曹立波，张 萍，颜凌波,，张 恺，谢 飞，乐中耀

(1.湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082； 2.汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室，重庆 400039)

2016028

在车对车碰撞条件下轿车斜角碰撞及小重叠碰撞的驾驶员损伤研究*

曹立波1，张 萍1，颜凌波1,2，张 恺1，谢 飞2，乐中耀2

(1.湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082； 2.汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室，重庆 400039)

为探究驾驶员在斜角碰撞和小重叠碰撞中的损伤风险，利用某经过验证的丰田Yaris整车模型，建立了100%正面碰撞、40%偏置碰撞、25%偏置碰撞和左侧30°斜角碰撞的LS-DYNA车与车碰撞模型，并根据试验数据建立了MADYMO驾驶员约束系统模型，和进行模型的验证。利用所组成的碰撞模型开展了被碰车与碰撞车上假人在以上4种碰撞中的损伤仿真。结果表明，车与车左侧30°斜角碰撞是一种非常危险的工况，尤其可能使驾驶员产生较大的下肢损伤；被碰车的驾驶员容易产生较大的颈部损伤；而总的来说，在4种碰撞工况中，小重叠碰撞导致的驾驶员损伤最小。

正面碰撞；偏置碰撞；斜角碰撞；小重叠碰撞；驾驶员损伤

前言

汽车正面碰撞是最常见的交通事故之一，正面碰撞的试验方法包括全宽碰撞、偏置碰撞和角度碰撞[1]。为提高汽车产品的安全性能，我国于1999年10月颁布了CMVDR 294《关于正面碰撞乘员保护的设计规则》，采用100%重叠率的刚性固定壁障碰撞试验方法。2007年又颁布并实施GB/T 20913—2007《乘用车正面偏置碰撞的乘员保护》，该标准是以欧洲1998年新修订的ECE R94/01为基础起草的，采用40%偏置可变形壁障碰撞方式。

目前，我国并没有关于角度碰撞和小偏置碰撞的试验规则或标准，国内关于这两种碰撞工况的研究也较少。然而，美国FMVSS208法规早在1986年就规定正面碰撞试验除采用车辆纵轴线与障碍壁表面垂直的碰撞试验外，还需进行车辆横截面与障碍壁表面成30°的碰撞试验。欧洲ECE R94正面碰撞试验法规也在1995年采用车速为50km/h的30°斜角碰撞试验方法作为过渡。美国公路安全保险协会(IIHS)已于2012年8月开始，引入了25%正面偏置碰撞(小重叠碰撞)测试方法。国外学者也在该领域开展了一些研究，但是大多是基于事故统计数据进行分析，车辆的个体差异性较大。其中文献[2]中的研究指出，斜角碰撞中由于安全气囊对乘员的保护效果较差，乘员头部和胸部AIS 3+损伤比两车中轴线平行碰撞时大。文献[3]中通过对比美国国家汽车采样系统防撞性数据体系(NASS/CDS)及碰撞损伤研究和工程网络数据库(CIREN)发布的碰撞事故数据，得到以下结论：相对于大重叠偏置碰撞，在小重叠偏置碰撞中，乘员的头部、胸部、脊椎和骨盆更易产生AIS 3+损伤[3]。

为进一步研究驾驶员在斜角碰撞和小重叠碰撞中的损伤特点，本文中采用同一车型，消除了车辆的个体差异性，将斜角碰撞、小重叠碰撞与100%正面碰撞和40%偏置碰撞进行对比，综合分析同一车型在不同碰撞模式中驾驶员损伤的差异。

1 仿真模型的建立与验证

本研究中利用LS-DYNA非线性有限元分析软件建立丰田Yaris的100%正面碰撞、40%偏置碰撞、25%偏置碰撞和左侧30°斜角碰撞的整车仿真模型，利用MADYMO软件建立以上4种碰撞模式的驾驶区和乘员约束系统模型。采用LS-DYNA与MADYMO相结合的方法进行4种碰撞工况下的驾驶员损伤仿真分析。

1.1 丰田Yaris有限元模型

本文中所用的乘用车有限元模型是美国国家碰撞分析中心(national crash analysis center, NCAC)发布的2010年版丰田Yaris模型。该模型包含座椅、仪表板和必要的内饰件，但不包括安全带和安全气囊等约束系统模型。整车模型质量为1 250kg，单元总数为974 383个。NCAC在建立此模型后，已将其与整车试验数据进行对比验证，整车试验数据来自于美国新车评价规程(NCAP)中的100%正面刚性壁障碰撞试验，试验的碰撞速度为56km/h，试验号为5677。整车模型的验证结果分别如图1和图2所示[4]。

