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正面碰撞事故中大客車乘員損傷影響因素分析

2020-07-23 00:34:46·  來(lái)源：中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)  
　
正面碰撞事故中大客車乘員損傷影響因素分析作者：司俊德1，崔崇楨2，李建平2，張坤1單位：1.河南工業(yè)大學(xué) ; 2.鄭州宇通股份有限公司摘要：為研究乘客在大客車正
正面碰撞事故中大客車乘員損傷影響因素分析
作者：司俊德1，崔崇楨2，李建平2，張坤1
單位：1.河南工業(yè)大學(xué) ; 2.鄭州宇通股份有限公司
 
摘要：為研究乘客在大客車正面碰撞事故中的損傷機(jī)理，建立某全承載大客車有限元模型，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證有限元模型的仿真精度。基于驗(yàn)證模型對(duì)不同碰撞速度條件下大客車車身結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)、生存空間、座椅固定件強(qiáng)度、乘員運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和損傷等進(jìn)行   綜合分析及評(píng)價(jià)。結(jié)果表明:  高速碰撞條件下，駕駛員生存空間容易被侵入，座椅固定件強(qiáng)度存在失效的風(fēng)險(xiǎn);  乘員頭部、頸部和胸部的損傷值受碰撞速度、安全帶類型和乘員位置影響較大; 三點(diǎn)式安全帶保護(hù)效果明顯優(yōu)于兩點(diǎn)式安全帶。
 
關(guān)鍵詞：全承載大客車; 被動(dòng)安全性; 正面碰撞; 仿真分析; 乘員損傷
 
00、引言
大客車具有載客量大、運(yùn)輸效率高等優(yōu)點(diǎn)，是公路 客運(yùn)的主要交通工具，其安全性尤為重要［1 － 2］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)與大客車相關(guān)的交通事故占全部道路交通事故 的 40% ～ 50% ，其中 50% ～ 60% 的大客車交通事故是正面碰撞事故［3 － 4］。如陜西安康“8． 10 ”和江蘇長(zhǎng)深 “9． 28”等特別重大道路交通事故，均為正面碰撞事故，造成嚴(yán)重的乘員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此，開(kāi)展對(duì)大客車 正面碰撞事故中乘員損傷影響因素的研究，對(duì)提升道路 交通安全和改善大客車安全性能具有重要意義。
 
我國(guó)《客車座椅及其車輛固定件的強(qiáng)度》( GB 13057—2014) 規(guī)定了座椅臺(tái)車以 30 km / h 碰撞速度和給定加速度條件下乘員的損傷值和座椅及其固定件強(qiáng)度［5］，但由陜西安康“8． 10”事故調(diào)查報(bào)告可知涉事大客車以 80 km / h 左右的速度正面碰撞秦嶺隧道端墻，前部結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重變形，車內(nèi)座椅除最后一排外全部脫落并疊加在一起。駕駛區(qū)空間被完全侵入，乘客多因座椅脫落擠壓致死［6］。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求與實(shí)際事故工況存在較大差異。
目前國(guó)內(nèi)外鮮有針對(duì)大客車正面碰撞的試驗(yàn)方法和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。奔馳大客車 Steinmetz G 通過(guò)整車以 25 km / h 碰撞速度 100% 重疊撞擊剛性壁障的試驗(yàn)方法對(duì)多款大客車前碰撞結(jié)構(gòu)安全性能進(jìn)行驗(yàn)證［7］。美國(guó)NHTSA 對(duì)長(zhǎng) 13． 7 m 的大客車進(jìn)行 48 km / h 正面碰撞試驗(yàn)，駕駛區(qū)被完全壓潰，該實(shí)驗(yàn)主要考核座椅結(jié)構(gòu)和其不同位置對(duì)乘客安全的影響［8］。我國(guó)自 2014 年開(kāi)始， 由重慶車輛檢測(cè)研究院牽頭，聯(lián)合國(guó)內(nèi)主流客車企業(yè)和檢測(cè)機(jī)構(gòu)開(kāi)展包括 8 臺(tái)大客車和 4 臺(tái)輕型客車正面碰撞試驗(yàn)研究，采用的試驗(yàn)方法為整車以 30 km / h 碰撞速度 100% 重疊碰撞剛性壁障［9］。
 
