張進(jìn)杰，錢宇彬，王婉秋*，李 威

(1. 上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，上海 201620；2. 司法鑒定科學(xué)研究院上海市司法鑒定專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺(tái)，上海 200063)

1 引言

隨著汽車保有量的持續(xù)增長(zhǎng)，我國(guó)道路交通事故發(fā)生數(shù)量也高居不下，據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》顯示，2010-2019年間我國(guó)交通事故死亡人數(shù)總體上呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，但數(shù)量依然較大，其中2019年我國(guó)道路交通死亡人數(shù)為52388人[1]。交通事故中的致傷方式有很多，其中顱腦損傷是汽車碰撞事故中人員傷亡的主要原因之一。世界衛(wèi)生組織(World Health Organization，WHO)發(fā)布的《2018年全球道路交通安全形勢(shì)分析報(bào)告》指出，在道路交通事故中，四輪汽車司機(jī)死亡人數(shù)占總死亡人數(shù)的36%，居于首位。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益發(fā)展和完善，國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用仿真分析在人體損傷領(lǐng)域取得了重大的突破和成果。Takhounts[2]等給出了基于腦組織最大主應(yīng)變(MPS)對(duì)應(yīng)的簡(jiǎn)明創(chuàng)傷(AIS)等級(jí)顱腦損傷風(fēng)險(xiǎn)曲線，當(dāng)腦組織最大主應(yīng)變達(dá)到0.45時(shí)，發(fā)生輕度腦損傷的概率為50%。Kleiven[3]通過(guò)重建分析了58起國(guó)家美式橄欖球聯(lián)盟案例，將計(jì)算研究結(jié)果通過(guò)回歸風(fēng)險(xiǎn)曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析，得出輕度創(chuàng)傷性腦損傷的腦組織應(yīng)變、應(yīng)變率、von Mises應(yīng)力達(dá)到6～11kPa時(shí)會(huì)發(fā)生腦挫傷。Willinger[4]等通過(guò)分析22例國(guó)家美式橄欖球聯(lián)盟案例得出，當(dāng)腦組織von Mises應(yīng)力達(dá)到18kPa時(shí)有50%的概率會(huì)導(dǎo)致腦震蕩。韓勇等人運(yùn)用了蒙特卡洛不確定性分析方法對(duì)電動(dòng)二輪車事故進(jìn)行車速和人員損傷的評(píng)價(jià)分析，并驗(yàn)證了其有效性。朱鮮飛[6]等利用計(jì)算機(jī)仿真研究了不同速度下水平?jīng)_擊對(duì)于假人頭部傷害的研究。以上的研究均為駕駛?cè)颂幱谡Ｗ藯l件下開展的，然而實(shí)際駕駛環(huán)境中，駕駛?cè)说淖耸荞{駛?cè)藗€(gè)人習(xí)慣和喜好影響，座椅角度的改變也引起駕駛?cè)俗说淖兓?，同時(shí)，碰撞前駕駛?cè)丝赡艿碾x位狀況也不容忽視。因此，有必要針對(duì)駕駛?cè)说淖说牟淮_定性研究駕駛?cè)俗藢?duì)駕駛?cè)祟^部損傷的影響及程度。

本文選取50百分位的Hybrid Ⅲ型假人模型，將假人座椅的角度設(shè)置為5種狀態(tài)，模擬在不同坐姿條件下，假人在佩戴安全帶及安全氣囊爆開工況下駕駛?cè)说牧W(xué)指標(biāo)，分析假人力學(xué)指標(biāo)受假人坐姿的影響及程度，給出駕駛?cè)送扑]的坐姿，最后基于國(guó)家車輛事故深度調(diào)查體系(National Automobile Accident In-depth Investigation System，NAIS)中的真實(shí)案例驗(yàn)證了仿真的有效性。

2 材料與方法

目前我國(guó)關(guān)于車輛制動(dòng)階段的仿真研究并沒有統(tǒng)一的假人模型，其中主要應(yīng)用的有LSTC公司的研發(fā)的Hybrid Ⅲ假人模型、豐田開發(fā)的THUMS假人模型和AHM主動(dòng)人體模型。本文采用的是50百分位的Hybrid Ⅲ型男性假人模型以及美國(guó)國(guó)家碰撞分析中心(National Crash Analysis Center，NCAC)根據(jù)2010年款Yaris車型所建立的整車有限元模型。