利用上述经过验证的车身有限元模型，分别建立100%正面碰撞、40%偏置碰撞、25%偏置碰撞和30°斜角碰撞的车与车碰撞模型，如图3所示。设置碰撞速度为50km/h，碰撞时间为120ms。左边车辆为被碰车，右侧车辆为碰撞车。

在FE碰撞仿真模型中设置输出驾驶员位置座椅下方一点的加速度和转角曲线，作为MADYMO模型的输入条件。

1.3 驾驶区和乘员约束系统模型的建立

与有限元分析软件相比，多体运动学软件MADYMO具有求解效率高的特点，常用于车辆碰撞和乘员损伤的分析计算，便于研究碰撞过程中乘员的响应，评价约束系统的性能。

本文中采用MADYMO软件建立了驾驶区和乘员约束系统碰撞仿真模型，包括驾驶区模型，含仪表板总成，地板，左侧车门内饰板，左侧A、B柱和前排左侧座椅；驾驶员位置假人采用Hybrid III 50百分位椭球假人模型；约束系统包括安全气囊和安全带系统，其中安全带系统包括预紧器、卷收器和安全带织带。

从FE整车碰撞模型中输出各部件的节点信息和单元信息，输入到MADYMO模型中，并赋予各部件相应的材料和属性，建立驾驶区模型。驾驶区模型的各部件在仿真中的运动情况与FE仿真模型一致，即用MADYMO PSM(prescribed structure motion)子结构方法，将FE仿真模型中各部件的节点-位移历程导出，在MADYMO模型中通过MOTION.STRUCT_DISP将其引入[5]。安全带模型由有限元安全带和多体安全带单元组成，安全带与车体的连接部分采用多体安全带，安全带与假人相接触部分采用有限元安全带。定义安全带卷收器特性时，卷收器必须安装在安全带第一段的起点，根据安全带在仿真中是否有限力和预拉紧功能来调节卷收器在仿真中的状态[6]。根据试验动画中安全气囊的起爆特性来调节仿真模型的安全气囊起爆时间和起爆速率。

MADYMO碰撞仿真模型的建立是否准确，主要取决于两个方面：第一，模型各部件的材料特性和物理特性参数输入是否准确；第二，MADYMO模型中假人的空间位置定义是否准确[7]。参照美国新车碰撞测试中的5677号试验，调节MADYMO仿真模型的假人位置，使之与试验一致，如表1所示。

根据试验调节好的驾驶区和乘员约束系统模型如图4所示。

1.4 驾驶区和乘员约束系统模型的验证

将驾驶区和乘员约束系统模型的仿真结果与试验进行对比，由于试验为100%正面碰撞模型，车身Y向与Z向加速度和车身绕X轴与Z轴的转角加速度都很小，故只提取了X向加速度和绕Y轴的转角加速度输入到驾驶区和乘员约束系统正碰仿真模型中。由于美国NCAP对于前排驾驶员和乘员的评级是依据头部HIC、胸部加速度和大腿力值，故对此驾驶区和乘员约束系统100%正碰模型假人的头部加速度、胸部加速度和左右大腿力进行了对标，如图5所示。

表1 试验中驾驶员位置

由图5可知，驾驶区和乘员约束系统仿真模型的假人头部加速度、胸部加速度和左大腿力曲线与试验曲线吻合较好。而右大腿力曲线则与试验曲线差别较大，这主要是因为整车FE模型中未建立加速踏板模型，无法导出加速踏板的PSM文件，导致加速踏板在仿真中的运动-时间历程与试验不一致，影响了右脚与加速踏板的接触特性，但仿真曲线与试验曲线的峰值接近。表2给出仿真数据与试验数据的对比。

表2 试验与仿真模型假人损伤值对比

从表2可知，驾驶区和乘员约束系统仿真模型计算出的相关假人损伤值与试验假人损伤值的误差均在8%以内。

2 驾驶员损伤分析

利用上述经过验证的驾驶区和乘员约束系统模型，建立了100%正面碰撞、40%偏置碰撞、25%偏置碰撞和30°斜角碰撞的被碰车与碰撞车MADYMO模型。设定车身纵向速度为50km/h，碰撞时间为120ms，进行仿真，计算得到假人的损伤参数。

2.1 被碰车假人损伤情况

图6为被碰撞假人损伤参数对比，是以100%正面碰撞仿真得到的损伤参数作为基准的相对比值。

从图6可知，被碰车假人在30°斜角碰撞时的头部、胸部和左大腿的损伤最严重，且头部HIC36非常大。图7为4种碰撞工况下，被碰车在仿真碰撞96ms时刻的运动姿态。图7(d)中显示，假人头部在斜角碰撞中与左侧车门碰撞，这是造成斜角碰撞中假人头部损伤非常严重的原因。左侧车门在30°斜角碰撞时变形最严重，向驾驶室侵入明显。车门的变形侵入使车门挤压假人胸部，造成了胸部的较大损伤。受车身被撞击位置偏左的影响，30°斜角碰撞的假人左大腿力峰值明显大于100%正面碰撞中的假人左大腿力峰值。斜角碰撞中车身右侧未参与碰撞，所以右大腿力峰值远小于100%正面碰撞中的对应值。