本文建立某 12 m 全承載大客車整車正面碰撞有限元模型，并進(jìn)行 30 km / h 正面碰撞剛性壁障仿真分析和實(shí)車 30 km / h 碰撞試驗(yàn)。通過(guò)仿真和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證整車正面碰撞有限元模型的有效性，并基于驗(yàn)證模型開(kāi)展不同碰撞速度條件下乘員損傷影響因素分析。研究結(jié)果對(duì)于《客車座椅及其車輛固定件的強(qiáng)度》( GB 13057—2014) 的修訂和大客車被動(dòng)安全性改進(jìn)具有較好的參考價(jià)值。
 
01、大客車正面碰撞有限元模型的建立
 
利用 CATIA 軟件建立某 12 m 全承載大客車三維模型，通過(guò) stp 格式導(dǎo)入 Hypermesh 軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分和參數(shù)設(shè)置，建立全承載大客車正面碰撞有限元模型，如圖 1 所示。
 
為提高計(jì)算效率，截取部分側(cè)圍骨架和地板骨架、地板和乘客座椅，放置有限元假人模型和安全帶模型， 形成座椅臺(tái)車碰撞有限元仿真模型，如圖 2 所示。
 
車身骨架材料大部分采用 Q235 － B，部分重要立柱橫梁采用 HC700 和 510L，底盤骨架材料大部分采用 QSTE700TM 和 HC700，車身外飾材料除玻璃外均為鋼材和鋁材。仿真模型所用材料參數(shù)見(jiàn)表 1。
 
02、有限元模型驗(yàn)證
整車模型以 30 km / h 初速度正面碰撞剛性壁障，計(jì)算時(shí)間為 200 ms。從整車碰撞仿真結(jié)果中提取第 2 排乘客座椅加速度曲線，輸入座椅臺(tái)車碰撞有限元模型， 計(jì)算整車碰撞過(guò)程中假人動(dòng)態(tài)響應(yīng)。同時(shí)，開(kāi)展整車實(shí) 車 30 km / h 正面碰撞剛性壁障試驗(yàn)
 
整體變形對(duì)比分析
 
大客車整體變形仿真和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖 3 所示。由圖 3 可知，車身變形集中在整車前段，包括前乘客門、前圍蒙皮、車架前段。整車最大變形的仿真和試驗(yàn)結(jié)果分別為 318 mm 和 310 mm，誤差 2． 5% 。由于碰撞壁障高 2． 5 m，低于整車高度 3． 7 m，導(dǎo)致上風(fēng)擋變形和仿真存在一定差異，但仿真和試驗(yàn)結(jié)果的整體變形趨勢(shì)基本 一致。
 
乘員損傷對(duì)比分析
 
第 2 排座椅放置 2 個(gè)假人，靠近窗側(cè)假人系兩點(diǎn)式安全帶，靠近過(guò)道側(cè)假人系三點(diǎn)式安全帶，仿真和試驗(yàn)結(jié)果如圖4 ～ 5 所示。碰撞后，座椅未出現(xiàn)固定點(diǎn)或側(cè)掛點(diǎn)失效，座椅靠背正常。三點(diǎn)安全帶假人未碰到前排靠背，但兩點(diǎn)安全帶假人向前的位移較大，頭部、膝部與前排靠背發(fā)生碰撞。乘員損傷值仿真和試驗(yàn)對(duì)比見(jiàn)表2。
 
