楊欣 秦豪毅 馬帥 宋家鋒 朱勇 王瑞祥 許述財(cái)

摘 要： 研究了車(chē)輛碰撞環(huán)境下駕駛員手部在方向盤(pán)上的主動(dòng)響應(yīng)及對(duì)人體損傷的影響，以便對(duì)于人體損傷標(biāo)準(zhǔn)完善及車(chē)輛安全防護(hù)設(shè)計(jì)，提供參考數(shù)據(jù)。將假人手部結(jié)構(gòu)重建，使手部具備抓握能力。利用關(guān)節(jié)約束力矩模擬抓握力，設(shè)置手部具有抓握力及抓握方向盤(pán)不同位置的仿真模型，計(jì)算獲得假人各部位損傷數(shù)值，與標(biāo)準(zhǔn)假人損傷對(duì)比。結(jié)果顯示：抓握狀態(tài)下，頭部傷害指標(biāo)（HIC）峰值增加37.5%，頸部伸張力矩最大值減少22.3%，胸部壓縮量最大值減少3%，大腿壓縮力峰值減少36.5%。將方向盤(pán)劃分為表盤(pán)的位置方位，手部位置在11 點(diǎn)和4 點(diǎn)方位時(shí)，頭部HIC 峰值最大；手部位置在8點(diǎn)和4點(diǎn)方位時(shí)，胸部壓縮量和大腿壓縮力峰值最大。碰撞中駕駛員手部主動(dòng)響應(yīng)對(duì)人體損傷影響較大。

關(guān)鍵詞： 汽車(chē)碰撞；中國(guó)體征假人；手部主動(dòng)響應(yīng)；人體損傷；頭部傷害指標(biāo)（HIC）；胸部壓縮量；大腿壓縮力

中圖分類(lèi)號(hào)： U 467.14 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A DOI： 10.3969/j.issn.1674-8484.2023.05.003

汽車(chē)行業(yè)是我國(guó)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)之一[1]，交通事故隨汽車(chē)銷(xiāo)量增長(zhǎng)日益增多。在汽車(chē)碰撞事故中，發(fā)生正面碰撞的概率為59 %，側(cè)面碰撞的發(fā)生概率為27 %[2]。正面碰撞工況下的車(chē)輛行駛安全是汽車(chē)制造與安全測(cè)試研究中尤為重要的課題。在汽車(chē)被動(dòng)安全領(lǐng)域，假人常被用來(lái)作為評(píng)估汽車(chē)安全性能以及各種保護(hù)成員設(shè)備性能的工具。利用數(shù)字假人以及物理假人代替真人做測(cè)試試驗(yàn)，通過(guò)分析汽車(chē)碰撞時(shí)假人所承載的力、加速度、位移等物理量來(lái)量化人體的傷害程度，因此，碰撞試驗(yàn)假人成為汽車(chē)安全性能測(cè)試中的核心技術(shù)[3-6]。

在事故發(fā)生前即預(yù)碰撞階段，人的大腦發(fā)出生物信號(hào)，使身體各部位迅速做出響應(yīng)動(dòng)作，不同駕駛員在碰撞前的駕駛行為對(duì)交通事故的影響較大[7]，手部抓握方向盤(pán)是十分常見(jiàn)的應(yīng)急響應(yīng)。然而，目前大多數(shù)汽車(chē)安全試驗(yàn)中假人被安裝在固定位置，在當(dāng)前碰撞測(cè)試中忽略了人的主觀意識(shí)行為，假人的手放在方向盤(pán)上處于自由姿態(tài)沒(méi)有考慮駕駛員在面對(duì)事故發(fā)生前的應(yīng)急反應(yīng)。

