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(duì)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(yàn)。通過不同假人頭部和胸部的傷害程度對(duì)比，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有駕駛員側(cè)約束系統(tǒng)對(duì)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(jì)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(jì)全世界每年有120萬左右的人死于交通事故，有600 萬人因?yàn)榻煌ㄊ鹿视谰脷埣玻?］。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(dòng)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(xiǎn)協(xié)會(huì)幾款熱門車型進(jìn)行正面25%偏置碰撞測(cè)試，對(duì)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(cè)試納入最高安全評(píng)級(jí)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(duì)仿真結(jié)果和實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出模型的有效性和安全氣囊對(duì)假人的保護(hù)作用; Sun 等［7］通過對(duì)10輛車的正面碰撞測(cè)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(cè)試方法和評(píng)價(jià)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(duì)不同性別、身高的假人進(jìn)行正面碰撞仿真試驗(yàn)。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(duì)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(jì)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(yàn)并對(duì)試驗(yàn)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(gè)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(shí)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(duì)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(gè)部件之間相關(guān)的接觸;

5) 定義各個(gè)部件之間的載荷特性和接觸、輸出特性。

1.2  試驗(yàn)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(yàn)方法進(jìn)行正面碰撞試驗(yàn)。在試驗(yàn)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(yàn)，是評(píng)價(jià)汽車被動(dòng)安全性的一個(gè)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(duì)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(duì)男性假人進(jìn)行各個(gè)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(yàn)計(jì)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(shí)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(shí)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(dòng)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(shí)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(shí)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(duì)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(duì)頭部損傷進(jìn)行評(píng)價(jià)［13 － 14］，HIC 由頭部碰撞持續(xù)時(shí)間與加速度共同決定，H 越小表明頭部損傷越大，計(jì)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(shí)間段，t2 － t1 = 15 ms。各個(gè)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(duì)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(duì)于身高體重大的人的頭部保護(hù)效果相對(duì)較好，一是因?yàn)轭^部質(zhì)量與頭部質(zhì)心的差異; 二是因?yàn)閭€(gè)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(shí)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(yàn)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(yàn)計(jì)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(shí)間如表3 所示，各個(gè)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(shí)間滯后于男性參考假人模型，女性縮放假人模型的峰值時(shí)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(shí)間的數(shù)據(jù)模型存在共同點(diǎn)，即身高體重越小，胸部受到的加速度峰值時(shí)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(shí)間持續(xù)3 ms，胸部合成加速度60gg 為重力加速度) 作為評(píng)定胸部損傷的標(biāo)準(zhǔn)。

通過計(jì)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(duì)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(duì)比可以看出，約束系統(tǒng)對(duì)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(duì)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(duì)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(píng)價(jià)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(duì)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(gè)正面碰撞模型并進(jìn)行正碰計(jì)算，分析對(duì)比各個(gè)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(xiǎn)越大。所以，建立符合中國人體數(shù)據(jù)的假人模型對(duì)研究中國人體的約束系統(tǒng)有一定必要性。

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