崔世海，马伟盛，李海岩，贺丽娟，吕文乐

（1. 天津科技大学机械工程学院，天津 300222；2. 现代汽车安全技术天津国际联合研究中心，天津 300222）

前言

儿童除乘坐私家车出行外，公交车仍是国内儿童乘客出行的主要选择。而城市公交车由于其内部座椅尺寸和空间布局等都是按照成年人尺寸进行设计，故对儿童乘客的安全约束会大大减弱，且儿童由于其自身的行为特点，在不同座位或区域会呈现不同的姿态，因此公交车内的儿童乘员安全是值得关注的问题。

近年来，国内外对公交车内乘员，尤其是成人的损伤进行了相关研究。何超［1］基于多刚体假人模型，对公交车不同位置坐姿乘员的安全风险进行分析与评估。徐烔［2］采用多刚体与有限元结合的方法，对公交车碰撞事故进行再现仿真，分析导致车内乘员损伤的原因。程梓豪［3］构建了某款混合动力公交车有限元模型，并通过正面碰撞仿真试验，对车身变形和驾驶员生存空间进行分析。Stanisawek等［4］为减轻公交车中正面碰撞对乘员的损伤，建立了一种简单的缓冲座椅模型。Palacio等［5］使用MADYMO软件中多刚体人体模型对公交车中站立乘客进行碰撞损伤研究。Olivares等［6］分析了美国国家高速公路交通安全管理局（NHTSA）年度交通安全事实报告和美国国家汽车通用采样评估系统（GES）的客车事故数据，指出公交车碰撞导致乘员伤亡事故主要是由正面碰撞和侧面碰撞引起的。目前公交车中乘员损伤研究大多采用多刚体假人和HybridⅢ假人有限元模型，关于公交车内儿童乘员的损伤研究较少。He等［7］使用多刚体儿童乘员模型研究了儿童乘坐公交车时的碰撞损伤，并基于损伤方式和程度对车身内部结构设计进行了改进。该研究中儿童假人模型的生物仿真度不够高，无法细致研究儿童的颅脑损伤。在中国典型混合交通状况下，虽然公交车行驶速度不高，但频繁的制动和发生碰撞事故时，是否会导致儿童颅脑损伤是值得研究的问题。本文中使用HYPERMESH建立一款城市公交车整车有限元模型，研究公交车在紧急制动和正面碰撞两种情况下儿童乘员在车内典型位置头部的碰撞损伤，为城市公交车儿童乘员损伤研究和防护提供理论基础。

1 公交车整车有限元模型构建

1.1 整车有限元模型的构建

使用CATIA软件对某款公交车骨架总成和车内乘客座椅、投币箱、扶手等车内部件进行几何建模后，完成后导入HYPERMESH中进行几何清理和网格划分，并绘制地板、蒙皮、玻璃等部件有限元模型，车内部件均参考实车车厢内相应部件位置进行放置。完成后进行模型各部分的连接，发动机和前后车桥等质量较大部件在相应质心位置简化为质量点，随后进行模型穿透和单元质量检查。最终的整车有限元模型共有823 120个单元，总质量9.01 t，整车有限元网格模型和内饰布置如图1所示。

图1 公交车整车有限元模型及内饰布置

1.2 整车模型可靠性验证

在进行仿真试验前，须事先验证模型可靠性［8］。利用建立的整车模型构建公交车与刚性墙的碰撞模型，在LS-DYNA 中进行仿真试验，碰撞初速度设为30 km/h。仿真结果表明，碰撞前后模型总能量增长2.31%，沙漏能和滑移能在总能量中的占比分别为1.74%和0.87%，均控制在5%以内，所建的整车有限元模型满足可靠性要求。

