沈富寬, 王煥然, 謝書港, 李紅運(yùn)

基于人體損傷的中低速正面碰撞氣囊點(diǎn)火狀態(tài)分析方法研究

沈富寬1, 王煥然1*, 謝書港2, 李紅運(yùn)2

（1.寧波大學(xué) 沖擊與安全工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 浙江 寧波 315211; 2.南京維思科汽車科技有限公司, 江蘇 南京 210046）

為降低駕駛員在中低速碰撞下受到的損傷, 利用2010年版豐田Yaris整車模型建立100%正面剛性壁碰撞有限元模型, 并根據(jù)駕駛員艙布置及相關(guān)法規(guī)要求建立Madymo約束系統(tǒng)仿真模型, 以驗(yàn)證有限元模型的準(zhǔn)確性. 利用建立的碰撞模型, 在中低速碰撞中對不同氣囊點(diǎn)火狀態(tài)下的駕駛員所受損傷進(jìn)行仿真. 結(jié)果表明, 該車型在35km·h-1及以上車速時, 點(diǎn)爆氣囊能有效減少駕駛員損傷; 30km·h-1及以下車速時, 氣囊點(diǎn)火會對駕駛員造成額外傷害; 中低速碰撞下, 駕駛員的胸部損傷程度較頭部更容易受氣囊點(diǎn)火時間影響.

中低速碰撞; 人體損傷; 安全氣囊; 點(diǎn)火時間; 仿真

近幾年隨著汽車制造業(yè)的高速發(fā)展及大眾對汽車需求的增加, 國內(nèi)汽車保有量逐年上漲. 汽車在給大眾帶來便利的同時, 交通事故也不可避免. 由于交通事故的頻發(fā), 嚴(yán)重威脅到乘員人身財(cái)產(chǎn)安全, 為此我國制定了相關(guān)法律及規(guī)范來促進(jìn)車企提高汽車安全性及維修經(jīng)濟(jì)性.

在道路交通現(xiàn)狀中, 中低速碰撞產(chǎn)生的交通事故遠(yuǎn)比高速碰撞發(fā)生的頻率高[1], 而現(xiàn)有的法律法規(guī)及中國新車評價規(guī)程(簡稱C-NCAP)對汽車發(fā)生中低速碰撞后乘員損傷的評價較為模糊. 目前低速碰撞研究多基于國標(biāo)《GB 17354-1998 汽車前、后端保護(hù)裝置》及歐標(biāo)(Front and Rear Protective Devices)來研究車身防撞梁強(qiáng)度[2-4], 且多數(shù)集中于防撞梁力學(xué)性能研究, 較少涉及乘員保護(hù)問題, 而探究中低速下的乘員保護(hù)有利于提高整車安全性, 以及為相關(guān)法律法規(guī)的制定提供借鑒, 因此研究低速碰撞下的乘員保護(hù)具有重要意義.

安全氣囊(以下簡稱氣囊)作為乘員保護(hù)系統(tǒng)重要的組成部分, 其點(diǎn)火車速閾值及點(diǎn)火時間不合理會對乘員造成額外傷害[5]. 郭慶祥等[6]確定了不同低速碰撞工況下氣囊的目標(biāo)點(diǎn)火時刻, 但并未對氣囊點(diǎn)火的車速閾值做出探討. 氣囊點(diǎn)火的車速閾值方面, 國內(nèi)外一般規(guī)定在20km·h-1下氣囊不點(diǎn)火, 30km·h-1以上氣囊必須點(diǎn)火, 而20~30 km·h-1未有明確規(guī)定[7].

本文以C-NCAP高性能評價指標(biāo)及簡明創(chuàng)傷分級標(biāo)準(zhǔn)(Abbreviated Injury Scale, AIS)為評價標(biāo)準(zhǔn), 考察在不同車速下的駕駛員傷害值, 確定中低速碰撞下氣囊點(diǎn)火的車速閾值, 并在達(dá)到車速閾值后, 比較駕駛員在氣囊不同點(diǎn)火時間下所受的傷害值, 確定正面100%剛性壁碰撞下氣囊最佳點(diǎn)火時間.