2.1 安全氣囊工作原理

當(dāng)撞擊感知器感受到撞擊時(shí)，相關(guān)的控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)撞車程度做出判斷并決定是否需要啟動(dòng)充氣裝置，傳感器發(fā)出的信號(hào)傳遞到電子控制系統(tǒng)，在電子控制系統(tǒng)的處理之后判斷有必要打開氣袋時(shí)，氣體發(fā)生器收到由觸發(fā)裝置發(fā)出的點(diǎn)火信號(hào)后會(huì)立即觸發(fā)，然后產(chǎn)生大量的氣體充滿整個(gè)氣袋。由于撞擊過(guò)程持續(xù)很短，一般氣囊由啟動(dòng)至完成充氣這個(gè)過(guò)程大約25-35毫秒。安全氣囊的工作原理如圖1所示。

圖1 安全氣囊工作原理

安全氣囊模型的建立首先進(jìn)行氣囊的有限元?jiǎng)澐忠约皻饽业恼郫B結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行安全氣囊的參數(shù)設(shè)置：體積比例因子Vsca和壓力比例因子Psca設(shè)置為1，氣體流入阻尼因素D設(shè)置為0.05，定容熱容值為設(shè)置850J/(kg·K)，定壓熱容值設(shè)置為1140J/(kg·K)，輸入氣體溫度設(shè)置為756℃，排氣孔系數(shù)C23設(shè)置為1，泄氣孔面積A23設(shè)置為1592mm2，重力轉(zhuǎn)換系數(shù)設(shè)置為1。

2.2 頭部損傷標(biāo)準(zhǔn)

頭部主要的損傷形式主要是由于慣性力的影響而造成的腦結(jié)構(gòu)不和或者腦組織脫離頭骨。

頭部損傷耐受度的計(jì)算公式如下

(1)

式中：a(t)為頭部撞擊總加速度隨時(shí)間的關(guān)系曲線(a用g的倍數(shù)表示)；t2-t1為HIC取得一個(gè)最大值時(shí)的時(shí)間間隔，在實(shí)際發(fā)展應(yīng)用中一般選取的時(shí)間間隔為36ms，本文選用的也是HIC36[7]。

目前國(guó)際上大都采用AIS(Abbreviated Injury Scale)傷害等級(jí)來(lái)評(píng)價(jià)人員所受到的傷害程度。其中，AIS1～2級(jí)屬于比較輕的傷害，AIS3～5級(jí)屬于比較嚴(yán)重的傷害，AIS6級(jí)及其以上就會(huì)有致死的風(fēng)險(xiǎn)。表1所示的是HIC值與AIS傷害等級(jí)之間的關(guān)系。

表1 HIC值與AIS代碼的相關(guān)性[8]

2.3 有限元約束系統(tǒng)

本文采用的基礎(chǔ)的整車模型如圖2所示，該模型共包含1488581個(gè)節(jié)點(diǎn)，940個(gè)零件。將該模型的正面碰撞試驗(yàn)仿真結(jié)果與美國(guó)國(guó)家高速公路安全管理局(National Highway Traffic Safety Administration，NHTSA)進(jìn)行的實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，如圖3所示，可知該實(shí)車試驗(yàn)與仿真結(jié)果一致性較好，證明了該整車模型具有良好的可靠性。本文為計(jì)算方便，已將約束系統(tǒng)簡(jiǎn)化。

圖2 2010年款Yaris有限元模型

圖3 正面碰撞試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

2.4 50百分位的Hybrid Ⅲ型假人模型

根據(jù)試驗(yàn)的要求，本文使用的是Hybrid Ⅲ型第50百分位男性假人，如圖4所示，其具有良好的重現(xiàn)精度和測(cè)量精度，這是一種中等體型的假人，其具體參數(shù)如表2所示。

圖4 Hybrid Ⅲ型第50百分位男性假人模型

表2 美國(guó)第50百分位與中國(guó)各百分位成年男子人體尺寸比較[9]

Hybrid Ⅲ型假人頭部由鑄鋁制成，皮膚由可拆卸的乙烯基橡膠制成，頸部由分段橡膠和中空鋁制框架制成，可以適當(dāng)模擬假人頭部的彎曲和伸長(zhǎng)。胸腔由高強(qiáng)度鋼和聚合體減震材料組成，它可以真實(shí)地反應(yīng)人體胸部的彎曲特性。頸部和胸部之間的角度可以通過(guò)支架調(diào)節(jié)。傳感器安裝在支架內(nèi)，安全帶的壓力可以由肩胛骨和鎖骨上的傳感器測(cè)量。腰椎由橡膠制成，它可以模擬人的坐姿。大腿骨和脛骨可以測(cè)量肌腱的張力并預(yù)測(cè)骨折的發(fā)生。

