方真群

(廈門金龍汽車座椅有限公司，福建廈門 361024)

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不同行駛速度對校車學(xué)生乘員損傷影響

方真群

(廈門金龍汽車座椅有限公司，福建廈門 361024)

摘要：采用有限元分析軟件LS-DYNA3D建立某款校車座椅乘員約束系統(tǒng)仿真模型，根據(jù)國標(biāo)GB24406-2012，對該模型分別加載4種減速度波形，對比分析不同行駛速度下乘員頭部HIC值、胸部3 ms加速度值和腿部軸向壓力值。結(jié)果表明：學(xué)生乘員頭部損傷隨校車行駛速度的增大而明顯增大；當(dāng)行駛速度小于48 km/h時，學(xué)生乘員胸部損傷隨行駛速度的增大而緩慢增大，當(dāng)行駛速度大于48 km/h時，行駛速度對學(xué)生乘員胸部損傷影響較為顯著。

關(guān)鍵詞：校車座椅；行駛速度；約束系統(tǒng)；學(xué)生乘員；損傷

0引言

近年來，校車安全事故在全國各地頻有發(fā)生，交通事故已經(jīng)成為學(xué)生傷亡的主要原因之一。為提高校車安全性能，保證學(xué)生的乘車安全，國務(wù)院于2012年4月首次頒布并實行《校車安全管理條例》，并于同年5月份發(fā)布了《專用校車安全國家標(biāo)準(zhǔn)》，對我國校車的設(shè)計制造、使用管理和安全性進行了規(guī)范[1]。2015年7月，東莞發(fā)布了校車管理新規(guī)《東莞市校車安全管理辦法(送審稿)》，該辦法規(guī)定：載有學(xué)生的校車在高速公路上行駛的最高時速不得超過80 km/h，在其他道路上行駛的最高時速不得超過60 km/h[2]。根據(jù)GB24406-2012[3]中的動態(tài)試驗方法，應(yīng)對校車座椅進行行駛速度為30～32 km/h的模擬臺車試驗，從而確保乘員在校車行駛速度小于30 km/h時可以受到充分的保護。但當(dāng)校車在30～50 km/h的車速下發(fā)生碰撞時，校車的約束系統(tǒng)對乘員的保護是未知的，因此文中建立現(xiàn)有某款校車座椅的有限元仿真模型，研究該校車在不同行駛速度下的乘員損傷情況。

1乘員約束系統(tǒng)模型的建立

將座椅三維模型導(dǎo)入HyperWorks軟件中進行幾何清理、劃分網(wǎng)格等前處理[4]，對座椅骨架部分多采用shell單元進行網(wǎng)格劃分，對靠背、座墊等泡沫件采用實體單元，為節(jié)省計算時間，刪去了影響較小的后排靠背和前排坐墊組件。

此校車模型是針對中學(xué)生的，依據(jù)國標(biāo)GB24406-2012，選用HybirdIII 第5百分位的女性假人模型來模擬中學(xué)生，主要部件有頭部、頸部、胸部、腹部、臀部和四肢等，假人各部分質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量都符合試驗用假人，人體各部分的關(guān)節(jié)用球形鉸鏈和旋轉(zhuǎn)鉸鏈單元定義，并用非線性的扭矩彈簧和阻尼單元連接,來模擬人體各部分之間的彈性變化，胸部和頸部這些關(guān)鍵部位都設(shè)置成柔性，能模擬碰撞過程中人體關(guān)鍵部位的損傷情況[5]。

安全帶在乘員碰撞過程中起著非常重要的作用。在此模型中，將安全帶分為兩部分建模，與人體接觸部分用2D薄殼單元，模擬安全帶在人體身上的滑動；未與人體接觸部分采用1Dseatbelt單元，模擬安全帶在碰撞過程中的松弛度。建立好的乘員約束系統(tǒng)模型如圖1所示[6]。然后對該模型施加不同行駛速度的波形，分析乘員在不同行駛速度下的損傷情況。

圖1　校車乘員約束系統(tǒng)模型

2仿真結(jié)果分析

通過仿真計算，得出假人各部位損傷的一系列曲線，參考國標(biāo)GB24406-2012，對假人的頭部合成加速度、胸部合成加速度和腿部軸向壓力曲線分別進行不同頻率的濾波，曲線對比結(jié)果如圖2所示。