基于此問(wèn)題國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)的研究，例如李鏘強(qiáng)[8] 等人利用Madymo 軟件建立大客車(chē)與假人模型，建立大客車(chē)駕駛員手部有無(wú)抓握力的正面碰撞模擬仿真環(huán)境，研究得出手部存在抓握力狀態(tài)下假人的損傷程度小于手部沒(méi)有抓握力狀態(tài)下的假人。魏玉釗[9] 等人利用LS-PREPOST 和Oasys PRIMER 軟件建立手部具有抓握力的數(shù)字假人并對(duì)在自由狀態(tài)下以及手部抓握頂棚扶手狀態(tài)下的假人損傷程度進(jìn)行對(duì)比分析，仿真結(jié)果表明存在手部抓握力狀態(tài)下假人主要部位的損傷不同程度的小于自由坐姿姿態(tài)下的假人。H. Morvan[10] 等人基于模擬駕駛器分析碰撞前駕駛員手部的行為，利用Madymo 軟件搭建駕駛員手部處于不同位置姿態(tài)下的仿真模型分析仿真結(jié)果得出結(jié)論，手部處于不同位置姿態(tài)下假人頭部以及頸部的損害程度存在差異。因此，駕駛員手部對(duì)方向盤(pán)的抓握和保持能力對(duì)于人體損傷評(píng)價(jià)是不可忽視的一個(gè)重要因素，但以上研究未能全面準(zhǔn)確的反映碰撞測(cè)試中人的主觀意識(shí)行為以及在碰撞環(huán)境下手部的反射反應(yīng)對(duì)人體損傷程度的影響。

為了探究手部抓握方向盤(pán)以及不同抓握位置姿態(tài)與人體碰撞損傷之間的關(guān)系，本文基于現(xiàn)有的假人模型重構(gòu)手部結(jié)構(gòu)模型，使其各關(guān)節(jié)具有一定的自由度，實(shí)現(xiàn)對(duì)方向盤(pán)的抓握，并通過(guò)相關(guān)軟件對(duì)各關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)鉸鏈實(shí)現(xiàn)手部抓握保持力和不同抓握位置姿態(tài)的調(diào)節(jié)，進(jìn)一步研究碰撞時(shí)駕駛員手部主動(dòng)響應(yīng)對(duì)人體損傷特性的影響，從而與手部在自由狀態(tài)下的人體損傷進(jìn)行對(duì)比分析。研究結(jié)果將對(duì)完善人體損傷評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和車(chē)輛安全防護(hù)設(shè)計(jì)具有重要的參考意義。

1 中國(guó)體征假人有限元模型

本實(shí)驗(yàn)所使用的碰撞假人模型如圖1 所示，該模型是根據(jù)中國(guó)人體特征尺寸數(shù)據(jù)[11]（GB10000-88）所建立的。

1.1 假人上肢模型

建立假人上肢有限元模型，需參考人體真實(shí)的上肢結(jié)構(gòu)。各骨骼間的運(yùn)動(dòng)是由各上肢關(guān)節(jié)決定的，由于實(shí)際的人體上肢組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在建立上肢的有限元模型時(shí)往往將其進(jìn)行簡(jiǎn)化。關(guān)節(jié)處通過(guò)鉸鏈定義運(yùn)動(dòng)，由于上肢各部分的基本屬性不同，所以在導(dǎo)入HyperMesh 2019 后，需要對(duì)各部分進(jìn)行不同的有限元?jiǎng)澐痔幚韀12-13]。原有假人的手部結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化后，忽略了手指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)影響，僅僅保留了手部某個(gè)形態(tài)，如圖2 所示，在仿真試驗(yàn)中手部無(wú)法發(fā)生動(dòng)作，往往處于被動(dòng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，很容易與方向盤(pán)脫離。