1 人體損傷評價標(biāo)準(zhǔn)

1.1 C-NCAP正面碰撞評價標(biāo)準(zhǔn)

為了便于考察和評定整車碰撞試驗(yàn)中人體部分位置損傷情況, C-NCAP參考?xì)W盟新車認(rèn)證程序(E-NCAP), 引用部分人體損傷用來作為評價指標(biāo). 其中, 頭部引用3ms合成加速度(簡稱頭部加速度,R)以及頭部傷害標(biāo)準(zhǔn)(Head Injury Criterion, HIC).R多考察頭部慣性損傷, 而HIC則多側(cè)重于由接觸損傷造成的顱骨骨折.

累計(jì)3ms合成加速度值(R)計(jì)算公式如下:

式中,A、A、A為、、方向上的加速度值.

頭部傷害標(biāo)準(zhǔn)HIC計(jì)算公式如下:

此外, C-NCAP還引入胸部壓縮量(chest)、胸部加速度(chest)及胸部粘性指數(shù)(VC). 具體的相關(guān)100%正面剛性壁障碰撞頭部及胸部評價標(biāo)準(zhǔn)的性能限值見表1所示.

表1 C-NCAP正碰性能限值[9]

注:chest為C-NCAP (2012版)胸部評價標(biāo)準(zhǔn).

1.2 簡明創(chuàng)傷分級標(biāo)準(zhǔn)

為量化人體損傷嚴(yán)重程度, 美國醫(yī)學(xué)會及美國汽車醫(yī)學(xué)會結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)案例制定了簡明創(chuàng)傷分級標(biāo)準(zhǔn)(AIS). 該標(biāo)準(zhǔn)按照人體損傷程度對生命威脅的大小, 將人體器官損傷劃分為0~6共7個等級(表2), 其中4級及以上威脅生命安全, 6級表明該損傷致死或現(xiàn)有醫(yī)療技術(shù)無法救治[10-11].

表2 簡明創(chuàng)傷分級標(biāo)準(zhǔn)

2 仿真模型的建立及對標(biāo)

2.1 整車有限元模型的介紹及對標(biāo)

本文采用2010年版美國國家碰撞中心發(fā)布的豐田Yaris有限元模型. 整車試驗(yàn)數(shù)據(jù)來源于美國新車評價規(guī)程中的第5677號試驗(yàn), 該實(shí)驗(yàn)為100%正面剛性壁障碰撞試驗(yàn), 車速為56km·h-1 [12]. 整車碰撞試驗(yàn)及整車模型有限元仿真結(jié)果如圖1和圖2所示, 該結(jié)果均為碰撞發(fā)生后100ms畫面. 整車脈沖如圖3所示. 對標(biāo)結(jié)果顯示, 整車模型的變形及整車脈沖與試驗(yàn)結(jié)果一致性較好, 整車有限元模型準(zhǔn)確度較高, 有利于提取中低車速碰撞下的整車脈沖.

圖1 整車試驗(yàn)變形

圖2 整車仿真變形

圖3 整車脈沖對比

圖4 Madymo約束系統(tǒng)仿真模型

圖5 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

2.2 約束系統(tǒng)模型的建立及對標(biāo)

根據(jù)主駕空間布置及幾何參數(shù), 通過Madymo定義前風(fēng)擋玻璃、A柱、儀表板、地板、轉(zhuǎn)向管柱、方向盤座椅安全帶等車身結(jié)構(gòu)及約束系統(tǒng)位置及造型, 并參照C-NCAP相關(guān)規(guī)定對駕駛員位置及姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整. 考慮到整車試驗(yàn)中車身旋轉(zhuǎn)及向、向脈沖相對較小, 因此在賦予模型56km·h-1初速度的同時, 將正碰撞向整車脈沖賦予模型, 建立如圖4所示的模型. 對正面100%剛性壁障碰撞中駕駛員的頭部加速度(R)、胸部加速度(chest)、胸部壓縮量(chest)進(jìn)行對標(biāo), 其最終結(jié)果如圖5所示.

圖5對標(biāo)結(jié)果顯示, 主駕約束系統(tǒng)模型計(jì)算結(jié)果中頭部加速度(R)、胸部加速度(chest)、胸部壓縮量(chest)試驗(yàn)結(jié)果曲線擬合度較好, 模型準(zhǔn)確度較高, 表明該模型可用于中低速狀態(tài)下的計(jì)算與分析.