目前試驗(yàn)中的假人模型主要是LSTC公司的研發(fā)制作的，本次研究使用的也是LSTC公司的有限元假人模型，這個(gè)模型是根據(jù)美國(guó)第50百分位成年男性的體型制作的，與1988年我國(guó)成年男子人體尺寸有所差異，但如今我國(guó)各方面發(fā)展迅猛，國(guó)民身體素質(zhì)也有所提高，所以該模型對(duì)于我國(guó)也具有很好的參考意義。

3 試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)條件

為了研究駕駛?cè)嗽谡_使用安全帶的條件下氣囊點(diǎn)爆與頭部碰撞的過(guò)程，并考慮不同個(gè)體的行為習(xí)慣和存在離位等情況，將假人身體傾斜的角度設(shè)置為80°，90°，100°，110°，120°共五種姿態(tài)，如圖5所示。根據(jù)現(xiàn)行美國(guó)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，將試驗(yàn)條件設(shè)置為車速為48km/h的正面碰撞。使用LS-DYNA進(jìn)行仿真計(jì)算，時(shí)間為120ms，并查看其各項(xiàng)力學(xué)特性曲線，研究其損傷規(guī)律。

圖5 五種乘坐姿態(tài)

3.2 仿真過(guò)程

在LS-PrePost中查看氣囊點(diǎn)爆的過(guò)程動(dòng)畫，圖6為假人在不同時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)過(guò)程。其中假人的頭部是無(wú)約束的狀態(tài)，由于安全氣囊的拉帶長(zhǎng)度是一定的，隨著假人坐姿的改變，假人頭部與安全氣囊之間的距離也會(huì)發(fā)生變化，顱腦相應(yīng)的參數(shù)也會(huì)發(fā)生變化。在仿真動(dòng)畫中分別選取了t=0ms碰撞初始時(shí)刻，t=20ms安全氣囊剛剛沖開內(nèi)飾蓋的時(shí)刻，t=25ms氣囊展開并與假人胸部接觸的時(shí)刻，t=30ms氣囊與假人頭部接觸時(shí)刻，t=65ms氣囊完全展開的時(shí)刻以及t=120ms碰撞結(jié)束時(shí)刻。

圖6 氣囊點(diǎn)爆過(guò)程

4 討論

當(dāng)假人的乘坐姿態(tài)不同時(shí)，假人頭部與安全氣囊之間的距離就會(huì)改變，由于安全氣囊的拉帶長(zhǎng)度是一定的，隨著假人乘坐姿態(tài)的不同，氣囊彈出時(shí)對(duì)假人頭部造成的傷害也會(huì)有所變化。取假人頭部的損傷值(本文默認(rèn)為假人頭部的加速度)作為性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，加速度峰值越小，則說(shuō)明損傷越小，加速度峰值越大，則說(shuō)明頭部的損傷就越大。為了后續(xù)敘述的方便，本研究規(guī)定座椅角度(即假人身體傾斜角度)為80°時(shí)為第一種乘坐姿態(tài)，座椅角度為90°時(shí)為第二種乘坐姿態(tài)，座椅角度為100°時(shí)為第三種乘坐姿態(tài)，座椅角度為110°時(shí)為第四種乘坐姿態(tài)，座椅角度為120°時(shí)為第五種乘坐姿態(tài)。

4.1 假人頭部加速度分析

在LS-DYNA中對(duì)五種姿態(tài)進(jìn)行計(jì)算，并查看其頭部加速度曲線，選擇sae將其進(jìn)行濾波處理，得到的計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，五種姿態(tài)碰撞時(shí)假人頭部HIC最大值分別為840.3，464.9，167，167.9，172.6。五種姿態(tài)碰撞時(shí)假人頭部加速度最大值分別為219.49mm/ms2，58.343mm/ms2，4.4567mm/ms2，9.257mm/ms2，15.321mm/ms2。第一種姿態(tài)與后面四種差異較大，其中第一、二種姿態(tài)分別可對(duì)人體造成嚴(yán)重?fù)p傷和中度損傷。第三、第四、第五種姿態(tài)的HIC值和加速度大小都很接近，因此后面三種姿態(tài)對(duì)于駕駛員的損傷較小。