1.2 手部模型重建

設(shè)計(jì)手部總體的結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)在碰撞過(guò)程中能夠抓握方向盤(pán)的功能需要參考人手的骨骼結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)機(jī)理以及主要功能。由于人手非常靈活，約21 個(gè)自由度[14]，且骨骼復(fù)雜，所以根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境，對(duì)手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)化。因?yàn)槿耸值撵`活性是通過(guò)手腕和手之間的相互配合來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以手部的抓握功能需要分析抓握過(guò)程中手部與腕部作用，手對(duì)應(yīng)的功能是抓握，而手腕對(duì)應(yīng)的作用是手部在執(zhí)行抓握運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)手部姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整。基于對(duì)人手的運(yùn)動(dòng)研究，僅保留各指節(jié)間的轉(zhuǎn)動(dòng)以及大拇指翻轉(zhuǎn)共15 個(gè)自由度。根據(jù)中國(guó)體征假人手部模型，對(duì)各指節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，詳細(xì)的數(shù)據(jù)如表1 所示。指節(jié)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)都可近似看作一個(gè)自由度，可以由一個(gè)旋轉(zhuǎn)鉸鏈進(jìn)行模擬。

根據(jù)中國(guó)男性飛行員人體尺寸（GJB4856-2003） [15]提取的手指數(shù)據(jù)，并利用SolidWorks 軟件，建立三維模型；利用有限元前處理軟件HyperMesh，對(duì)手指各部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并利用HyperMesh 1D 面板中的fejoints，建立鉸鏈模型。手的材料為*MAT7 橡膠材料，設(shè)置密度ρ= 0.9 g/cm3，剪切模量設(shè)置為0.19 GPa。結(jié)構(gòu)模型和處理完成的有限元模型如圖3 所示。

2 碰撞仿真模型構(gòu)建

2.1 碰撞駕駛環(huán)境

為了便于觀察假人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和縮短仿真計(jì)算時(shí)間，對(duì)車(chē)輛模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，僅保留汽車(chē)駕駛室的模型，并將整車(chē)其他部分簡(jiǎn)化成一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，將模型的質(zhì)量以及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等數(shù)值賦予質(zhì)點(diǎn)。根據(jù)假人在正面碰撞情況時(shí)損傷部位所接觸的模型，簡(jiǎn)化駕駛室的模型如圖4所示。

駕駛室的模型主要有頂棚、車(chē)門(mén)、前窗、地板、安全帶和儀表盤(pán)等。根據(jù)（China-New Car AssessmentProgram， C-NCAP）實(shí)驗(yàn)規(guī)定，提取整車(chē)碰撞試驗(yàn)的加速度曲線(xiàn)將模型賦予加速度曲線(xiàn)，來(lái)模擬實(shí)車(chē)碰撞的過(guò)程。其加速度曲線(xiàn)如圖5 所示。

2.2 假人手部模型替換

在已有中國(guó)體征坐姿假人的模型基礎(chǔ)上，只對(duì)假人的手部進(jìn)行替換。保持原有的手部和腕部的接觸關(guān)系， 利用關(guān)鍵字*CONTACT_TIED_NODES_TO_SURFACE 定義手部和腕部的接觸，用旋轉(zhuǎn)鉸鏈定義兩者轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)系。為防止碰撞過(guò)程中由于速度過(guò)高網(wǎng)格出現(xiàn)大變形，賦予整個(gè)手部一層NULL 面，材料為*MAT9，Poisson 比為0.3。通常在有限元仿真過(guò)程中不能出現(xiàn)各COMPONENT 之間相互穿透以及自穿透，因此根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范調(diào)整手部與方向盤(pán)、手部與假人其他部位之間為*CONTACT_TIED_SURFACE_TO_SURFACE。替換前后的假人姿態(tài)如圖6 所示。

2.3 手部抓握保持力設(shè)置

將劃分網(wǎng)格后的人手，導(dǎo)入軟件Primer 11 中進(jìn)行鉸鏈的旋轉(zhuǎn)角度參數(shù)設(shè)置，根據(jù)假人各部位間的連接關(guān)系，設(shè)置手指和手掌，手掌和手臂之間的子母關(guān)系，實(shí)現(xiàn)手部抓握方向盤(pán)的動(dòng)作姿態(tài)。