2 仿真试验设置

2.1 6岁儿童混合有限元模型的构建

多刚体假人模型和假人有限元模型在仿真计算中具有计算时间快、计算效率高等特点，在碰撞仿真中有很高的使用率，但它不具备详尽的人体解剖学结构，其生物仿真度不高。近年来国内很多高校和研究机构致力于开发具有详细解剖学结构的儿童整人有限元模型，生物仿真度得到了很大提高，但它计算时间长，计算效率低。针对公交车内儿童乘员头部的碰撞损伤，考虑到模型的计算效率，本文中构建了6岁儿童混合有限元模型。其头部采用天津科技大学构建的经过有效性验证的具有详细解剖学结构的6岁儿童头部有限元模型［9］，该模型基于真实儿童头部CT扫描数据，包括脑颅骨和面颊骨等硬组织胼胝体、大脑镰等软组织，如实反映了儿童头部解剖学结构、几何尺寸的变化特征，形态学上逼近真实儿童头部。混合有限元模型的身体采用LSTC官网的6岁儿童简易有限元假人模型的身体，在摘去其头部后，以其原模型头部质心位置为基准，将其与上述头部有限元模型相连，构成混合有限元模型，如图2 所示。模型共有251 072个单元，260 592 个节点，其中头部模型共有113 474个单元，103 716个节点。

图2 6岁儿童混合有限元模型组合示意图

2.2 公交车内儿童乘员乘坐典型位置的选取

根据公交车内乘客座椅周围环境的不同，选取了儿童乘员常坐的4个典型位置，如图3所示。其中位置1的前约束为扶手，位置2的前约束为扶手和客车前轮包，位置3和位置4前约束为高度不同的前面座椅背。此外考虑儿童乘员自身姿态的随意性，在位置3 和位置4 两个常规位置设置正坐和侧坐两种坐姿。

图3 车内儿童乘员典型位置的选取

2.3 公交车紧急制动和碰撞时的仿真试验设置

由于公交车在城区内的行驶速度一般不超过50 km/h，尤其在早晚高峰运行时道路车流较大的路况，其行驶速度较低，故将公交车行驶的初速度设定为30 km/h。由于我国城市交通工况是行人、非机动车和机动车同时行驶的混合交通工况，公交车在行驶过程中经常需要紧急制动，且复杂的道路情况也会增加公交车与其它车辆发生碰撞的隐患，故选取紧急制动和正面碰撞两种工况，采用LS-DYNA 软件进行仿真，以分析两种工况下公交车内儿童乘员的碰撞损伤。紧急制动工况仿真所需的减速度曲线采用CARSIM 软件仿真获取，利用软件中自带的客车模型，对其在道路上正常行驶遇突发情况紧急制动至速度为0的整个过程进行仿真试验，获取了紧急制动工况下的制动减速度曲线，如图4（a）所示；正面碰撞工况仿真所需的减速度曲线由第1.2 节中公交车有限元模型可靠性验证的正面碰撞仿真试验获得，如图4（b）所示。仿真试验组的具体设置如表1所示。

图4 紧急制动和正面刚性墙碰撞时的减速度曲线

表1 公交车内儿童乘员损伤仿真试验组设置

3 结果分析

3.1 不同乘坐位置时儿童运动学分析

各试验组儿童假人的运动过程如图5 所示。由图可见，试验组中儿童假人均在惯性作用下，脱离座椅向前运动，其中位置1 儿童假人在因惯性向前运动过程中胸部与扶手相接触，头部未与车内结构碰撞；位置2 儿童假人受到公交车前轮包与扶手的共同约束下，头部探出，与前轮包相撞；位置3和位置4的儿童假人头部则均与前排座椅背相撞。且与紧急制动工况相比，正面碰撞工况下的减速度更大，使儿童假人在惯性作用下迅速撞向车内结构。以位置3为例，A3、A4 两组试验儿童假人头部分别在275 和300 ms 时与前排座椅背相撞，而在B3、B4 组试验中儿童头部在56 与52 ms 时就已与前排座椅背相撞，且在与公交车内部构件碰撞后的运动更为剧烈，其头部可能受到更加严重的损伤。

