刘金鑫,潘胜娟

(兰州交通大学机电工程学院,甘肃兰州 730070)

乘用汽车小重叠率侧面柱碰撞的乘员损伤研究*

刘金鑫,潘胜娟

(兰州交通大学机电工程学院,甘肃兰州 730070)

基于侧面柱碰撞对乘员伤害的严重性,利用LS-DYNA与HyperWorks软件建立了某乘用汽车的侧面柱碰撞仿真模型,通过ES-2RE型假人对该事故形态中乘员的损伤进行了仿真研究。其结果表明:在侧面柱碰撞中人体的头部、颈部、下部肋骨以及腹部受到的伤害较大,而上、中部肋骨以及骨盆的伤害较小。

侧面柱碰撞;安全性;有限元仿真;乘员损伤

0 引 言

汽车侧面柱碰撞是指汽车与柱状物(电线杆、树木、交通指示牌等)发生的侧面碰撞[1]。因其为小重叠率碰撞,并且乘员与车门内板之间仅有20～30 cm的距离,因此该种事故一旦发生,车内乘员在强列贯入的冲击载荷的作用下将会受到高致命性的伤害[2]。CIDAS(中国交通事故深入研究)的调查数据表明近年来侧面柱碰撞事故在我国具有非常高的伤亡率[3],该事故形态已引起了国内交通安全管理部门的高度重视,因此对于侧面柱碰撞的研究具有重要的意义。

国内目前有关侧面柱碰撞的研究绝大部分为关于车体结构响应的研究,而对于乘员损伤机理的研究则极少;仅有个别研究人员做了相关方面的工作,其中杨济匡[4]利用MADYMO软件的子模型法参照EuroNCAP试验要求对比研究了侧面柱碰撞与侧面壁障碰撞对乘员造成伤害的异同,其研究结果表明侧面柱碰撞对乘员的伤害较侧面壁障碰撞更为严重;商恩义[5]借助ES-2型假人分别进行了FMVSS214和ENCAP侧面柱碰撞试验,从实验的角度对比分析了不同实验条件下人体伤害部位之间的差异。其结果表明,FMVSS214试验中假人胸部伤害相对较小,腹部伤害相对偏大。

以上研究均是在不同碰撞法规条件下对比研究了侧面柱碰撞对乘员造成伤害的差异,而并没有就侧面柱碰撞中乘员自身的损伤机理进行探索,因此笔者拟利用有限元仿真分析法对侧面柱碰撞中乘员的损伤进行研究。

1 仿真模型的建立

有限元仿真分析法被广泛应用于汽车被动安全的研究中,因此利用LS-DYNA与HyperWorks软件联合建立了某乘用汽车的侧面柱碰撞有限元仿真模型,其中驾驶员用ES-2RE型假人来模拟。所建模型共计有1 053 095个单元。仿真实验中整车以侧向32 km/h的速度倾斜75°与直径为254 mm的固定刚性柱发生侧面碰撞,其中碰撞点选择在刚性柱轴线与碰撞速度方向所组成的平面通过驾驶员的头部中心位置,整个仿真过程历时125 ms。如图1所示。

图1 侧面柱碰撞有限元模型

2 碰撞时序分析

碰撞过程中乘员身体主要部位与汽车侧围之间碰撞时序的差异会造成乘员不同的伤害,因此碰撞时序对乘员损伤的研究具有非常重要的意义。观察碰撞过程中假人的运动姿态发现,假人的上躯干(骨盆及以上部位)在其碰撞侧与车体侧围有明显的碰撞,而下躯干则没有与侧围发生接触。因此在分析假人的运动姿态与碰撞时序时只需考虑假人的上躯干部位即可。

2.1 ES-2假人结构及传感器位置

在碰撞试验中为了获得人体在碰撞中受到的碰撞力以及变形情况,需要在假人的身体上设置大量的传感器,详细信息如图2所示。

图2 ES-2假人结构及传感器位置

2.2 碰撞时序分析

在碰撞过程中,人体各部位与车体侧围发生碰撞的时序对乘员伤害值的影响很大,因此,侧面碰撞时序对研究乘员损伤具有非常重要的意义。图3所示为假人碰撞侧主要部位的加速度—时间曲线。

图3 假人各部位加速度-时间曲线

由图3可知,假人碰撞侧主要部位的加速度出现时序为左臂锁骨、肋骨、脊椎、头部、骨盆。因此,左臂最先与车体侧围发生碰撞,随后肋骨位置开始与车门内饰发生接触,这主要是由于车门内侧的扶手先与人体下部肋骨位置发生碰撞所致,由于碰撞不断加剧,脊椎在强烈的冲击载荷作用开始发生变形,此时人体上躯干开始向碰撞侧倾斜,由于碰撞的持加剧使得人体头部与门框上边缘迅速发生碰撞,随后立即向碰撞侧开始反弹,在惯性力的作用下,人体的颈部及上躯干受到头部的牵动有向非碰撞侧倾斜的趋势,而此时车体侧围仍在向车内不断侵入,从而使得骨盆与车门内饰发生碰撞。