3 確定氣囊點(diǎn)火的車速閾值

氣囊在不當(dāng)車速下點(diǎn)火會對乘員造成額外傷害, 因此確定氣囊點(diǎn)火車速閾值是低速碰撞下乘員保護(hù)的重要步驟. 本文通過對比駕駛員在不同氣囊點(diǎn)火狀態(tài)下所受傷害值來確定點(diǎn)火閾值. 取車速范圍[20, 45] km·h-1, 步長為5km·h-1. 根據(jù)文獻(xiàn)[5]可知, 正面剛性墻碰撞工況下, 車速在24~32 km·h-1范圍內(nèi), 氣囊應(yīng)在30~50ms點(diǎn)火; 車速在32~48km·h-1范圍內(nèi), 氣囊應(yīng)在20~30ms點(diǎn)火, 且取步長2ms計(jì)算駕駛員傷害值.

表3為30km·h-1下氣囊點(diǎn)火與否造成的傷害值對比. 氣囊在[30, 50] ms區(qū)間內(nèi)點(diǎn)火時的HIC36、Rchest、chest均大于氣囊未點(diǎn)火時的傷害值, 并且chest為24.3mm, 大于C-NCAP評價標(biāo)準(zhǔn)中胸部壓縮量高性能評價標(biāo)準(zhǔn)22mm. 由于氣囊的重新安裝也會造成不必要的財(cái)產(chǎn)浪費(fèi), 因此考慮到乘員安全性及維修經(jīng)濟(jì)性, 在30km·h-1及以下車速氣囊不應(yīng)點(diǎn)火.

表3 30 km·h-1下氣囊不同點(diǎn)火狀態(tài)造成傷害值對比

圖6 頭部與方向盤接觸力

表4 顱骨對沖擊載荷的耐受限度[13]

圖6為35km·h-1下, 氣囊未點(diǎn)火時的仿真結(jié)果及頭部與方向盤接觸力曲線. 從圖中可見, 僅靠安全帶不能提供足夠保護(hù), 導(dǎo)致駕駛員頭部撞擊到方向盤, 撞擊力為2300N. 根據(jù)表4中顱骨各部位對沖擊載荷耐受限度可知, 在撞擊力達(dá)到2300N時, 顱骨中的顴骨、顎骨及頜骨有骨折的風(fēng)險. 并且R達(dá)到98, 超出C-NCAP中72~88的評價標(biāo)準(zhǔn)范圍, 導(dǎo)致如腦震蕩、腦組織等的慣性損傷對駕駛員生命安全造成嚴(yán)重威脅. 因此, 35km·h-1車速下氣囊不點(diǎn)火會造成嚴(yán)重的顱腦損傷.

圖7 駕駛員頭部得到緩沖

表5 35 km·h-1下氣囊點(diǎn)火與否傷害值對比

圖8 車速35 km·h-1下的點(diǎn)火時間對接觸力影響

相對于氣囊未點(diǎn)火時駕駛員受損傷較為嚴(yán)重, 而氣囊在車速35km·h-1碰撞下點(diǎn)火, 對駕駛員頭部就起到了良好的保護(hù)效果(圖7). 由表5可見, 氣囊在[20, 30] ms點(diǎn)火后, 駕駛員的HIC36最大值為132, 駕駛員頭部幾乎無損傷. 由于氣囊點(diǎn)火駕駛員頭部得到緩沖, 氣囊點(diǎn)火后的R也降至30, 遠(yuǎn)小于氣囊不點(diǎn)火時的R以及C-NCAP高性能評價標(biāo)準(zhǔn), 降低了頭部受到嚴(yán)重創(chuàng)傷的風(fēng)險.

雖然氣囊點(diǎn)火后的駕駛員頭部得到了有效保護(hù), 但chest達(dá)到25.3mm, 超出了C-NCAP高性能限值. 文獻(xiàn)[14]根據(jù)概率關(guān)系曲線, 總結(jié)出chest與AIS≥3間的關(guān)系, 其概率僅為6%, 表明對人體造成的損傷較小. 綜上所述, 為保證乘員安全, 此車型應(yīng)在35km·h-1及以上車速下點(diǎn)火, 氣囊才能確保駕駛員得到有效保護(hù).

