乔维高 汤超群

（武汉理工大学现代汽车零部件新技术湖北省重点试验室 武汉 430070）

0 引 言

汽车翻滚是交通事故中一种非常危险的事故形式.汽车事故统计表明，汽车翻滚事故仅占所有车辆事故的2.4%；但车辆翻滚造成的死亡人数在澳大利亚、欧洲、美国所有交通事故死亡人数中所占比例分别为27%，20%，33%.每年因汽车翻滚事故造成的各方面经济损失达到了500 亿美元［1］.由于翻滚事故中车顶、车门变形严重，乘员生存空间小，乘员头颈受到严重挤压，乘员甚至被甩出车外，导致汽车翻滚事故死伤率很高.然而，目前各国还缺少评定汽车翻滚安全性方面的强制性法规.涉及评价汽车翻滚安全性的法规，全球只有美国的208号联邦机动车安全标准（FMVSS）.能实现重复翻滚的翻滚碰撞试验，现在只有控制翻滚碰撞系统（CRIS）、乔丹翻滚系统（JRS）和动态翻滚试验系统（DRoTS）［2］.现在对汽车翻滚碰撞的研究主要集中在计算机仿真上.利用计算机仿真分析翻滚事故中汽车和乘员的动态特性寻求有效的乘员保护措施，所建立的仿真模型有刚体模型和变形体有限元模型两大类.MADYMO 软件可以将建立的三维刚体模型、假人模型和乘员约束系统结合起来仿真分析研究翻滚碰撞中乘员的伤害保护.由此可见，研究翻滚事故中汽车和乘员的动态特性、分析乘员的受伤机理，对寻求有效乘员保护措施和相关法规的建立有重要的意义.

1 整车翻滚乘员伤害保护分析

翻滚事故中，乘员伤害一直是研究重点.研究表明，翻滚事故中，乘员的头部、颈部、胸部是最容易受伤的部位.头部伤害中脑损伤发生频率比头骨的骨折发生频率更高，而颈部伤害中颈骨骨折较为常见［3］.表1显示了乘员头部、肩部、颈部和腹部最常见的损伤形式.

表1 翻滚碰撞中乘员常见损伤形式

车辆翻滚碰撞中乘员有效的保护措施有安全气帘、安全带和车顶缓冲材料.安全气帘在车辆翻滚中能缓冲乘员与车辆内饰的冲击，起到保护乘员的作用.安全带在碰撞中对乘员能起到明显的保护作用.Moffat用试验设计的方法对不同安全带的性能参数，以及安装位置下的乘员位移差别进行了分析，发现肩带与腰带的不同角度对乘员约束效果有显著差异.Newberry应用MADYMO验证了预拉紧式安全带在车辆翻滚中对乘员也有较好的约束效果.车顶缓冲材料能够缓解乘员头部撞击车顶的速度，起到保护乘员头部和颈部的效果.Hu等通过有限元模型分析不同车顶材料的摩擦系数对乘员颈部伤害的影响，得出小的车顶材料摩擦系数有利于对颈部的保护［4］.

2 整车翻滚试验模型建立

2.1 整车模型的建立

基于刚体运动学理论建立的整车仿真模型由椭球多刚体构成.模型包括汽车悬架，侧围、顶盖、机罩、仪表板和主副驾驶座椅.这些汽车结构均起源于车辆质心，设定质心的运动便可以定义整车的翻滚运动.车辆的前悬采用双横臂结构，包括上横臂、转向杆、车轮和下横臂.下横臂通过点约束与车辆质心相连形成闭环链.汽车后悬包括后轴和车轮，代表一个简化的驱动桥.

除了车轮和仪表板用圆柱体描述以外，座椅、汽车侧围和顶部结构都是用椭球体描述.将车辆质心定义为自由铰（JOINT.FREE），主副驾驶座椅相对于质心为固铰接（JOINT.BRAC）.由于模拟整车翻滚过程不需要考虑悬架的运动，因此悬架中所定义的转动铰（JOINT.REVO）均被锁死.

2.2 假人模型建立

SAE J2114台车试验曾经是FMVSS 208法规中的一部分，试验所用的假人是Hybird Ⅲ型假人.为此，仿真所用的假人模型正是从MADYMO 假人库中直接提取出来的HybridⅢ男性50百分位假人.需要利用INIALJOINT＿POS 语句改变假人的位置，假人的坐姿也要进行调整.