3 人体主要部位伤害值分析

3.1 假人头部损伤分析

HIC(头部伤害指数)是评价碰撞对乘员头部伤害的重要指标,FMVSS214碰撞法规[6]所规定的HIC限值为1000,该值越大,表明碰撞对乘员头部造成的伤害就越大。

图4所示为侧面柱碰撞中驾驶员位置处假人的头部HIC响应曲线。由图中数据可知假人的头部HIC值为8 576,该值显然大于FMVSS214法规限值1 000,由此说明,侧面柱碰撞对人体头部的伤害非常大。这将会给车内司乘人员带来致命性的伤害。

图4 HIC-时间曲线

3.2 颈部伤害分析

图5所示为侧面柱碰撞中假人的颈部力-时间曲线,横向、垂向颈部力曲线在40～80 ms之间的变化最为剧烈,其中垂向颈部力出现的时刻要早于横向,但横向颈部力的峰值比垂向颈部力稍大一些。由图中曲线的变化趋势可知,在初始时刻,二者均向负方向开始逐渐增大,随着碰撞的加剧,在达到负向峰值之后,又开始向正向变化,并出现正向峰值,由此说明人体颈部在碰撞初期有向碰撞侧发生弯曲变形的现象,在达到弯曲极限之后开始反弹,即向非碰撞侧发生弯曲变形。

图5 颈部力-时间曲线

观察碰撞中假人的运动姿态发现其颈部除了有严重弯曲变形之外,还伴有扭转现象存在,为了进一步说明该现象,将假人颈部力矩随时间变化的曲线绘于图6之中。

图6 颈部力矩-时间曲线

由图6可知颈部的扭转力矩明显大于其剪切力矩,并且扭转力矩随时间的变化更为剧烈,由此说明在侧面柱碰撞中人体颈部在碰撞力的作用下出现了严重的扭转变形,在这种扭转力矩的作用下,常常会给乘员带来致命性的伤害。

3.3 胸部伤害指数分析

图7所示为侧面柱碰撞中假人的肋骨变形量-时间曲线。由图可知上部肋骨的最大变形量为26.8 mm,中部肋骨的变形量为30.9 mm,下部肋骨的变形量为53.1 mm,FMVSS214法规规定的肋骨变形量限值为42 mm,因此只有下部肋骨的变形量超出了限值,由此说明在侧面柱碰撞中乘员下部肋骨受到的伤害最为严重。

图7 肋骨变形量

3.4 腹部及骨盆伤害值分析

图8所示为侧面柱碰撞中假人腹部力随时间的变化曲线。

图8 假人腹部力-时间曲线

由图8可知假人骨盆力的最大峰值为2.83 kN,该值超出了FMVSS214法规所规定的限值2.5 kN,而骨盆力的最大峰值为5.86 kN,该值则小于 FMVSS214法规所规定的限值6 kN。

4 结 语

通过上述对侧面柱碰撞中假人各部位的伤害值分析之后,可以得出在侧面柱碰撞中人体的头部、颈部、下部肋骨、腹部的伤害较大,而上部肋骨、中部肋骨以及骨盆的伤害值较小。因此在侧面约束装置的开发中需要重点考虑人体头部、颈部、下部肋骨、腹部区域的保护。

[1]Wang Dazhi,Dong Guang,Zhang Jinhuan,etal.Car side structure crashworthiness in pole and moving deformable barrier side impacts [J].Tsinghua Science and Technology,2006,11(6):725-730.

[2]李翼德.轿车侧面柱碰撞的耐撞性优化设计研究[D].长沙:湖南大学,2011.

[3]Qihui Li,Jikuang Yang.Study of vehicle front structure crashworthness based on pole impactwith differentposition[C].The10thInternational Forum of Automotive Traffic Safety(INFATS),Shenzhen-Hongkong,China,2013.

[4]杨济匡,覃祯员,王四文,等.轿车侧面柱碰撞结构响应与乘员损伤研究[J].湖南大学学报(自然科学版),2011,38(1):23-28.

[5]商恩义,侯福震,师玉涛,等.对某车型两种侧面撞柱试验假人伤害研究[J].汽车工程学报,2014,4(4):280-284.

[6]NHTSA.FMVSSNO.214,DYNAMIC SIDE IMPACT PROTECTION -Rigid Pole Side Impact Test Requirements[S].U.S.:NHTSA,2012:1-23.

Study on Occupant Injury in Side Pole Impact of Passenger Car

LIU Jin-xin,PAN Sheng-juan
(School ofMechatronic Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou Gansu 730070,China)

Based on the occupant injury severity in side pole impact,the finite elementmodelwas developed by using the LS -dyna and the HyperWorks software,and occupant injury in side pole impactwas studied with ES-2 dummy.It can be concluded that the body's head,neck,lower rib and abdomen suffered more injury than the upper,middle rib and pelvis in the pole side impact.

pole side impact;security;finite element simulation;occupant injury

U270

A

1007-4414(2015)06-0059-03

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.06.021

2015-09-23

刘金鑫(1988-),男,甘肃庆阳人,硕士研究生,主要从事汽车被动安全研究工作。