魏玉釗，曹軍帥，任傳波，孫志釧，吳凱偉, 顏廷浩

(山東理工大學(xué) 交通與車(chē)輛工程學(xué)院, 山東 淄博 255049)

汽車(chē)作為一種代步工具，在給人們出行帶來(lái)方便的同時(shí)，也引發(fā)了大量的交通事故。在人車(chē)碰撞事故中，由于行人缺乏相應(yīng)的安全保護(hù)措施，傷亡比較嚴(yán)重，因此我國(guó)在2009年制定了人車(chē)碰撞事故中行人保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)[1]。在人車(chē)碰撞事故中行人身體各部位都可能會(huì)受到不同程度的損傷，其中行人頭部是最容易受到重度損傷的部位(80%)，其次為胸部(7%)、脊柱(6%)及腹部(6%)；而受到中度損傷比例最高的部位為下肢(37%)，其次為頭部(35%)[2]。通過(guò)對(duì)人體受傷位置的分析研究發(fā)現(xiàn)，頭部受傷通常是與前風(fēng)窗玻璃、發(fā)動(dòng)機(jī)罩及A柱碰撞造成的[3]。為了降低人車(chē)碰撞事故中行人損傷，在前風(fēng)窗玻璃下端與發(fā)動(dòng)機(jī)蓋上端設(shè)置安全氣囊，使得人車(chē)碰撞事故中行人與發(fā)動(dòng)機(jī)蓋上部及前風(fēng)窗玻璃進(jìn)行“軟接觸”，可降低行人損傷。

1 行人與發(fā)動(dòng)機(jī)罩氣囊碰撞模型

1.1 行人碰撞模型

在碰撞實(shí)驗(yàn)中，行人碰撞模型的建立是仿真研究的基礎(chǔ)，具有較高人體生物相似度的假人模型對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)的精準(zhǔn)性有很大的影響[4]。國(guó)內(nèi)外在假人模型方面開(kāi)展了大量的研究工作，已經(jīng)取得了很大的成果，研發(fā)出了一系列的Hybrid假人模型。根據(jù)人車(chē)碰撞事故中行人身高及碰撞前行人狀態(tài)統(tǒng)計(jì)情況：中等身高的行人(1.52～1.83 m)占據(jù)了人車(chē)碰撞事故中的72%，且有74%的成年行人處于行走或奔跑狀態(tài)[5]。因此本文選用長(zhǎng)度為1.67 m的HybridIII男性假人，并將假人模型經(jīng)LS-Prepost前處理，調(diào)整為走路姿態(tài)。

根據(jù)人車(chē)碰撞事故中行人身體主要部位與車(chē)輛發(fā)生接觸的分布情況，事故中行人與車(chē)身前部接觸比例最高約占67.1%，并且有68%的行人是從側(cè)面受撞[5]，則將假人模型放置在汽車(chē)正前方83 mm處，與汽車(chē)前保險(xiǎn)杠呈90°夾角。

1.2 安全氣囊模型

基于某款國(guó)產(chǎn)轎車(chē)的結(jié)構(gòu)尺寸創(chuàng)建汽車(chē)模型，人車(chē)碰撞時(shí)行人主要與車(chē)輛前端發(fā)生接觸，為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，對(duì)車(chē)輛前端主要部件進(jìn)行創(chuàng)建，包括前保險(xiǎn)杠、前防撞梁、大燈，發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋、前擋風(fēng)玻璃等，其余部件進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。

安全氣囊材料通過(guò)關(guān)鍵字MAT_FABRIC_(034)進(jìn)行設(shè)置，采用平面卷繞式折疊法，展開(kāi)形狀為長(zhǎng)方體，在車(chē)輛與假人模型接觸的同時(shí)，氣囊向擋風(fēng)玻璃上方及發(fā)動(dòng)機(jī)罩下方展開(kāi)。氣囊剛度參照某款國(guó)產(chǎn)轎車(chē)駕駛室安全氣囊剛度參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，安全氣囊氣體流量曲線如圖1所示。

圖1 安全氣囊氣體流量曲線Fig.1 Airbag flow rate curve

通過(guò)關(guān)鍵字AUTOMATIC_SURFACE_SURPACE設(shè)置車(chē)輛與假人模型接觸、AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE設(shè)置車(chē)輛自身接觸、CONTACT_AIRBAG_SINGLE_SURFACE設(shè)置氣囊自身接觸、AUTOMATIC_SURFACE_SURPACE設(shè)置氣囊與假人接觸。假人碰撞前姿勢(shì)及安全氣囊放置位置如圖2所示。

圖2 碰撞模型示意圖Fig.2 Collision model diagram

2 碰撞仿真分析

將有無(wú)發(fā)動(dòng)機(jī)罩安全氣囊的汽車(chē)模型和假人模型分別在LS-Prepost中設(shè)置好相同的環(huán)境變量參數(shù)(碰撞車(chē)速40 km/h，保險(xiǎn)杠前端距離假人模型右腿外側(cè)83 mm，仿真時(shí)間300 ms)，然后導(dǎo)入LS-DYNA進(jìn)行求解，得出仿真結(jié)果，對(duì)兩種碰撞條件下假人頭部、頸部、胸部損傷值進(jìn)行分析比較。

