摘要

選取道路交通事故中比例較高的車輛正面碰撞事故，通過Madymo 仿真軟件，建立由車體、假人、安全帶和安全氣囊4 部分模型組成的駕駛員側(cè)約束系統(tǒng)模型，對國內(nèi)外不同性別、身高的假人模型進(jìn)行正面碰撞仿真試驗。通過不同假人頭部和胸部的傷害程度對比，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有駕駛員側(cè)約束系統(tǒng)對中國人中體型較小和體重較輕的人群保護(hù)效果較差，該分析為車輛約束系統(tǒng)的設(shè)計及優(yōu)化提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：Madymo; 駕駛員側(cè); 正面約束系統(tǒng)

汽車道路交通事故已經(jīng)是世界范圍內(nèi)威脅人類生命安全的重大公害之一，據(jù)統(tǒng)計全世界每年有120萬左右的人死于交通事故，有600 萬人因為交通事故永久殘疾［1］。根據(jù)美國道路交通管理局的研究，交通碰撞事故中，正面碰撞占49%，追尾碰撞占22%，側(cè)面碰撞占25%，翻滾事故比例不超過3． 1%。在中國，每年發(fā)生的交通事故中，車輛正面碰撞所占比例達(dá)到72%［2］。

近幾年，國內(nèi)外學(xué)者圍繞正面碰撞的約束分析進(jìn)行了諸多研究: 顏萍等［3］結(jié)合多剛體動力學(xué)和有限元理論建立駕駛乘員約束系統(tǒng)模型，研究不同氣囊及正面約束系統(tǒng)優(yōu)化問題; 美國公路安全保險協(xié)會幾款熱門車型進(jìn)行正面25%偏置碰撞測試，對車輛安全性問題展開討論，建議將副駕駛側(cè)的正面25%小區(qū)域偏置碰撞測試納入最高安全評級的考核范圍［4 － 5］; 田國紅等［6］建立駕駛員側(cè)正面碰撞仿真模型，對仿真結(jié)果和實車試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出模型的有效性和安全氣囊對假人的保護(hù)作用; Sun 等［7］通過對10輛車的正面碰撞測試結(jié)果進(jìn)行分析，得出后座乘員頭部、胸部和股骨的傷害特征，提出正面碰撞中后座乘員假人傷害的測試方法和評價標(biāo)準(zhǔn)。本文中基于Madymo 建立某車型駕駛員側(cè)的正面碰撞約束系統(tǒng)模型，對不同性別、身高的假人進(jìn)行正面碰撞仿真試驗。通過不同假人頭部和胸部損傷的程度分析車輛約束系統(tǒng)對中國不同人群身體安全的保護(hù)情況，為車輛約束系統(tǒng)的設(shè)計及優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1  正面碰撞仿真模型

1.1  建模流程


利用Madymo 軟件建立某車輛正面碰撞約束系統(tǒng)模型［8 － 9］，進(jìn)行仿真試驗并對試驗結(jié)果進(jìn)行分析。該模型包括車體模型、假人模型、安全帶模型和安全氣囊模型4個部分。正面碰撞駕駛員側(cè)約束系統(tǒng)仿真模型的建立流程如圖1 所示，主要步驟如下:

1) 以某車實際數(shù)據(jù)建立駕駛員側(cè)的汽車車體模型，包括地板、座椅、擋板和方向盤4 部分;

2) 從Madymo模型數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)出假人數(shù)據(jù)，并按照中國人身高進(jìn)行比例縮放，將不同性別、身高的假人模型分別導(dǎo)入約束系統(tǒng)，對假人進(jìn)行調(diào)整和定位;

3) 建立安全帶與安全氣囊模型;

4) 定義各個部件之間相關(guān)的接觸;

5) 定義各個部件之間的載荷特性和接觸、輸出特性。

1.2  試驗方法

本文中僅研究駕駛員座椅上假人的損傷情況。根據(jù)文獻(xiàn)［10］的技術(shù)要求和試驗方法進(jìn)行正面碰撞試驗。在試驗車輛中的前排駕駛員座椅安放假人，且按要求調(diào)整假人的姿態(tài)，車輛以一定的速度撞擊由鋼筋混凝土制成的壁障，壁障表面應(yīng)完全鉛垂，與碰撞車輛成90°夾角，碰撞示意圖如圖2 所示。



1.3  假人縮放

Hybrid III 50 百分位假人［11］廣泛應(yīng)用于正面碰撞試驗，是評價汽車被動安全性的一個主要數(shù)據(jù)來源。根據(jù)文獻(xiàn)［12］， 2012 年我國18 歲及以上成年人中，男性平均身高為167． 1 cm，女性為155． 8 cm。我國男性和女性的身高和體重普遍小于歐美男性和女性，選取相對接近中國人體數(shù)據(jù)的Hybrid III 50 百分位的假人進(jìn)行縮放，結(jié)合其他數(shù)據(jù)，綜合得出中國Hybrid III 50 百分位人體尺寸的假人模型。

經(jīng)過研究，中國男性身材與Hybrid III 50 百分位男性假人的主要差別在手臂長度和腿部長度，而手臂長度和腿部長度決定著駕駛員的坐姿，因此對男性假人進(jìn)行各個部位的精準(zhǔn)縮放; 中國女性和歐美女性之間除極端身材外，主要差別在于身高和體重，因此女性進(jìn)行使用整體比例縮放。

