真車輛運(yùn)動過程

圖26 螺旋滾翻仿真中假人頸部力

圖27 螺旋滾翻仿真中假人頸部力矩

分析圖26和圖27得知，在0～0.13 s、0.37～0.5 s和1.35～1.5 s 時(shí)段頸部受到軸向壓縮力，如圖28 所示，z軸負(fù)方向即為軸向壓縮力。1.35～1.5 s 時(shí)段頸部還受到較大的剪切力；頸部Y向力矩在0～0.13 s和0.37～0.5 s 時(shí)段具有相對較大的變化，在1.35～1.5 s 時(shí)段力矩變化尤為明顯，同時(shí)頸部X向力矩與Z向力矩僅在1.35～1.5 s 時(shí)發(fā)生巨大變化。運(yùn)用前文的假設(shè)進(jìn)行分析得出，乘員頸部在0～0.13 s 和0.37～0.5 s 時(shí)段具有明顯的壓縮-前彎曲現(xiàn)象；而1.35～1.5 s時(shí)段頸部X向力矩達(dá)到30.82 N·m，頸部Y向力矩先出現(xiàn)29.51 N·m 的峰值，經(jīng)過0.02 s變化達(dá)到-40.86 N·m，分析得出該時(shí)間段頸部先發(fā)生壓縮-后彎曲損傷，然后迅速發(fā)生壓縮-前彎曲損傷和側(cè)向損傷。

圖28 各軸向力坐標(biāo)系

圖29 為螺旋滾翻仿真中副駕駛乘員頸部運(yùn)動狀態(tài)。0～0.5 s 時(shí)段車輛左側(cè)車輪在斜坡臺架上運(yùn)動，在前進(jìn)加速度作用下頭部產(chǎn)生較大慣性使頸部發(fā)生前彎曲現(xiàn)象，而且頸部受到軸向壓縮力從而出現(xiàn)壓縮-前彎曲損傷。1.35～1.37 s時(shí)段內(nèi)假人處于倒掛狀態(tài)，頭部在后彎曲狀態(tài)下向車頂運(yùn)動，1.37 s時(shí)假人頭部后上部區(qū)域與車頂發(fā)生瞬間碰撞產(chǎn)生大的壓縮力，使頸部前彎曲發(fā)生壓縮-前彎曲損傷。

圖29 螺旋滾翻仿真假人頸部運(yùn)動姿態(tài)

對螺旋滾翻過程的車內(nèi)假人頸部損傷進(jìn)行評價(jià)，其中Nij=0.99，已無限接近臨界限值1.0，頸部最大拉力為1.9 kN，最大壓力為6.8 kN，超過臨界限值4.0 kN。結(jié)合上述分析發(fā)現(xiàn)，頸部最大壓力發(fā)生在乘員頭部與車頂碰撞時(shí)刻，即螺旋滾翻過程中頭部與車體的碰撞對乘員頸部造成嚴(yán)重?fù)p傷。

通過分析螺旋滾翻仿真得出，可以結(jié)合頸部力與頸部力矩的變化情況判斷某一滾翻時(shí)刻頸部運(yùn)動狀態(tài)，在螺旋滾翻工況中乘員頸部動態(tài)響應(yīng)主要是壓縮-前彎曲。

5 結(jié)論

利用數(shù)值仿真方法對被測車輛進(jìn)行坡度滾翻、平臺車滾翻以及螺旋滾翻3 種工況仿真分析，建立頸部力/力矩假設(shè)分析滾翻中副駕駛乘員頸部損傷及運(yùn)動響應(yīng)，并對坡度滾翻仿真工況進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，具體數(shù)值為：在1.2 s 的坡度滾翻仿真計(jì)算時(shí)長內(nèi)，頸部損傷指標(biāo)Nij=0.39，小于FMVSS 208 中臨界數(shù)值1.0，頸部最大拉力為1.7 kN，最大壓力為1.1 kN。試驗(yàn)中Nij=0.32，頸部最大拉力為1.8 kN，最大壓力為0.4 kN；在1.2 s 的平臺車滾翻仿真計(jì)算時(shí)長內(nèi)，頸部損傷指標(biāo)Nij=0.84，頸部最大拉力為4.9 kN，最大壓力為1.9 kN，頸部最大拉力超過了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定臨界值4.17 kN，且出現(xiàn)時(shí)間在滾翻開始的前0.1 s；在1.8 s 的螺旋滾翻仿真計(jì)算時(shí)長內(nèi)，頸部損傷指標(biāo)Nij=0.99，已無限接近臨界限值1.0，頸部最大拉力為1.9 kN，最大壓力為6.8 kN，超過臨界限值4.0 kN。得到結(jié)論如下。

（1）坡度滾翻過程以及平臺車滾翻過程中副駕駛乘員頸部動態(tài)響應(yīng)類型主要是頸部側(cè)向彎曲，螺旋滾翻過程中副駕駛乘員頸部動態(tài)響應(yīng)類型主要是壓縮-前彎曲。

（2）根據(jù)力矩方向的判斷法則，可以采用已知的頸部力矩在某一時(shí)刻的大小判斷滾翻過程中對應(yīng)時(shí)刻的乘員頸部運(yùn)動狀態(tài)，結(jié)合乘員頸部Z向受力可以分析該時(shí)刻頸部動態(tài)響應(yīng)。

（3）車輛滾翻過程中，車輛內(nèi)部乘員頭部與車身側(cè)壁及車頂板的碰撞，是頸部產(chǎn)生壓縮載荷的主要原因，也是導(dǎo)致頸部損傷的最大影響因素，其次車輛運(yùn)動慣性也對車內(nèi)乘員頸部損傷有重要影響。

本文研究了車輛滾翻過程中副駕駛乘員頸部動態(tài)響應(yīng)，分析了不同情況下頸部損傷的機(jī)制，為該類車型滾翻中乘員頸部損傷防護(hù)方法研究提供了參考，為今后采用具有較高生物仿真度的有限元-多剛體耦合人體模型［12］進(jìn)行更細(xì)致的研究做好了鋪墊。