图5 各组试验儿童假人运动学过程

3.2 不同乘坐位置时儿童颅脑生物力学响应

图6 描述了两种工况下大脑灰质处压力变化情况。李凡［10］指出人体头部撞击侧正压与对撞侧负压的损伤阈值为195.5和-196.8 kPa。Kleiven［11］通过研究表明，大脑灰质处压力与颅脑损伤有较高相关性。由图6 可知，试验组的大脑灰质处撞击侧正压与对撞侧负压曲线大致呈对称分布，除位置1 假人头部未与车内结构相撞外，其余各组试验假人大脑灰质处撞击侧正压与对撞侧负压极值均出现在头部与车内结构相碰撞时。其中紧急制动工况下的6 组试验假人大脑灰质处压力极值均小于损伤阈值，而正面碰撞工况下除B2组外，其余试验组大脑灰质处压力极值均超过损伤阈值，儿童乘员将出现明显的颅脑损伤。

图6 两种工况下大脑灰质处压力曲线

图7 为两种工况下脑组织Von-Mise 应力最大时刻云图。Roth 等［12］提出，Von-Mise 应力可作为脑组织中度神经损伤的评价标准，当其超过11 kPa时，就会出现损伤风险。由图7 可知，同一位置在正面碰撞工况的Von-Mise应力最大值均大于紧急制动工况下的对应数值。在紧急制动工况下的6 组试验Von-Mise 应力最大值均小于损伤阈值，而正面碰撞工况下B1、B3、B4、B6这4组试验Von-Mise应力最大值均超过11 kPa 的损伤阈值，儿童脑组织将会出现损伤风险。

图7 两种工况下脑组织Von-Mise应力最大时刻云图

此外在观察Von-Mise 应力出现最大值的位置，除A4、B4、B6 3组试验的最大值出现在胼胝体处外，其余试验最大值则出现在大脑灰质处，且最大值出现在胼胝体处的3 组试验的儿童假人均为侧坐情况，故可以推测脑组织Von-Mise 应力最大值出现位置也与头部的碰撞位置有关。而A6 侧坐组试验最大值未出现在胼胝体处的原因由其仿真运动学过程可推测，是由于在儿童假人肩部与前排座椅背接触后，假人有侧向旋转的趋势，当其头部与前排座椅背相撞时，假人颧部下方与座椅背接触，使接触位置产生了变化所致。

各组试验儿童假人头部各项指标最大值时刻的数值如表2所示。可知在紧急制动下6组试验儿童假人的头部HIC15、大脑灰质处撞击侧正压与对撞侧负压、脑组织Von-Mise 应力和脑组织剪切应力均远小于相应的损伤阈值［10-13］，可知公交车在紧急制动工况下，对儿童乘员的颅脑损伤较小。而在正面碰撞工况下，B1 组试验的头部HIC15为1 358，超过了700 的损伤阈值；B1、B3、B4、B5、B6 5 组试验大脑灰质处碰撞侧正压与对撞侧负压超过了李凡［10］提出的195.5与-196.8 kPa 的损伤阈值；B1、B3、B4、B6 4 组试验的脑组织Von-Mise应力超过了Roth等［12］提出的11.0 kPa损伤阈值；B1、B3、B6 3 组试验的脑组织剪切应力均超过Zhang等［13］提出的7.8 kPa损伤阈值。相比于紧急制动工况，正面碰撞工况下的公交车内儿童乘员的安全隐患大大增加，儿童乘员将会受到较明显的颅脑损伤，且对比不同位置处儿童乘员头部损伤指标可知，正面碰撞时位置1处儿童乘员各项损伤数值均高于其余位置，表明该位置儿童乘员会受到最大的伤害，儿童乘员乘坐该位置最危险。

表2 各组试验各项指标最大值时刻数值

4 结论

建立公交车整车有限元模型，对车内典型位置的儿童假人在紧急制动和正面碰撞两种工况下进行仿真，并以头部HIC15、大脑灰质处压力、脑组织Von-Mise应力和脑组织剪切应力为损伤指标分析儿童乘员头部损伤。通过对试验结果对比分析可知，在紧急制动工况下颅脑各项损伤指标均远小于各项损伤阈值，儿童乘员头部不会受到明显损伤。在正面碰撞工况下，各损伤指标数值均有明显增长，儿童乘员将会受到较明显的颅脑损伤。故在现阶段公交车的内部结构设计中，车内儿童乘员等特殊群体的乘车安全性不容忽视，也为公交车车内结构的改善提供了理论依据和数值参考。