文献[8]中在2001年基于NASS数据库中的1 723起前部碰撞事故进行的统计研究发现，左侧斜角碰撞事故中被碰车的驾驶员更容易造成下肢损伤。为更进一步分析被碰车驾驶员的下肢损伤情况，取出每种碰撞模式中左右大腿力峰值的较大值进行比较，见图8。图中的各数值是各碰撞模式中左右大腿力峰值较大者与100%正面碰撞的左右大腿力峰值较大值相比得到的。从图8可知，乘员在30°斜角碰撞中下肢损伤最严重，这与文献[8]中的研究结论一致。

文献[9]中对NASS/CDS数据库前排乘员在前碰撞中的损伤数据进行了统计研究，提出一种事故分类方法，如图9所示。车辆左前端方形阴影区域为车辆碰撞变形区域，车辆左右两个长条阴影区域为两侧纵梁。当变形区域在左侧纵梁以外时，为小重叠碰撞；当变形区域跨过左侧纵梁但变形区域中心线在左侧纵梁以外时，为中度偏置碰撞；当变形区域中心线在左右纵梁之间时，为偏置碰撞。其文中根据事故统计数据得出的结论是，小重叠碰撞中乘员的AIS2+损伤小于中度偏置碰撞和偏置碰撞，小重叠碰撞在所有前碰撞类型中，最多属于中等危险工况。

图10给出本研究中25%偏置碰撞和40%偏置碰撞的被碰车变形区域仰视图。按照文献[9]中提出的事故分类方法，本研究中的25%偏置碰撞实际上是指重叠度为25%的偏置碰撞，属于小重叠碰撞，40%偏置碰撞属于中度偏置碰撞。图6显示25%偏置碰撞的假人头部和胸部损伤均比40%偏置碰撞小，图8显示25%偏置碰撞的假人下肢损伤比40%偏置碰撞小，此结论与文献[9]中的研究结论基本一致。

图11给出仿真结束时刻的整车碰撞情况对比。从图11看出，车辆在25%偏置碰撞时的变形区域最小，同时车辆在碰撞平面内的转动角度较大，通过转动导致碰撞车绕过被碰车左侧，降低了碰撞强度。车辆的变形位于纵梁外侧，使驾驶区的主要形状保持完好，有利于对乘员的保护。

图12给出被碰车在4种碰撞工况中的车身侧向加速度。从图12看出，30°斜角碰撞的车身侧向加速度峰值最大，其次为40%偏置碰撞。因此在斜角碰撞中，驾驶员承受了一个更大的侧向加速度。它使假人在30°斜角碰撞中，朝左侧偏移量最大，造成头部与安全气囊的接触位置明显偏向左侧。

图13给出对比最明显时刻即仿真碰撞108ms时刻的乘员运动姿态。从图中可以明显看出，30°斜角碰撞中乘员朝左侧车门运动趋势最大，头部处于安全气囊的最左侧且与左车门碰撞，而颈部的弯曲最严重。

图14为4种碰撞工况中被碰车假人的颈部损伤指标对比，是以100%正面碰撞的颈部损伤参数为基准的相对比值。从图14中可知，除颈部弯矩外，30°斜角碰撞中假人的颈部张力、剪切力和颈部综合评价指标NIJ均为最大，其中颈部剪切力与25%偏置碰撞和40%偏置碰撞相近。3种碰撞工况的颈部剪切力均大于100%正面碰撞，其原因是在这3种碰撞工况中，撞击位置导致车身转动，头部因惯性作用朝左侧车门偏转，而躯干受到车门的阻挡，造成头部与躯干相对运动位移增大。100%正面碰撞的颈部损伤指标最小，说明安全气囊能够在100%正面碰撞中对乘员颈部提供较好的保护。被碰车假人颈部在30°斜角碰撞中的损伤风险最大。

2.2 碰撞车假人损伤情况

图15为将100%正面碰撞仿真的碰撞车假人损伤参数作为基础数值，其它碰撞工况的假人损伤参数与之相比所得的碰撞车假人损伤参数对比。

从图15可知，在100%正面碰撞中，假人的头部、胸部以及左大腿损伤情况与40%偏置碰撞接近，其中头部和胸部的损伤均比其余两种偏置碰撞工况更严重。30°斜角碰撞的假人头部、胸部和右大腿的损伤与25%偏置碰撞比较接近，均比100%正面碰撞小。其中，头部和胸部的损伤值最小，但左大腿的损伤值则最大；而25%偏置碰撞工况下，假人的各项损伤值均较小。