據(jù)密歇根大學(xué)的統(tǒng)計(jì)，汽車(chē)高速狀態(tài)下人手抓握方向盤(pán)的力平均值為189.6 N [16]?；谝延醒芯繉?duì)此方向的探討，以坐姿狀態(tài)下駕駛員手部握緊方向盤(pán)的190 N握力為例。在HyperMesh 中，通過(guò)設(shè)置鉸鏈屬性利用關(guān)鍵字*JOLINT_STIFFNESS_GENERLIZED 對(duì)剛度和約束力矩進(jìn)行調(diào)整以此來(lái)模擬駕駛員握緊方向盤(pán)的保持力[8-9]。參照相關(guān)文獻(xiàn)并對(duì)照相關(guān)方面的數(shù)據(jù)[12]，可以確定拇指關(guān)節(jié)的約束力矩為53.2 mNm，四指關(guān)節(jié)約束力矩值為1.143 Nm。

2.4 手部抓握位置設(shè)置

在碰撞過(guò)程中，駕駛員手部主要與方向盤(pán)進(jìn)行交互。為便于探究駕駛員抓握方向盤(pán)不同位置對(duì)人體損傷狀況的影響，將方向盤(pán)按表盤(pán)分布劃分成不同方位。參考相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)駕駛員駕駛習(xí)慣的研究，左手在方向盤(pán)上的位置概率如圖7 所示[10]。

由于雙手抓握方向盤(pán)可以更好的控制車(chē)輛，右手的位置分布與左手對(duì)稱(chēng)，因此根據(jù)圖中手部對(duì)應(yīng)的抓握幾率，選擇3 種不同的雙手抓握位置（如圖8a—8c所示）。同時(shí)考慮到碰撞過(guò)程中，駕駛員的手部會(huì)出現(xiàn)應(yīng)激反應(yīng)而發(fā)生急打方向盤(pán)的動(dòng)作，設(shè)置如圖8d 所示手部抓握動(dòng)作。

3 碰撞結(jié)果分析

對(duì)替換手部模型后的中國(guó)體征假人有限元模型導(dǎo)入LS-DYNA SMP 13.0 進(jìn)行碰撞仿真實(shí)驗(yàn)，通過(guò)與無(wú)手部抓握力碰撞情況下得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析重建模型后駕駛員各部位的損傷數(shù)值，同時(shí)設(shè)置不同駕駛姿態(tài)，研究手部在方向盤(pán)不同位置時(shí)對(duì)自身?yè)p傷數(shù)值的影響。

3.1 假人姿態(tài)響應(yīng)對(duì)比分析

碰撞過(guò)程中車(chē)內(nèi)駕駛員在慣性的作用下身體會(huì)向前傾，而不同的姿態(tài)變化可能會(huì)導(dǎo)致安全氣囊、安全帶等保護(hù)裝置不能提供駕駛員最有效地保護(hù)，從而造成身體各部位損傷程度不同[17]。仿真試驗(yàn)2 種狀態(tài)下的假人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)如圖9 所示，圖中α、β 分別表示碰撞中無(wú)手部抓握與存在手部抓握情況下假人上下臂之間的夾角。

從圖9 可得：碰撞發(fā)生后，車(chē)體減速，假人身體保持向前運(yùn)動(dòng)，受安全帶限制，假人的頭頸部先于上半身前傾。0～60 ms 內(nèi)，2 種狀態(tài)下的假人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)相同。在60 ms 時(shí)，2 種狀態(tài)下的假人頭部開(kāi)始接觸安全氣囊，無(wú)手部抓握力的假人手部已經(jīng)脫離方向盤(pán)。在80 ms 時(shí)，無(wú)抓握力的手部已經(jīng)完全脫離方向盤(pán)，在80～120 ms 之間，手部由于慣性向上運(yùn)動(dòng)，存在手部抓握力的假人上肢運(yùn)動(dòng)姿態(tài)基本保持一致。