 
由表2 可知，假人頭部、頸部、胸部和腿部的損傷指標(biāo)均滿足《客車座椅及其車輛固定件的強(qiáng)度》( GB13057—2014) 相應(yīng)要求。但比較系兩點(diǎn)安全帶和三點(diǎn)安全帶的假人損傷值可知，系兩點(diǎn)安全帶的假人頭部HIC、頸部彎矩和腿部力均比三點(diǎn)安全帶高。主要是因?yàn)閮牲c(diǎn)安全帶對(duì)假人的約束不足，假人與前排座椅碰撞所致。仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果整體趨勢(shì)基本相似。

03、乘員損傷影響因素仿真分析
基于大客車正面碰撞事故調(diào)查數(shù)據(jù)和國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞大客車正面碰撞研究成果［10 － 14］，歸納導(dǎo)致乘員死亡原因主要為: 1) 乘員生存空間被車身變形嚴(yán)重侵入，因擠壓傷害導(dǎo)致傷亡; 2) 座椅與車身連接失效，乘員被座椅擠壓導(dǎo)致傷亡; 3) 乘員與車廂內(nèi)部直接發(fā)生嚴(yán)重碰撞，導(dǎo)致傷亡。
基于已驗(yàn)證的有限元模型，對(duì)不同碰撞速度條件下大客車車身結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)、生存空間、座椅固定件強(qiáng)度、乘員運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和損傷等進(jìn)行綜合分析及評(píng)價(jià)。
 
駕駛員生存空間分析
 
大客車正面碰撞時(shí)，駕駛員主要傷害原因?yàn)樯婵臻g被侵入。采用已驗(yàn)證的仿真模型進(jìn)行整車40， 50 km/h正面碰撞剛性壁障仿真分析，對(duì)比不同碰撞速度條件下，駕駛員生存空間侵入變化情況，如圖6 所示。由圖6可知，方向盤被前部結(jié)構(gòu)壓潰變形后擠壓侵入駕駛員生存空間，同時(shí)駕駛員后側(cè)乘客區(qū)地板骨架向前變形，擠壓駕駛員座椅向前侵入駕駛員生存空間，且駕駛員生存空間被侵入程度隨著碰撞速度的增大而增大。
 
不同碰撞速度條件下，大客車前部結(jié)構(gòu)變形隨時(shí)間變化曲線如圖7 所示。由圖7 可知，當(dāng)碰撞速度為30km/h 條件下，最大變形約為318 mm，出現(xiàn)在0．15 s; 當(dāng)碰撞速度為40 km/h 時(shí)，最大變形約為752 mm，出現(xiàn)在0．2 s; 當(dāng)碰撞速度為50 km/h 時(shí)，最大變形為941 mm，出現(xiàn)在0．18 s。整車最大變形隨著碰撞動(dòng)能的增大而變大。
 
乘員座椅固定件強(qiáng)度分析
 
座椅與車身固定件連接失效可導(dǎo)致座椅脫落。雖然我國(guó)《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》( GB 7258—2017)規(guī)定未設(shè)置乘客站立區(qū)的大客車所有座椅應(yīng)標(biāo)配安全帶［15］。但實(shí)際上乘客多數(shù)不愿系安全帶。因此，本文考慮1 種對(duì)座椅固定件最嚴(yán)格的使用工況: 前排乘客系三點(diǎn)式安全帶，后排乘客不系安全帶。被考核座椅受到前排乘客通過(guò)安全帶傳遞的拉力、后排乘客撞擊力和自身慣性力等同時(shí)作用，如圖8 所示。
 
從整車模型中提取不同碰撞速度條件下，第 2 排座椅位置加速度曲線如圖 9 所示，并將加速度曲線和相應(yīng)的碰撞速度作為初始條件輸入座椅臺(tái)車模型，計(jì)算不同碰撞速度條件下乘員響應(yīng)和座椅固定件強(qiáng)度狀態(tài)如圖10 所示。由圖 10 可知，當(dāng)碰撞速度為 30 km / h 和 40 km / h 時(shí)，座椅與車身連接牢固，后排未系安全帶假人前向運(yùn)動(dòng)被前排座椅阻擋; 當(dāng)碰撞速度為 50 km / h 時(shí)，座椅腿與地板連接失效，前排座椅無(wú)法阻擋后排未系安全帶假人前向運(yùn)動(dòng)。
 