圖2　乘員損傷曲線

根據(jù)碰撞結(jié)果，當(dāng)假人的腳部與擋板開始接觸時，擋板對人的作用力從腳部傳遞到腿部，此時大腿的軸向壓力產(chǎn)生了一個峰值；然后由于假人腳部受到擋板的限制，假人臀部逐漸不再向前移動，而假人的上半身繼續(xù)向前運動，在行駛速度為32 km/h時，假人胸部加速度在頭部碰撞到座椅之前達到峰值，然后頭部在撞擊座椅時產(chǎn)生最大加速度[1]；在行駛速度為40～55 km/h時，假人頭部和胸部的加速度最大值均在頭部撞擊靠背的過程中產(chǎn)生，且頭部加速度先于胸部加速度達到峰值。

將仿真所得曲線根據(jù)GB24406-2012中要求進行處理，并計算出假人在不同行駛速度下的頭部、胸部和腿部的損傷值，對比結(jié)果如表1所示。

表1　不同速度情況下的乘員損傷指標(biāo)對比

對比不同行駛速度下的乘員損傷情況可知:假人的頭部損傷情況會隨著行駛速度的增加而有明顯增大的趨勢；胸部3 ms加速度的最大值在行駛速度為32～48 km/h時，呈平緩變化的趨勢，當(dāng)行駛速度大于48 km/h時，假人的胸部3 ms加速度值會出現(xiàn)劇烈增加的現(xiàn)象；在行駛速度為32～55 km/h時，碰撞過程中的能量主要發(fā)生在頭部碰撞前排座椅的階段，因此假人的腿部損傷基本保持不變。

3結(jié)論

通過研究某款校車座椅在不同行駛速度下的乘員損傷情況可知：

(1)校車在低速碰撞時，行駛速度對乘員的頭部損傷影響較小，而對乘員的胸部和腿部損傷影響較大；

(2)當(dāng)校車的行駛速度大于48 km/h時，對中學(xué)生乘員的頭部和胸部會造成嚴(yán)重的損傷，而乘員的腿部損傷相對較小；

(3)在校車常用的行駛速度下，將校車的速度控制在30～50 km/h時，發(fā)生交通事故對中學(xué)生乘員的損傷最小。

參考文獻:

【1】呂娜,譚衛(wèi)鋒,王亭,等.校車座椅乘員約束系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計[J].廈門理工學(xué)院學(xué)報,2015(3):20-24.

【2】東莞市教育局.東莞市校車安全管理辦法(送審稿)[M].

【3】全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB24406-2012專用校車學(xué)生座椅系統(tǒng)及其車輛固定件的強度[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2012.

【4】胡遠志,曾必強,謝書港.基于LS-DYNA和Hyperworks的汽車安全仿真與分析[M].北京：清華大學(xué)出版社,2011:18-46.

【5】韓雙慶,王成龍.商務(wù)車正面碰撞有限元分析[J].計算機輔助工程,2006(16):144-147.

【6】葉松奎,吳長風(fēng),黃登封.校車座椅動態(tài)實驗乘員損傷研究與優(yōu)化[J].客車技術(shù)與研究,2014(5):17-20.

Effects of Different Driving Speed on Injury to Student Occupant in School Bus

FANG Zhenqun

(Xiamen Golden Dragon Auto Seat Co., Ltd., Xiamen Fujian 361024,China)

Abstract:Using finite element analysis software LS-DYNA 3D, the simulation model of a school bus seat occupant restraint system was built. According to the regulation of GB24406-2012, the model was loaded with four acceleration pluses respectively, so as to compare the head injury criterion (HIC), thorax 3 ms acceleration and femur force under different driving speeds. The results show that: the student occupant’s HIC raises seriously along with the increase of driving speed; when driving speed is less than 48 km/h, the student occupant’s chest injury grows lightly with it; while when it is more than 48 km/h, the driving speed has a severely impact on the chest injury of student occupant.

Keywords:School bus seat; Driving speed; Restraint system; Student occupant; Injury

收稿日期：2015-07-30

作者簡介：方真群(1966—)，男，工程師，主要從事汽車座椅設(shè)計制造。E-mail：richardfang@autoseat.com.cn。

中圖分類號:U270.38

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-1986(2016)01-026-02