4 確定中低速下氣囊最佳點(diǎn)火時間

在汽車碰撞過程中, 氣囊點(diǎn)火時間對乘員傷害值影響較大. 在中低速下, 以35km·h-1車速為例, 圖8為在不同點(diǎn)火時間下氣囊和駕駛員之間接觸力(簡稱接觸力)與時間的關(guān)系曲線. 從圖中可見, 點(diǎn)火時間的滯后造成接觸力在氣囊展開過程中偏大, 說明氣囊點(diǎn)火滯后對駕駛員造成的沖擊傷害越大. 在頭、胸部傷害評價指標(biāo)中, HIC36、R以及chest皆是基于加速度的評價指標(biāo), 因此推測上述3個評價指標(biāo)與接觸力正相關(guān).chest則與接觸力大小、接觸力與胸部接觸面積以及沖擊位置有關(guān)[15].

圖9、圖10為R及HIC36值隨氣囊點(diǎn)火時間變化曲線. 由圖可見, 在35~45km·h-1車速下, 氣囊點(diǎn)火時間的滯后造成頭部傷害值增加. 由于駕駛員頭部HIC36、R最大值分別為246、50, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于C-NCAP高性能標(biāo)準(zhǔn), 說明駕駛員頭部受到損傷的概率較小, 其頭部傷害值的變化作為確定氣囊點(diǎn)火時間依據(jù)的意義不大. 相對于頭部, 胸部作為人體被氣囊點(diǎn)火后沖擊的首個部位, 其傷害值接近或超過評價標(biāo)準(zhǔn), 因此, 其研究意義更大.

圖9 頭部加速度AR變化趨勢

圖10 頭部HIC36變化趨勢

chest以及chest隨氣囊點(diǎn)火時間的變化曲線如圖11、圖12所示. 由圖可見,chest隨氣囊點(diǎn)火時間的滯后而增加, 但chest受較多因素影響, 其變化趨勢與點(diǎn)火時間未有較強(qiáng)規(guī)律性. 通過對比氣囊不同點(diǎn)火時間對駕駛員胸部造成的傷害值, 確定了35、40、45km·h-1車速下100%正面剛性壁障碰撞的最佳氣囊點(diǎn)火時間分別為28、26、24ms, 此時胸部損傷值降到最低. 此外, 隨著氣囊的點(diǎn)火時間早于最佳點(diǎn)火時間, 胸部傷害值未產(chǎn)生突變, 說明胸部未擊穿氣囊撞擊到方向盤; 由于氣囊點(diǎn)火時間晚于最佳點(diǎn)火時間, 氣囊展開狀態(tài)產(chǎn)生對駕駛員的額外沖擊使駕駛員的chest以及chest增加. 另外通過縱向?qū)Ρ瓤芍? 隨著車速的提高, 氣囊點(diǎn)火時間對駕駛員所受傷害影響更為明顯. 綜上所述, 根據(jù)人體損傷來確定點(diǎn)火時間能有效減少人體在中低速碰撞下所受的傷害值.

圖11 胸部加速度Achest變化趨勢

圖12 胸部壓縮量Dchest變化趨勢

5 總結(jié)

(1)提出了一種確定氣囊點(diǎn)火的車速閾值方法, 確定該車型在30km·h-1及更低車速下, 氣囊不應(yīng)點(diǎn)火, 以避免產(chǎn)生額外傷害; 在35km·h-1車速下, 點(diǎn)火氣囊則起到更好的保護(hù)效果.

(2)在正面中低速碰撞下, 氣囊點(diǎn)火主要防止頭部撞擊到方向盤, 對頭部保護(hù)作用更明顯, 而其點(diǎn)火時間的變化對保護(hù)效果的影響不大; 相對于頭部, 胸部損傷結(jié)果受氣囊點(diǎn)火時間變化的影響較大. 后續(xù)的正面中低速碰撞研究可依據(jù)胸部損傷為主要參考項(xiàng).

(3)以人體損傷為確定點(diǎn)火時間的主要因素, 確定中低車速下的氣囊最佳點(diǎn)火時間, 減少了乘員所受損傷, 對研究中低速碰撞下的乘員保護(hù)具有重要意義.