2.3 安全带模型建立

基于传统三点式安全带建立的安全带模型包括MB多体部分和FE有限元部分.MB部分主要是在MADYMO 中通过相关命令设定卷收器，D环、卡扣点以及锚点的具体位置.FE 部分主要是通过有限元软件建立的与人体相接触的肩带和腰带部分.能否按要求正确定义安全带相对于假人的初始位置以及假人相对座椅的位置，对汽车翻滚仿真乘员伤害结果有很大影响.具体的定位方法描述如下.

1）先准确定位HybirdⅢ50th多体假人模型的位置，并将该假人模型中所有铰链的初始状态设置为锁止.

2）参考MADYMO 中自带的相关文件介绍的建模方法，通过测量搜集实车的安全带相关数据建立肩带以及腰带的FE模型.

3）将有限元安全带尾端用刚性单元定义，并将其与多刚体安全带模型的卡扣，D 环，锚点对应连接.

4）为了保证安全带模型在假人模型上为平滑状态，在定义有限元安全带模型与假人模型的接触力与摩擦力时，应选择较低的力.

5）在安全带尾端向后加载大小约为10N 的力.假人模型的肩部、腹部在接触力与摩擦力共同作用下将会与有限元安全带模型部分贴合紧密，达到力学平衡.整车以及定位好的假人、安全带模型见图1.

图1 MADYMO 仿真模型

2.4 其他模型建立

仿真中模型车辆的翻滚运动轨迹可以通过直接设定模型质心运动数据来实现，因此不需要建立台车模型.质心运动数据包括模型初始姿态、高度和质心加速度.整车仿真模型质心运动数据可以通过试验台车的结构数据以及试验中台车的运行速度计算得到，并可以通过MOTION.JOINT＿POS语句预先设定.仿真中地面模型直接用刚体平面表达.

3 仿真与结果分析

3.1 安全带对乘员伤害的影响

侧面翻滚中，正面安全气囊起不到明显的保护作用；侧面安全气囊虽然能起到乘员保护作用，但侧气囊配置成本高，目前只在高档车上才有配置.这时安全带在侧面翻滚碰撞中对乘员的保护作用就显得尤为重要.在上述所建仿真模型的基础上，对乘员系和不系安全带进行翻滚碰撞仿真，对比分析乘员在2种仿真情况下的损伤情况，以验证安全带对乘员的保护作用.

截取通过MADYMO 前处理软件计算分析后输出的乘员在不系安全带条件下的车辆及乘员的翻滚动画，见图2.图2a）为车辆前轮第一次与地面接触时的画面，此时乘员已完全失去重心，有被抛出车外的趋势，乘员头部与车顶发生猛烈撞击，颈部发生弯曲变形.图2b）为乘员与地面发生碰撞的瞬间.此时乘员被抛出车外，整个仿真结束.相比于不系安全带，在系安全带的仿真中，因安全带对乘员良好的保护作用，乘员被束缚在座椅上伴随车辆翻滚而翻滚，避免了被抛出车外.图3为以头部加速度表征的乘员在系和没系安全带时的乘员头部伤害曲线.

图2 不系安全带时乘员动态响应

图3 基于安全带的头部加速度对比曲线

由图2可见，假人系安全带的头部加速度曲线相对于不系安全带时变化平稳，同一时刻的加速度值远低于不系安全带时的情况.综上可以得出，系安全带可以防止乘员被抛出车外，缓和乘员头部与车辆内饰的碰撞作用减轻乘员头部的伤害，能对乘员起到良好的保护作用.

3.2 乘员头部空间对乘员伤害的影响

由于翻滚碰撞中车体和人体复杂的动态响应以及人们分析方法和数据处理方法的不同，现在还没有直接的结论证明车顶压溃变形与乘员损伤之间存在直接的因果关系［5-6］.虽然建立的刚体模型不能分析车顶的变形即车顶刚度大小对乘员伤害的影响，但可以假设乘员头部空间越大，翻滚碰撞中乘员头部与车顶的撞击力度越大乘员损伤越严重.为了验证上述假设，进行仿真时，可以将乘员头部空间（乘员顶部距车顶的距离h）分别设为5，10，15cm.以头部加速度表征的头部伤害对比曲线如图4，以颈部Z向载荷表征的颈部伤害对比曲线如图5.

