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某轿车翻滚碰撞乘员损伤研究

2016-11-21于倩金宇于沐含张思佳

汽车实用技术 2016年10期
关键词:乘员安全带轿车

于倩,金宇,于沐含,张思佳

(大连装备制造职业技术学院,辽宁 大连 116110)

某轿车翻滚碰撞乘员损伤研究

于倩,金宇,于沐含,张思佳

(大连装备制造职业技术学院,辽宁 大连 116110)

文章通过计算机仿真分析,研究车内乘员在某轿车翻滚碰撞过程中的损伤,运用HyperMesh建立整车及试验平台车的有限元模型,所使用的假人模型来自VPG(虚拟实验场技术)软件中自带的非商业假人可变形50百分位假人模型,采用显示有限元分析软件LS-DYNA进行求解,得到整车在车辆翻滚碰撞过程中乘员的运动状态,提取乘员各主要部位的损伤值,分析乘员的损伤原因,为乘员的保护提供依据。

LS-DYNA;翻滚碰撞;乘员损伤

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2016.10.040

CLC NO.: U462.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)10-125-04

前言

近年来,在我国虽然道路交通条件得到改善,但随着车辆速度的提高及汽车保有量的逐年增加,交通事故和人员伤亡及财产损失依然严峻。因此,本文针对乘员在车辆翻滚碰撞事故中的损伤进行研究,为乘员保护并减少乘员伤亡提供依据。

平台车翻车试验能够反映乘员在车辆翻滚过程中的动态响应,因此本论文采用平台翻车试验方法进行仿真分析,通过计算机仿真,得到在车辆翻滚碰撞过程中副驾驶侧乘员的运动状态,提取翻滚碰撞过程中主要部位的损伤值,分析乘员的损伤原因,为乘员的保护提供依据。[1]

1、翻滚碰撞仿真模型的建立

根据美国EAT公司开发的VPG(虚拟实验场技术)软件中的汽车碰撞仿真专门模块VPG/Safety的仿真步骤和流程建立本文的翻滚碰撞仿真模型。

1.1 乘员约束系统模型

1.1.1 输入模型

输入假人有限元模型,本文采用VPG软件中自带的非商业假人可变形50百分位假人模型(Deforable 50%),输入假人的H点坐标,调用假人模型并对其坐姿进行调整,使该模型与座椅及车内空间的位置协调以符合实际情况。

输入安全带模型,本文采用VPG软件中自带三点式安全带模型,根据实际情况定义安全带的传感器单元、卷收器单元、预紧器单元等的相关参数,实现安全带的功用。

1.1.2 约束系统模型验证

对于建立好的乘员约束系统模型,需要对其约束性能进行有效验证,在约束系统模型的验证仿真过程中,对假人模型施加一定的初速度,如图1所示,假人将向前运动,此时安全带能够及时锁止,阻止与安全带接触的胸部和腹部的向前运动,同时人体产生减速度,向后运动,从而使假人模型很好的被束缚在座椅上,防止乘员发生二次碰撞。由此可看出,所建立的乘员约束系统模型能够起到一定的约束作用。

1.2 翻滚碰撞仿真模型

1.2.1 输入模型

输入整车、试验平台车和乘员约束系统的有限元模型,并进行组装,如图2所示,得到车辆翻滚碰撞仿真的有限元模型。

1.2.2 建立接触

在VPG软件中,提供了多种接触方式,本文将车轮胎与平台车的接触、假人与车内内饰所有可能的接触定义为自动面面接触,通过关键字AUTOMATIC_SURFACE_TO_ SURFACE进行定义[2],其中假人与车内内饰的接触主要包括假人与座椅、侧门、假人侧的地板和车顶以及安全带;将整车中的部件定义一个总体单面接触,通过关键字AUTO MATIC_SINGLE_SURFACE进行定义;将轿车与路面的接触通过RIGIDWALL进行定义。

1.2.3 定义初始条件

根据平台车翻车试验要求,对已建立的仿真模型施加初始速度,大小为48km/h;同时对试验平台车的运动进行定义,在0至0.06s时平台车将保持匀速运动,大小为48km/h,在0.06s时开始紧急制动,并在0.128s时减速至0。[3]由于平台车挡块的阻挡,整车将脱离平台车并延Y向发生翻滚碰撞,试验平台车的速度曲线如图3所示。