4.2 能量變化分析

在LS-DYNA中查看五種姿態(tài)的能量變化曲線，如圖8所示，其中A、B、C曲線分別為假人的動(dòng)能、內(nèi)能和總能量的變化曲線。

由圖8可知，五種姿態(tài)都是在15ms左右能量開始變化，在40ms左右趨于穩(wěn)定。其中，第一種姿態(tài)和第二種姿態(tài)的能量變化圖比較相似，它們的總能量最后穩(wěn)定于800J左右，后面三種姿態(tài)的能量變化圖也較為相似，其中第三種姿態(tài)的能量變化最小，為553.08J，比較五種姿態(tài)的能量變化，第三種姿態(tài)即座椅角度為100°時(shí)對(duì)人體頭部的損傷最小。

4.3 應(yīng)力應(yīng)變分析

在Hyperview中查看假人不同乘坐姿態(tài)的應(yīng)力云圖，如圖9所示。

由圖9可知，前兩種姿態(tài)中假人頭部的應(yīng)力比較大，后三種姿態(tài)對(duì)人體的損傷較小，且后三種姿態(tài)的應(yīng)力相差不大，因此只考慮應(yīng)力情況，后面三種工況較好。

5 結(jié)果驗(yàn)證

提取國(guó)家車輛事故深度調(diào)查體系(National Automobile Accident In-depth Investigation System，NAIS)數(shù)據(jù)庫(kù)中的一起蒙迪歐與榮威的側(cè)碰事故案例，該事故信息如下：2017年1月，在上海市松江區(qū)某路段，唐某駕駛一輛榮威行駛至交叉路口時(shí)，與蔣某駕駛的蒙迪歐發(fā)生碰撞，兩車的碰撞過(guò)程如圖10所示。

圖10 碰撞過(guò)程圖

由于沒有視頻資料，根據(jù)事故采集情況顯示兩車碰撞關(guān)系如圖11所示，榮威的安全氣囊展開情況如圖12所示。事故造成榮威駕駛員受輕傷，副駕駛乘客嚴(yán)重受傷，根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)資料，主駕駛座椅角度為100°，副駕駛座椅角度為90°，根據(jù)交警資料司法鑒定書顯示，副駕駛乘員受傷原因?yàn)檩p度腦損傷，初步推測(cè)副駕駛乘客在碰撞前已處于離位狀態(tài)。

圖11 蒙迪歐與榮威碰撞對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖12 榮威安全氣囊展開情況

由于榮威車頭右前方撞到了蒙迪歐正前方，榮威副駕駛位受到的沖擊比主駕駛大，副駕駛乘員的離位程度也更大，副駕駛乘員輕度腦損傷，根據(jù)表2，可知其HIC在250～750，與本文第二種姿態(tài)即座椅角度為90°時(shí)的仿真結(jié)果正好對(duì)應(yīng)，所以在一定程度上，本文的仿真過(guò)程及其結(jié)果具有很好的參考價(jià)值。

6 結(jié)論與展望

采用Hybird Ⅲ型第50百分位男性假人模型，模擬駕駛?cè)嗽诤侠硎褂冒踩珟闆r下改變其乘坐姿態(tài)或座椅角度，查看其碰撞后頭部生物力學(xué)各項(xiàng)指標(biāo)的響應(yīng)變化，得出了以下結(jié)論。

1)在本文設(shè)置的試驗(yàn)條件下，隨著駕駛員身體傾斜角度(座椅角度)的增大，頭部受到的線性沖擊力和顱腦的各項(xiàng)生物響應(yīng)的最大值均呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，并且顱腦損傷程度也會(huì)降低。

2)當(dāng)座椅角度小于90°時(shí)，駕駛員的能量波動(dòng)比較大，碰撞時(shí)對(duì)駕駛員造成傷害的可能性也增大。

3)當(dāng)座椅角度大于90°時(shí)，駕駛員的能量波動(dòng)相對(duì)較小，為保護(hù)乘員安全，建議駕駛員應(yīng)保持身體傾斜程度(座椅角度)在100°左右。

另外，本文的研究也有不足之處，由于本文在變換假人姿態(tài)時(shí)未考慮到各個(gè)年齡段身體素質(zhì)的差異問(wèn)題，也沒有考慮駕駛員的舒適性問(wèn)題。后續(xù)研究會(huì)在自動(dòng)駕駛工況下探討車輛碰撞后人員損傷的問(wèn)題。