2.1 仿真過(guò)程

圖3 無(wú)發(fā)動(dòng)機(jī)罩氣囊人車(chē)碰撞Fig.3 The human-car crash without hood airbag

從圖3無(wú)氣囊人車(chē)碰撞仿真動(dòng)畫(huà)可以看出：人車(chē)碰撞后，假人運(yùn)動(dòng)包括直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。假人右腿膝關(guān)節(jié)首先與前保險(xiǎn)杠接觸，80 ms時(shí)大腿與發(fā)動(dòng)機(jī)罩邊緣接觸，此時(shí)碰撞產(chǎn)生的沖擊力大于人體與地面的靜摩擦力，使得假人雙腳與地面產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，直至離開(kāi)地面；130 ms時(shí)假人下肢產(chǎn)生向前的加速度帶動(dòng)上半身向汽車(chē)前部?jī)A斜，臀部及右臂與發(fā)動(dòng)機(jī)罩接觸，隨后頭部與前風(fēng)窗下端發(fā)生接觸；200 ms時(shí)人體被拋向汽車(chē)行駛方向，身體以右臂為支撐，且頭部向上掀起，頸部向下彎曲；275 ms假人開(kāi)始向汽車(chē)尾部翻轉(zhuǎn)。

根據(jù)無(wú)氣囊人車(chē)碰撞仿真中假人頭部碰撞點(diǎn)的位置分布，為保證假人頭部更好的與安全氣囊接觸，將氣囊安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)罩上端，完全展開(kāi)時(shí)氣囊覆蓋發(fā)動(dòng)機(jī)后部及前風(fēng)窗下部。由于假人頭部在130 ms左右開(kāi)始與前風(fēng)窗玻璃接觸，則設(shè)置氣囊充氣時(shí)間為70 ms。

仿真過(guò)程如圖4所示，t=70 ms氣囊完全展開(kāi)，隨后頭部與安全氣囊接觸，頭頸部陷入安全氣囊中得到保護(hù)。

圖4 有氣囊人車(chē)碰撞Fig.4 The human-car crash with hood airbag

2.2 頭部損傷對(duì)比分析

對(duì)于HybridIII碰撞假人，頭部損傷程度通常用HIC值和3ms合成加速度來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)，其計(jì)算公式為

式中：t1到t2是碰撞過(guò)程中HIC計(jì)算值最大的時(shí)間間隔；a(t)表示頭部的質(zhì)心加速度，以重力加速度g為單位[6]。通過(guò)分析計(jì)算得出有/無(wú)發(fā)動(dòng)機(jī)罩氣囊人車(chē)碰撞事故中假人頭部質(zhì)心合成加速度對(duì)比結(jié)果，如圖5所示。

圖5 頭部合成加速度曲線Fig.5 The curves of head synthesis acceleration

由圖5可以看出兩種碰撞情況下假人頭部合成加速度曲線變化基本一致。無(wú)氣囊碰撞條件下假人頭部加速度，在110～122 ms出現(xiàn)最大加速度239.213 g，有氣囊碰撞條件下在113～125 ms出現(xiàn)最大加速度109.877 g，相比降低了54.03%。同時(shí)有氣囊碰撞條件下頭部加速度曲線變化較為平穩(wěn)，說(shuō)明氣囊的保護(hù)作用是因?yàn)閷㈩^部接觸時(shí)間延長(zhǎng)，使碰撞產(chǎn)生的能量較為均勻的分布在一個(gè)較長(zhǎng)的接觸時(shí)間內(nèi)，從而減小頭部受力[2]。結(jié)合仿真動(dòng)畫(huà)分析，由于安全氣囊充氣后的剛度低于前風(fēng)窗玻璃，假人頭部在接觸前風(fēng)窗玻璃達(dá)到最大加速度前與已經(jīng)完全展開(kāi)的氣囊進(jìn)行“軟接觸”，降低了加速度,使得頭部損傷值HIC從2029減至838，相比降低58.7%，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求HIC值低于1000的規(guī)定，實(shí)現(xiàn)了保護(hù)頭部安全的效果。

2.3 頸部損傷對(duì)比分析

在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究方面，一些研究者發(fā)現(xiàn)在頸部運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中產(chǎn)生的彎矩會(huì)對(duì)人體頸部造成傷害，其內(nèi)部的剪切力也會(huì)對(duì)各個(gè)組織造成嚴(yán)重傷害[7]。本文選用頸部剪切力和彎矩作為人車(chē)碰撞過(guò)程中假人頸部損傷情況的評(píng)價(jià)指標(biāo)，經(jīng)過(guò)仿真得出假人頸部剪切力和彎矩曲線，如圖6、圖7所示。