在整個(gè)碰撞過(guò)程中，存在手部抓握力的假人，由于手部與方向盤(pán)存在接觸和力的關(guān)系，導(dǎo)致假人在向前運(yùn)動(dòng)的同時(shí)受到向后的作用力，所以相較于無(wú)手部抓握力的假人，頭部與安全氣囊接觸的時(shí)間短，在100 ms時(shí)圖中可以看出存在手部抓握力假人的頭部已經(jīng)脫離安全氣囊。在無(wú)手部抓握力情況下假人手部被氣囊彈飛，在碰撞過(guò)程中α 角的角度變化范圍很小，因此整個(gè)上臂的姿態(tài)變化受限，而有手部抓握力作用的模型由于存在肘部、腕部等相關(guān)關(guān)節(jié)的變化，使β 角的角度變化范圍相對(duì)較大則更顯真實(shí)。

如圖10 所示：2 種姿態(tài)下假人頭部與肩部在X 和Z 方向的位移存在差異，存在手部抓握力假人的頭部在X 與Z 方向的位移峰值小于無(wú)抓握力姿態(tài)下的假人，峰值相對(duì)減小了40.3% 和39.7%。無(wú)抓握力姿態(tài)下的假人肩部在X 方向上的位移峰值相對(duì)存在手部抓握力的假人上升了42.6%，但在Z 方向上存在手部抓握力的假人位移峰值要高于無(wú)手部抓握力姿態(tài)下的假人。由于手部與方向盤(pán)之間存在力的關(guān)系導(dǎo)致存在手部抓握力假人的肘部力峰值和無(wú)手部抓握力假人相比增大了49.4%，而肩部力峰值相對(duì)減小了29.7%。假人頭部與安全氣囊接觸時(shí)間存在10 ms 的差值，下肢與儀表盤(pán)的接觸時(shí)間也同樣存在差異，如表2 所示。

由2 種不同狀態(tài)下的假人姿態(tài)分析可得，通過(guò)設(shè)置手部抓握力，會(huì)對(duì)碰撞環(huán)境下假人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，有較為明顯的影響。

3.2 假人損傷對(duì)比分析

根據(jù)美國(guó)國(guó)家事故中心提供的數(shù)據(jù)以及結(jié)合2021年C-NCAP 管理規(guī)則。為更加全面、準(zhǔn)確分析不同抓握力以及姿態(tài)之間假人損傷的差異性，本文對(duì)假人的頭部、頸部、胸部及下肢等各部位進(jìn)行損傷的對(duì)比分析。

3.2.1 頭部損傷結(jié)果對(duì)比

仿真實(shí)驗(yàn)中模擬駕駛員頭部的損傷，主要考慮在碰撞過(guò)程中駕駛員與汽車(chē)之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，頭部產(chǎn)生加速度而導(dǎo)致頭部受傷。根據(jù)C-NCAP，頭部的主要損傷判斷指標(biāo)為頭部傷害指標(biāo)（head injury criterion，HIC）定義為

從圖11 可知：存在手部抓握力的假人頭部合成加速度峰值要高于無(wú)抓握力狀態(tài)下的假人，且到達(dá)峰值的時(shí)間晚于無(wú)抓握力的假人。分析產(chǎn)生差別的原因：碰撞過(guò)程中手部存在抓握力的情況下，假人的手部力會(huì)傳遞給腕部從而帶動(dòng)肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，上肢彎曲，上臂與下臂之間的夾角減小會(huì)導(dǎo)致加速度增大，從而導(dǎo)致駕駛員頭部合成加速度值變大。

從假人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)上也能明顯看出。在60 ms 無(wú)手部抓握力的假人頭部開(kāi)始接觸安全氣囊的瞬間，上肢受力而發(fā)生姿態(tài)變化。隨之手部被氣囊力彈飛而脫離方向盤(pán)，之后運(yùn)動(dòng)中上臂與下臂的夾角基本上沒(méi)有變化。而存在手部抓握力的假人，在整個(gè)碰撞過(guò)程中上肢姿態(tài)都在變化。由于無(wú)手部抓握力的假人手部與方向盤(pán)脫離，手部與方向盤(pán)之間無(wú)作用力，所以假人頭部與安全氣囊接觸時(shí)間較長(zhǎng)，在X 方向上的運(yùn)動(dòng)速度增大，因此導(dǎo)致到達(dá)峰值的點(diǎn)也相對(duì)提前。