 
 
 
乘員損傷值分析
 
當(dāng)乘客生存空間完整、座椅與車身連接牢靠時(shí)，乘員損傷主要受碰撞速度、加速度波形以及安全帶類型的影響?；诔杀究紤]，大客車通常第1 排座椅裝配三點(diǎn)式安全帶，其他座椅裝配兩點(diǎn)式安全帶。因此，本文考慮整車以30 km/h 和40 km/h 等碰撞速度條件下，第1排乘客系三點(diǎn)式安全帶，第2 排乘客佩戴不同安全帶類型時(shí)乘員損傷情況。不同碰撞速度和安全帶類型的乘員傷害指標(biāo)見(jiàn)表3。
 
由表3 可知，不同碰撞速度條件下，佩戴兩點(diǎn)式安全帶假人頭部和頸部傷害值均明顯高于佩戴三點(diǎn)式安全帶假人，尤其是佩戴兩點(diǎn)式安全帶假人頸部傷害值高于標(biāo)準(zhǔn)要求。佩戴三點(diǎn)式安全帶的假人頭部、頸部和胸 部損傷值隨著碰撞速度增大有所提高。佩戴三點(diǎn)式安 全帶假人，在相同碰撞速度條件下臨近過(guò)道的假人頭 部、頸部和胸部的傷害值略高于臨近窗戶的假人相應(yīng)損傷指標(biāo); 但佩戴兩點(diǎn)式安全帶假人，在相同碰撞速度條件下臨近窗戶的假人頭部、頸部和胸部的傷害值略高于過(guò)道假人相應(yīng)損傷指標(biāo)。大腿力指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且安全帶類型、碰撞速度影響和位置等因素對(duì)大腿力影響無(wú)明顯的規(guī)律趨勢(shì)。
 
碰撞速度為30 km/h 時(shí)，佩戴不同類型安全帶的乘員運(yùn)動(dòng)響應(yīng)如圖11 所示; 碰撞速度為40 km/h 時(shí)，佩戴不同類型安全帶的乘員運(yùn)動(dòng)響應(yīng)如圖12 所示。由圖11 ～ 12 可知，三點(diǎn)式安全帶能夠顯著約束假人上肢前向運(yùn)動(dòng)，降低與前排座椅靠背的碰撞強(qiáng)度。
 
 
 
04、結(jié)論
1) 基于實(shí)車碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證的某12 m 大客車正面碰撞有限元模型，實(shí)現(xiàn)不同速度正面碰撞工況下大客車車身結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)、生存空間、座椅固定件強(qiáng)度、乘員運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和損傷的綜合分析和評(píng)價(jià)。
2) 大客車正面碰撞時(shí)，駕駛員生存空間同時(shí)受到前部結(jié)構(gòu)變形推動(dòng)方向盤向后擠壓以及后側(cè)乘客區(qū)地板骨架變形推動(dòng)駕駛員座椅向前擠壓作用，且隨碰撞速度增大，駕駛員生存空間被侵入量越大。
3) 當(dāng)碰撞速度為50 km/h 時(shí)，座椅腿與地板連接失效，前排座椅無(wú)法阻擋后排未系安全帶假人前向運(yùn)動(dòng)，乘員可能被脫落座椅擠壓導(dǎo)致傷亡。
4) 當(dāng)乘客生存空間完整、座椅與車身連接牢靠時(shí)，乘員頭部、頸部和胸部損傷值受碰撞速度、安全帶類型和位置影響較大。三點(diǎn)式安全帶保護(hù)效果明顯優(yōu)于兩點(diǎn)式安全帶。
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