[1] 中國汽車技術(shù)研究中心. 中國汽車安全發(fā)展報(bào)告(2015) [M]. 北京: 社會科學(xué)文獻(xiàn)出版社, 2015.

[2] 石錦, 邱榮英, 汪霞, 等. 汽車低速碰撞模擬中的關(guān)鍵因素識別[J]. 汽車技術(shù), 2014(11):57-60.

[4] 仲偉東, 王東方, 李靜. 復(fù)合材料防撞梁低速碰撞的研究與多目標(biāo)優(yōu)化[J]. 南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2019, 41(4):463-471.

[5] 邱少波. 汽車碰撞安全工程[M]. 北京: 北京理工大學(xué)出版社, 2016.

[6] 郭慶祥, 李新, 張斌, 等. 低速碰撞的安全氣囊點(diǎn)火時刻分析方法的研究[J]. 汽車工程, 2015, 37(10):1138- 1143.

[7] 張君媛, 林逸, 張建偉. 汽車安全氣囊起爆車速與乘員傷害關(guān)系的仿真研究[J]. 中國公路學(xué)報(bào), 2004, 17(1): 102-105.

[8] 韓勇. 汽車碰撞安全[M]. 北京: 人民交通出版社, 2016.

[9] 中國汽車技術(shù)研究中心. C-NCAP管理規(guī)則(2018)[S].

[10] Association for the Advancement of Automotive Medicine. The abbreviated injury scale-1990 revision[S].

[11] 高繼東, 祁志楠, 謝書港, 等. 基于THUMS人體模型的正撞乘員傷害研究[J]. 汽車工程, 2016, 38(8):947- 954.

[12] 曹立波, 張萍, 顏凌波, 等. 在車對車碰撞條件下轎車斜角碰撞及小重疊碰撞的駕駛員損傷研究[J]. 汽車工程, 2016, 38(2):174-180.

[13] 楊濟(jì)匡. 汽車與行人碰撞中的損傷生物力學(xué)研究概覽[J]. 汽車工程學(xué)報(bào), 2011, 1(3):81-93.

[14] Mertz H J, Horsch J D, Horn G, et al. Hybrid III sternal deflection associated with thoracic injury severities of occupants restrained with force-limiting shoulder belts[C]. SAE Technical Paper Series, 400 Commonwealth Drive, Warrendale, PA, United States: SAE International, 1991.

[15] Kent R, Lessley D, Sherwood C. Thoracic response to dynamic, non-impact loading from a hub, distributed belt, diagonal belt, and double diagonal belts[J]. Stapp Car Crash Journal, 2004, 48(1):495-519.

Human injury-based ignition state analysis of airbags in front impact at low and medium velocity

SHEN Fukuan1, WANG Huanran1*, XIE Shugang2, LI Hongyun2

( 1.Key Laboratory of Impact and Safety Engineering, Ministry of Education of China, Ningbo University, Ningbo 315211, China; 2.Nanjing Waythink Automotive Technology Co., Ltd., Nanjing 210046, China )

In order to reduce the driver’s injury in low and medium speed collisions, the 2010 version of the Toyota Yaris model is used to establish a 100% frontal rigid wall collision finite element model, and a Madymo restraint system simulation model is established according to the layout of the driver’s cabin and relevant regulations, which is verified by test. Using the established collision model, the injury to the dummy under different ignition conditions of the airbag in the low-speed collision is simulated. The results show that the use of airbags at speeds of 35km·h-1and above can effectively reduce driver injury, and airbags at speeds of 30km·h-1and below can cause additional damage to driver. The driver’s chest injury is more likely to be affected by the ignition time of the airbag than the head’s in low and medium speed collisions.

low and medium speed collision; occupant injury; safety airbag; ignition timing; simulation

U467.1+4

A

1001-5132（2021）02-0049-06

2019?11?26.

寧波大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版）網(wǎng)址: http://journallg.nbu.edu.cn/

國家自然科學(xué)基金（11572164）.

沈富寬（1994－）, 男, 江蘇連云港人, 在讀碩士研究生, 主要研究方向: 整車被動安全. E-mail: 840195236@qq.com

王煥然（1976－）, 男, 河南睢縣人, 博士/副教授, 博導(dǎo), 主要研究方向: 結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng). E-mail: wanghuanran@nbu.edu.cn

（責(zé)任編輯 章踐立）