圖6 頸部剪切力曲線Fig.6 The curves of neck shear force

圖7 頸部彎矩曲線Fig.7 The curves of neck monment

由對(duì)比曲線可以看出兩種碰撞條件下剪切力和彎矩曲線變化基本一致，無(wú)氣囊碰撞條件下111～134 ms出現(xiàn)最大剪切力0.941 1 kN，114～149 ms連續(xù)出現(xiàn)最大彎矩和最小彎矩65.864 1 kN·mm、-34.474 9 kN·mm。有氣囊碰撞條件下剪切力曲線變化較為平緩，最大剪切力減小40.66%，最大彎矩減小52.08%，最小彎矩減小15.56%。

結(jié)合仿真動(dòng)畫(huà)分析，假人頭部在130 ms左右與前風(fēng)窗玻璃開(kāi)始接觸，由于人車(chē)相對(duì)速度較大，產(chǎn)生的沖擊力使得假人頭部向前甩，頸部產(chǎn)生較大剪切力及彎矩，產(chǎn)生較大的彎曲變形。相對(duì)比在設(shè)置了發(fā)動(dòng)機(jī)罩氣囊的人車(chē)碰撞中，假人頭頸部未與前風(fēng)窗玻璃直接接觸，而是陷在剛度較小的安全氣囊中，抵消了部分沖擊力，使得剪切力和彎矩都得到了降低，達(dá)到減小頸部損傷的效果。

2.4 胸部損傷對(duì)比分析

有研究表明胸部損傷對(duì)人的傷害嚴(yán)重程度僅次于頭部，在人車(chē)碰撞事故中行人胸部直接與發(fā)動(dòng)機(jī)蓋及前風(fēng)窗玻璃接觸，造成胸骨斷裂、內(nèi)臟器官破損等傷害行為[8]。胸部損傷準(zhǔn)則主要包括胸部3 ms準(zhǔn)則和胸部壓縮量，F(xiàn)MVSS208規(guī)定胸部3 ms內(nèi)合成加速度不得超過(guò)60 g，胸部壓縮量THPC(Thorax Perfor-mance Criteria)為胸骨相對(duì)于脊柱的壓縮量[9]。以假人胸部變形量的絕對(duì)值表示胸部性能指標(biāo)，THPC≤75 mm[10]。

如圖8、圖9所示，無(wú)氣囊碰撞條件下胸部合成加速度在110～123 ms時(shí)出現(xiàn)最大加速度30.553 g，51～80 ms時(shí)出現(xiàn)最大擴(kuò)張量4.90 mm，192～204 ms時(shí)出現(xiàn)最大壓縮量3.00 mm。相比較有氣囊碰撞條件下胸部在50～67 ms時(shí)出現(xiàn)最大擴(kuò)張量4.70 mm，186～203 ms時(shí)出現(xiàn)最大壓縮量3.90 mm，壓縮量降低了4.08%，胸部合成加速度和變形量均符合安全標(biāo)準(zhǔn)。

圖8 胸部加速度曲線Fig.8 The curves of chest synthesis acceleration

圖9 胸部壓縮量曲線Fig.9 The curves of chest deflection

結(jié)合仿真動(dòng)畫(huà)分析，由于假人側(cè)面先受到撞擊，胸部側(cè)面與發(fā)動(dòng)機(jī)罩發(fā)生碰撞使得胸部產(chǎn)生擴(kuò)張變形，在碰撞過(guò)程中沖擊力使得假人產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，隨后胸部正面與發(fā)動(dòng)機(jī)罩發(fā)生接觸，產(chǎn)生壓縮變形。在有氣囊碰撞仿真中假人胸部在產(chǎn)生最大變形及加速度之前就已經(jīng)與氣囊進(jìn)行軟接觸，避免了胸部與發(fā)動(dòng)機(jī)蓋直接接觸，減緩了胸部加速度，達(dá)到了保護(hù)了行人胸部安全的效果。由于主要考慮頭部保護(hù)，設(shè)置氣囊剛度稍大，使得胸部壓縮量增加了0.3 mm，后期可通過(guò)對(duì)氣囊氣體流量速率曲線進(jìn)行優(yōu)化解決此問(wèn)題。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)有無(wú)發(fā)動(dòng)機(jī)罩氣囊條件下人車(chē)碰撞事故進(jìn)行仿真，并對(duì)結(jié)果分析得出結(jié)論：

1)車(chē)輛在時(shí)速達(dá)到40 km/h時(shí)的人-車(chē)正面碰撞中，車(chē)輛安裝發(fā)動(dòng)機(jī)罩安全氣囊，且氣囊充氣時(shí)間為70 ms時(shí)與不安裝發(fā)動(dòng)機(jī)罩氣囊時(shí)相比假人頭部HIC值降低58.70%。假人頭部最大合成加速度相比減小了54.03%。

2)車(chē)輛安裝發(fā)動(dòng)機(jī)罩安全氣囊時(shí)假人頸部和胸部損傷情況較不安裝發(fā)動(dòng)機(jī)罩安全氣囊時(shí)明顯降低，其中頸部最大剪切力相比減小40.66%、最大彎矩力減小15.56%。胸部最大合成加速度和最大壓縮量降低了19.63%和4.08%。證明車(chē)輛與行人發(fā)生碰撞時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)罩安全氣囊能夠一定程度上影響行人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，并有效的降低人車(chē)碰撞事故中行人主要部位的損傷。