图4 基于头部空间的头部加速度曲线对比

图5 基于头部空间的假人上颈部Z向载荷对比

由图4 可见，车辆与地面发生碰撞的瞬间（0.9s左右），3条加速度曲线都达到峰值；头部空间越大头部加速度峰值也越大，且在后续翻滚过程中也保持较大的加速度峰值.由图5可见，车辆左侧车轮与地面发生接触时，乘员颈部出现最大拉力，但对应不同乘员头部空间的拉力值并没有明显的差别；车顶与地面发生撞击时，乘员头部撞击车顶，乘员颈部产生最大压力，且头部空间越大压力值越大颈部伤害越严重.

由上述分析可以得出，在车顶刚度比较大时，乘员头部空间对翻滚碰撞中乘员头部和颈部的伤害有影响，即头部空间越大，乘员头部和颈部伤害也越严重.

3.3 初始翻滚加速度对乘员伤害的影响

SAE J2114台车翻滚试验中，假人伤害与台车速度、试验车倾斜角度和放置高度有关.仿真中试验车倾斜角度和放置高度可以通过调整整车模型的初始状态位置实现，台车速度可以用加载在整车模型质心处的瞬时加速度表征.因为台车速度、试验车倾斜角度、试验车放置高度等试验条件变化对乘员伤害影响的仿真分析方法相同，只对整车模型质心处的加速度对乘员伤害的影响进行仿真分析.质心加速度分别设定为1g和2g，仿真分析结果见图6～7.

选取仿真分析中的五个典型翻滚时刻的乘员头部加速度值和胸部压缩量值，并按下面公式计算出参数灵敏度.为了使选取的参数有可比性，对应的5个时刻分别为：时刻1车辆左侧车轮着地，时刻2胸部压缩量第一次峰值，时刻3车顶撞击地面，时刻4右侧车轮着地，以及时刻5翻滚完成1周.

图6 基于加速度的头部加速度对比曲线

图7 基于加速度的胸部压缩量对比曲线

计算得出的典型翻滚时刻对应的头部灵敏度和胸部灵敏度见表2.由表中数据可以得出增加翻滚初始整车模型抛出质心处加速度，头部伤害增加率相比于胸部伤害增加率更大，即相对于胸部伤害头部伤害对模型抛出质心加速度变化更敏感.

表2 加速度改变的头部灵敏度和胸部灵敏度对比

4 结束语

运用MADYMO 软件建立SAE J2114台车翻滚试验仿真刚体模型.对比分析乘员系与不系安全带两种情况下的乘员头部伤害情况，得出系安全带能有效防止车辆翻滚碰撞中乘员被抛出车外以及明显减轻乘员头部伤害，能对乘员起到明显保护作用.在改变乘员头部空间的仿真中，得出在车顶强度较高的条件下，乘员头部空间越大，乘员头部伤害和乘员颈部伤害越严重.在改变初始翻滚整车模型抛出质心加速度仿真分析中，得出相比于胸部伤害头部伤害对抛出加速度变化更敏感.

［1］曹立波，颜凌波.汽车翻滚安全性研究及试验概览［J］.汽车工程学报，2012，2（4）：235-248.

［2］曹立波，颜凌波.基于乔丹翻滚试验的乘用车翻滚碰撞特性研究［J］.汽车工程，2013，35（8）：695-700.

［3］CHOU C C，WAGNER C D，YANG K H，et al.A review of math-based CAE tools for rollover simulations［J］.Accident Analysis &Prevention，2003，35（3）：236-275.

［4］DIGGES K H，EIGEN A M.Crashes attributes that influence the severity of rollover crashes［C］.18th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles，Paper No.03-0231，Nagoya，Japan，2003.

［5］何 欢.车辆翻滚仿真技术与应用研究［D］.重庆：重庆大学，2007.

［6］颜凌波.乘用车的翻滚碰撞特性及防护措施研究［D］.长沙：湖南大学，2012.