2、乘员运动状态

2.1 整车翻滚轨迹

如图4所示,为车辆翻滚碰撞仿真过程轿车车身左右两侧Y向的速度曲线,在0.06s之前,由于轿车与试验平台车共同向前运动未发生分离,因此两侧速度保持一致。当平台车开始制动,由于惯性力作用,轿车将继续向前运动,导致轿车左侧轮胎与试验平台车的挡板相撞,使轿车的左右两侧将产生速度差,如图所示,轿车右侧的速度大于左侧速度,因此车辆发生翻转,与实际情况吻合,本文仿真时间为1.2s,在1.2s时车辆恢复至停放状态,如图显示有继续发生翻滚的趋势。说明仿真结果可靠,可用于下一步的分析研究。

2.2 乘员运动状态

经过仿真运算,提取乘员在车辆发生翻滚碰撞过程中的运动状态, 如图5显示了车辆从驾驶员侧开始翻滚,假人模型置于副驾驶位置,即远地端时假人在车辆翻滚碰撞过程中的运动轨迹,满足了试验条件最恶劣的仿真原则。

3、乘员损伤分析

在车辆翻滚碰撞过程中,车内乘员的损伤机理主要有两种情况:有安全保护装置(如安全带、安全气囊等)和没有安全保护装置。在没有安全保护装置的车内,发生翻滚碰撞时,乘员很容易与座椅发生脱离,与车内饰件发生二次碰撞,甚至被甩出车外,造成严重的人体损伤;在有安全保护装置的车内,乘员可以被约束在座椅上,可以减少与车内饰件发生的碰撞,但是安全带的压力会对乘员的胸部造成伤害,同时过大的加速度也会对头部及颈部等造成损伤[4]。

3.1 头部损伤分析

在本文的仿真分析中,在车内装有安全保护装置安全带,在图6所示的乘员在翻滚碰撞中的运动状态可以看出,三点式安全带可以很好的将乘员束缚在座椅上,对乘员起到了一定的保护作用[5]。

图6乘员的头部加速度曲线及对应的头部损伤值HIC,曲线显示头部的加速度出现了两处峰值,分别是在0.6s和1.05s时刻。在0.6s时刻,车顶的右侧边梁与地面接触,第一次对车内乘员产生冲击,但是由于在边梁撞击地面之前,车身的右侧围将先接触地面,因撞击发生变形,使得对乘员的冲击起到缓解作用,此时头部的加速度值为45g;在1s时刻,此时车辆发生二次翻转且右侧车轮撞击到地面,图6显示,头部所受的加速度急剧增加,并在1.05s时头部加速度达到最大值57g,该值低于法规标准值80g,其中,头部损伤值为493.4,低于法规标准值1000,两者均满足法规要求。

3.2 颈部损伤分析

如图7所示为颈部受力曲线,颈部分别在四个时间段内出现压缩力峰值,其他时间段皆受拉伸力的作用。颈部受到压缩力的第一个时间段为0.11s~0.15s,此时由于试验平台车突然静止,轿车轮胎撞击到平台车的挡板,此时乘员的颈部向左弯曲压缩,压缩力的值并不大,为1.5KN;在0.42s~0.83s时间段内颈部受到第二次压缩,轿车与试验平台分离后发生翻滚后左侧车围、车顶开始逐渐接触地面,在此期间,颈部压缩力出现最大值,在0.65s至0.72s,从车辆的左后轮接触地面的瞬间开始至车顶与地面接触并离开地面这一时刻结束,在左后车轮接触地面的瞬间,乘员的颈部受到剧烈的冲击,所受的压力急剧加大,随着车辆继续翻滚,左侧围及车顶也开始接触地面,此时,与地面接触区域的部件发生变形,吸收部分能量,乘员颈部所受的压力有减小趋势,此后,由于车顶发生变形,使乘员的生存空间发生变化,乘员的头部与车顶发生碰撞,致使颈部压缩力再次增大,期间的最大值为5.2KN;在0.87s~0.9s时间段内颈部受到第三次压缩,车辆车顶着地后继续翻转并恢复到正常状态前,乘员的身体在安全带作用下,逐渐随着座椅恢复到正常状态,但颈部由于缺少相应的保护措施,仍处于向右弯曲的状态,受到压缩力,其值为2.7KN;在1.02s~1.06s时间段内,颈部受到第四次压缩,这段时间内车辆右后车轮着地发生二次翻转,车轮对地面的冲击使颈部再次受到压缩力作用,峰值为4.4KN。在车辆翻滚过程中,颈部压缩力的最大峰值约为5.2KN,此外在车辆发生二次翻滚时,颈部压缩力的峰值为4.6KN,均超过法规标准值4KN;在其它时间段内,颈部一直受到拉伸力的作用,且所受的拉伸力的最大峰值约为2.2KN,符合法规标准值3.3KN。