不同抓握位置姿態(tài)下所對(duì)應(yīng)的頭部合成加速度峰值也不相同。與其他3 種姿態(tài)相比，姿態(tài)4 的峰值最大，比最小的姿態(tài)2 頭部合成加速度峰值增大了18.1%，HIC 值增大了19.3%。分析原因：在峰值前后，由于上肢姿態(tài)變化的不同，導(dǎo)致姿態(tài)4 狀態(tài)下的假人頭部旋轉(zhuǎn)角度增大如圖12 所示，造成頭部合成加速度值增大。4 種姿態(tài)、有無(wú)手部抓握力的頭部損傷HIC 及3 ms 合成加速度見(jiàn)表3。

3.2.2 頸部損傷結(jié)果對(duì)比

頸部損傷通過(guò)測(cè)量在碰撞過(guò)程中駕駛員頸部所受到的力與力矩[18-20]，C-NCAP 假人頸部損傷準(zhǔn)則如式（2）所示，以此判斷頸部損傷程度。

式中： Fx 為頸部的剪切力； My 為頸部的彎曲力矩； d 為傳感器中心頭頸交界面的距離。

頸部伸張力矩仿真結(jié)果如圖13 所示。

由圖13 可知：無(wú)手部抓握力假人頸部伸張力矩峰值最高，為99.99 Nm，平均值為28 Nm。相較于手部存在抓握力假人的頸部伸張力矩峰值升高了22.3%，平均值升高了29.5%。分析原因：在碰撞瞬間，汽車(chē)速度降低，假人受慣性影響繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，安全帶起到了約束作用使頭頸部以較快的速度向前運(yùn)動(dòng)，頸部伸張力矩開(kāi)始增大。在40～50 ms 頭部接觸安全氣囊的瞬間開(kāi)始反向增大。手部有抓握力假人的上下臂夾角變小，假人的頭頸部位與未完全充氣的安全氣囊接觸因此提前進(jìn)入減速階段，頸部損傷曲線(xiàn)到達(dá)峰值的時(shí)間點(diǎn)提前，因此相對(duì)受到的沖擊力小，頸部伸張力矩的峰值與平均值相對(duì)沒(méi)有手部抓握力的假人數(shù)值有所降低。

手部處于方向盤(pán)不同位置姿態(tài)下的假人，頸部伸張力矩曲線(xiàn)基本保持一致。最大值為姿態(tài)1 對(duì)應(yīng)的84.02 Nm，與姿態(tài)4 對(duì)應(yīng)的最小值相比增大了12.6%。在30 ms 左右，處于姿態(tài)3 狀態(tài)下的假人由于手臂受安全氣囊擠壓導(dǎo)致身體上半身向前運(yùn)動(dòng)速度變小，因此頸部向前運(yùn)動(dòng)的速度對(duì)應(yīng)變大，所以頸部伸張力矩?cái)?shù)值較大。結(jié)果顯示4 種姿態(tài)下的假人對(duì)頸部損傷數(shù)值影響較小。

3.2.3 胸部損傷結(jié)果對(duì)比

在正面碰撞中，胸部損傷主要來(lái)源于安全帶束縛力、汽車(chē)內(nèi)飾部件以及與方向盤(pán)之間的撞擊[21]。通過(guò)胸部壓縮量來(lái)判斷損傷概率，粘性指數(shù)VC 來(lái)衡量碰撞中的非穿透?jìng)?。仿真結(jié)果如圖14 所示。

由圖14 可知：在60 ms 左右4 種不同抓握位置情況下假人的胸部壓縮量出現(xiàn)峰值，曲線(xiàn)變化趨勢(shì)基本一致。無(wú)抓握力狀態(tài)下假人最大壓縮量為39.93 mm，相對(duì)于存在手部抓握力曲線(xiàn)峰值升高了3%，在50 ms之前兩條曲線(xiàn)變化幅度差別不大，存在手部抓握力狀態(tài)下的假人數(shù)值曲線(xiàn)略高于無(wú)手部抓握力假人的數(shù)值曲線(xiàn)，在之后的時(shí)間無(wú)抓握力的曲線(xiàn)明顯較高。