2  碰撞結(jié)果分析

2.1  頭部

駕駛員車內(nèi)碰撞過程在100 ms 內(nèi)完成，碰撞仿真試驗計算出100 ms 內(nèi)各假人模型頭部加速度，各假人模型頭部加速度高峰時間如表1所示，歷程曲線如圖3 所示。




假人模型的體重與身高成正比，由表1 可知，男性假人模型隨著身高體重的增加，頭部碰撞加速度峰值時間延長，即男性假人模型頭部和安全氣囊的接觸延后; 而女性假人模型恰好相反，身高體重越大，峰值出現(xiàn)的越早，即女性假人模型頭部和安全氣囊的接觸提前。這一結(jié)果說明在相同約束系統(tǒng)、坐姿的情況下，男性與女性的被動安全保護(hù)完全不同，女性的身高體重越小，達(dá)到最大加速度的時間越短，導(dǎo)致女性縮放假人模型受到的傷害增大，而女性參考假人模型頭部與安全氣囊的碰撞時刻正好位于安全氣囊完全展開之際，頭部加速度峰值降低，表明該約束系統(tǒng)對于女性參考假人已經(jīng)達(dá)到了最優(yōu)解。

采用頭部損傷指標(biāo)( head injury criterion，HIC) H 對頭部損傷進(jìn)行評價［13 － 14］，HIC 由頭部碰撞持續(xù)時間與加速度共同決定，H 越小表明頭部損傷越大，計算公式為:



式中: a( t) 為頭部質(zhì)心合成加速度，m/s2 ; t2 － t1為碰撞過程中的某一時間段，t2 － t1 = 15 ms。各個假人模型HIC 如表2 所示。



由表2 可知，不論男性還是女性，身高體重越小受到的傷害越大; 由于成年男性身高體重普遍大于女性，所以相同約束條件對于女性保護(hù)效果較差。由表1、2 可知: 相同的約束系統(tǒng)對于身高體重大的人的頭部保護(hù)效果相對較好，一是因為頭部質(zhì)量與頭部質(zhì)心的差異; 二是因為個子偏小的人為了保持最佳坐姿，通常座位比較靠前，與安全氣囊之間的距離減小，很有可能在氣囊氣爆的充氣階段就與氣囊接觸，此時氣囊壓力正值上升期，不但起不到緩沖保護(hù)作用，甚至?xí)驗闅獗木薮鬀_擊造成頭部的巨大傷害。

2.2  胸部

碰撞仿真試驗計算出正面碰撞過程中各假人模型胸部所受的加速度，加速度峰值出現(xiàn)時間如表3 所示，各個假人胸部加速度歷程曲線如圖4 所示。

由表3 可知，男性縮放假人模型的峰值時間滯后于男性參考假人模型，女性縮放假人模型的峰值時間滯后于女性參考假人模型。因此不同性別的假人模型在胸部峰值時間的數(shù)據(jù)模型存在共同點，即身高體重越小，胸部受到的加速度峰值時間越長。

車輛慣性力、乘員艙擠壓和沖擊載荷是造成胸部損傷的主要原因。本文中依照國際慣例，采用胸部碰撞時間持續(xù)3 ms，胸部合成加速度60gg 為重力加速度) 作為評定胸部損傷的標(biāo)準(zhǔn)。

通過計算得出胸部所受合成加速度，超過60g即意味假人胸部受到嚴(yán)重傷害，如表4 所示。由表4 可知: 隨著身高與體重的減少，胸部受到?jīng)_擊增大; 約束系統(tǒng)相同的情況下，對身高、體重較大的人胸部保護(hù)程度比身高體重較小的人要好。

2.3  碰撞分析小結(jié)

通過頭部與胸部的傷害對比可以看出，約束系統(tǒng)對于與Hybrid III 50 百分位假人身材相近人群的保護(hù)效果較好; 對于體型小于Hybrid III 50 百分位假人的人群，身高體重越小，保護(hù)效果越差，其中中國女性所受傷害最為嚴(yán)重。

根據(jù)本文采用的汽車數(shù)據(jù)來源顯示，現(xiàn)在的汽車對于中國人體的身體尺寸達(dá)不到最優(yōu)解，中國人在這種約束條件下發(fā)生的道路交通事故損傷比較大，因此為了合理評價國內(nèi)汽車碰撞的安全性，研發(fā)符合中國人身材的百分位假人非常必要。

3  結(jié)語

對不同假人模型的駕駛員側(cè)約束保護(hù)情況展進(jìn)行研究，分析中國人體假人模型身材比例與國際通用Hybrid III 50 百分位假人之間的差異，使用Madymo 假人縮放功能建立了符合中國人體數(shù)據(jù)的假人模型;建立4 個正面碰撞模型并進(jìn)行正碰計算，分析對比各個模型之間的頭部傷害與胸部傷害。結(jié)果表明: 在相同的約束環(huán)境下，中國人體假人模型受到的傷害要高出Hybrid III 50 百分位模型，尤其是女性人體假人模型; 身高體重越小，受到約束系統(tǒng)保護(hù)的程度越小，損傷風(fēng)險越大。所以，建立符合中國人體數(shù)據(jù)的假人模型對研究中國人體的約束系統(tǒng)有一定必要性。

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