3.3 胸部损伤分析

如图8所示为乘员的胸部压缩量曲线,乘员胸部压缩量从0.6s开始逐渐增加,在0.7s时达到最大值26mm,这一过程从车体左侧围与车顶交界处接触到地面开始,至0.7s时车顶全部接触地面,此时乘员在车内几乎竖直垂直于地面,由于安全带的作用,乘员被很好的约束在座椅上,但是安全带的拉力也对乘员的胸部产生冲击力,使胸部被压缩,之后随着车体的继续翻转,乘员状态随着改变,胸部的冲击力逐渐变小。胸部压缩量的最大值为26mm低于法规标准要求的75mm。

3.4 大腿损伤分析

如图9所示,(a)、(b)分别为乘员左、右两侧大腿所受的轴向力曲线,图中乘员腿部分别在三个时间段内出现峰值。首先,乘员腿部轴向力在0.1s时刻出现峰值,亦为最大值,右侧受力为4.8KN,且右侧所受的冲击力大于左侧所受的冲击力,左侧腿部受力为3.3KN,此时,由于试验平台车的紧急制动,导致左侧车轮与平台车的挡板发生撞击,腿部将受到冲击,在惯性力的作用下右侧大腿先与右侧车门发生撞击因此所受冲击力大于左侧;在0.7s~0.78s时间段内,轿车顶部接触地面,此时车体与人体均为倒置的状态,随着车辆的继续翻转,由于安全带的作用,乘员没有被抛离座椅,但是腿部在重力的作用下将下落并与仪表板、风挡玻璃等发生撞击,出现受力峰值,右侧大腿受力大小约为2KN,左侧为1.2KN;1.02s~1.1s时间段内,车辆经过二次翻转接近停放状态,乘员也从之前的倒置状态逐渐下落恢复正常,在这一过程中,左、右腿先后下落并与车内饰件、风挡玻璃等发生撞击,腿部冲击力出现峰值,右侧为2.9KN,左侧为2.3KN。在上述过程中,乘员大腿所受轴向力的最大值为4.8KN,低于法规规定的10KN。

4、乘员损伤评价

头部加速度、头部损伤值HIC、颈部受力、胸部压缩量及大腿所受的轴向力皆为乘员损伤程度评价的单一指标。为了对乘员的损伤情况进行总体的评价,可以通过设立加权因子的方法,对单一的伤害指标进行综合评价,得到正则化伤害评估值WIC(Weight Injury Critrion),通过式(1)计算得到,其中,计算得到的WIC值要求小于1,且越低,则乘员的所受的损伤程度越轻[6]。

式中HIC36为36ms头部损伤值;Ccomp6为胸部压缩量,单位为m;Fl、Fr分别为左腿和右腿的轴向冲击力,单位为KN。

在本文中,乘员乘员的各部位损伤结果由上一节可知:HIC36=493.4,Ccomp=0.026m ,Fl=3.4KN ,Fr=4.8KN ,将其代入式(1)计算得到WIC=0.418,其值小于1,说明乘员在安全带的约束作用下得到了一定的保护,没有受到致命性的伤害。

5、结论

本文根据实验平台车试验方法进行动态的仿真运算,试验车辆为轿车,乘员所在位置为副驾驶侧,满足试验条件最恶劣的仿真原则。得出乘员在车辆翻滚碰撞过程中的运动状态以及乘员各主要部位的伤害值并根据仿真结果对乘员的损伤机理进行分析得出结论。乘员的头部加速度、胸部压缩量以及大腿所受的轴向力皆在法规要求的标准范围内,说明安全带对乘员起到了一定的保护作用。但是,乘员颈部受力并不满足法规要求,主要因为安全带并不能够对乘员的头部及颈部起到相应的约束作用,安全带的保护作用还不够全面,仍需要其他的防护装置,如可根据各主要部位的损伤情况,在不同部位增设安全气囊等,为乘员提供更为全面的保护。

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Research on Occupant Injury of A Car Rollover Crash

Yu Qian, Jin Yu, Yu Muhan, Zhang Sijia
(Dalian Equipment Manufacturing College, Liaoning Dalian 116110)

This article researches on occupant injury in a car rollover crash by computer simulation. Establishes a finite element model of the vehicle and a domestic car by HyperMesh.The dummy in this article comes from VPG(virtual practice ground), the non-commercial deformable 50%.LS-DYNA is explicit finite analysis software, it calculates the crash model, gets motion state of the vehicle and occupant during rollover crash; extracts the major parts of occupant injury values, analyzes the reasons for occupant injury, provides the basis for the occupant protection.

LS-DYNA; rollover impact; occupant injury

U462.2

A

1671-7988(2016)10-125-04

于倩(1989.10-),女,助教,硕士,就职于大连装备制造职业技术学院汽车工程系,研究方向:车辆CAD/CAM/CAE。

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