图16给出4种碰撞工况的碰撞车车身纵向加速度，从图中看出，40%偏置碰撞的车身纵向加速度最大，其次为100%正面碰撞，25%偏置碰撞和30°斜角碰撞的车身纵向加速度峰值接近。这反映在乘员损伤参数上，表现出上述头部和胸部的假人损伤规律。

碰撞车在30°斜角碰撞中的工况类似于柱碰撞，但与柱碰撞不同的是，与之相撞的物体即被碰车前部的刚度比柱体小，可以变形吸收更多能量，且被碰车能够转动，减小了碰撞强度，因此碰撞车车身纵向加速度降低。而由于撞击位置导致碰撞车仪表板的侵入，所以30°斜角碰撞的假人下肢损伤风险较其余碰撞工况要增大。

图15显示，与被碰车情况类似，碰撞车25%偏置碰撞的乘员损伤小于40%偏置碰撞。图16显示由于碰撞车25%偏置碰撞的纵向加速度略微比30°斜角碰撞大，所以乘员的头部和胸部损伤较30°斜角碰撞大。

为更详细分析假人在4种碰撞工况中的下肢损伤趋势，取每种碰撞工况中左右大腿力峰值的较大值进行比较。图17为将100%正面碰撞中碰撞车假人左右大腿力峰值的较大值作为基础数值，其余3种碰撞工况中的较大值与之相比，得到的碰撞车大腿力对比图。结合图8被碰车大腿力对比图可见，碰撞车在4种碰撞工况中的下肢损伤趋势与被碰车一致，30°斜角碰撞仍是下肢损伤风险最高的碰撞模式。与被碰车情况不同的是，相比其他碰撞工况，25%偏置碰撞的下肢保护效果更好。

图18为仿真碰撞120ms时刻碰撞车乘员的运动姿态。从图中可知，30°斜角碰撞的乘员朝右侧偏转，40%偏置碰撞和25%偏置碰撞的乘员朝左侧偏转，100%正面碰撞的乘员无明显偏转。在30°斜角碰撞中，乘员头部与安全气囊充分接触，安全气囊的保护效果较好。

3 结论

建立丰田Yaris在100%正面碰撞、40%偏置碰撞、25%偏置碰撞和30°斜角碰撞工况下的车与车碰撞模型和乘员约束系统模型，进行了乘员约束系统模型的验证，并分别进行4种碰撞工况下被碰车和碰撞车的驾驶员位置假人损伤情况的仿真，重点分析了车与车在30°斜角碰撞和25%偏置碰撞中的假人损伤特点，得到如下结论。

(1) 30°斜角碰撞时，被碰车处于一种非常危险的状态，更容易导致驾驶员的致命伤害,表现在头部HIC36比另外3种碰撞工况数值大很多。

(2) 在30°斜角碰撞中，驾驶员的下肢损伤风险最大，说明斜角碰撞相比其余3种碰撞模式，更容易引起驾驶员的下肢损伤。

(3) 该车型在小重叠碰撞中对乘员的保护效果较好，乘员的头胸部和下肢损伤风险都较低。

(4) 被碰车在30°斜角碰撞中容易产生较大的乘员颈部损伤风险。

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A Study on Driver Injury in Oblique and Small OverlapCrashes Under Car to Car Collision

Cao Libo1, Zhang Ping1, Yan Lingbo1,2, Zhang Kai1, Xie Fei2& Yue Zhongyao2

1.HunanUniversity,StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufacturingforVehicleBody,Changsha410082; 2.StateKeyLaboratoryofVehicleNoise-Vibration-HarshnessandSafetyTechnology,Chongqing400039

For exploring the injury risk of driver in oblique crash and small overlap crash, a vehicle model for Toyota Yaris validated is used to develop car to car head-on collision models for four different conditions (full frontal crash, offset crashes with 40% and 25% overlaps and 30° oblique crash) with LS-DYNA and a model for driver restraint system with MADYMO, which is also verified by test. Then the complete colision model is composed and used to conduct a dummy injury simulation on both cars involved in above-mentioned four impact conditions. The results show that the 30° oblique crash is a very risky condition, being prone to cause more severe injury of driver, in particular, on lower extremities, and on neck for the driver of subject car. By and large, driver will sustain the least severe injury in an offset crash with 25% overlap among four impact conditions.

frontal crash; offset crash; oblique crash; small overlap crash; driver injury

*国家863计划(2012AA111802)和博士后基金项目(2014M552313)资助。

原稿收到日期为2014年7月10日，修改稿收到日期为2014年8月26日。