分析原因，在正面碰撞中，假人胸部壓力來(lái)源于胸前的物品，兩者之間發(fā)生擠壓動(dòng)作形成胸部壓縮量。在碰撞初期假人受慣性而向前運(yùn)動(dòng)，受安全帶束縛作用的影響，胸部壓縮量逐漸增大，存在抓握力的假人手部與方向盤(pán)之間有接觸力，導(dǎo)致假人上肢姿態(tài)變化，從而向前的加速度也相對(duì)增大，因此胸部壓縮量略大。但在50 ms 之后存在手部抓握力的假人與充氣階段的安全氣囊接觸胸部壓縮量數(shù)值開(kāi)始小于手部處于自由狀態(tài)下的假人，受安全氣囊的影響，胸部壓縮量開(kāi)始逐漸減小，存在手部抓握力的假人提前向后運(yùn)動(dòng)，因此胸部壓縮量較無(wú)手部抓握力的假人小。

手部處于方向盤(pán)上不同位置姿態(tài)下的假人，姿態(tài)3 對(duì)應(yīng)的胸部壓縮量值最大，這是因?yàn)榕鲎矔r(shí)手臂向內(nèi)彎曲導(dǎo)致假人運(yùn)動(dòng)加速度過(guò)大。而姿態(tài)4 狀態(tài)下的假人由于手臂在腹部與安全氣囊產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致假人上半身運(yùn)動(dòng)速度變小從而使損傷值較小。結(jié)合粘性指數(shù)曲線(xiàn)得出，碰撞過(guò)程中手部抓握位置在8 點(diǎn)和4點(diǎn)方位時(shí)胸部損傷相對(duì)較大。

3.2.4 下肢損傷結(jié)果對(duì)比

在汽車(chē)發(fā)生碰撞時(shí)，對(duì)腿部的損傷主要來(lái)源于人體腿部與儀表盤(pán)的接觸[22-24]。大腿壓縮力和脛骨指數(shù)TI分別用來(lái)評(píng)估大腿和小腿的損傷，TI 的計(jì)算公式為：

式中： MR 表示合成彎矩； FZ 表示小腿骨軸向力； MR max表示合成彎矩閥值； FZ max 表示小腿骨軸向力閥值。仿真結(jié)果如圖15 所示。

由圖15 可知：無(wú)手部抓握力假人的大腿壓縮力最大值為2.58 kN，存在手部抓握力的假人大腿壓縮力曲線(xiàn)基本一致，上下波動(dòng)較小，其最大值為1.64 kN，相比于無(wú)手部抓握力的假人大腿壓縮力最大值降低了36.5%。存在手部抓握力假人大腿的損傷風(fēng)險(xiǎn)比無(wú)手部抓握力假人小。在碰撞初期，受安全帶的限制，假人的軀干被束縛在座椅上。碰撞中，存在手部抓握力假人的上肢姿態(tài)變化導(dǎo)致假人腿部接觸儀表盤(pán)的時(shí)間點(diǎn)提前，假人提前向后運(yùn)動(dòng)；因此存在手部抓握力假人的大腿壓縮力相對(duì)無(wú)手部抓握力的峰值小。但從圖15a脛骨指數(shù)TI 值可以看出，2 條曲線(xiàn)的峰值和變化趨勢(shì)差別較?。灰虼?，有無(wú)抓握力對(duì)假人小腿的損傷影響較小。

手部處于方向盤(pán)上不同位置姿態(tài)下的假人，姿態(tài)3 對(duì)應(yīng)的大腿壓縮力最大。這是由于碰撞時(shí)手臂向內(nèi)彎曲假人運(yùn)動(dòng)速度過(guò)大導(dǎo)致的。結(jié)合脛骨指數(shù)曲線(xiàn)得出：碰撞過(guò)程中手部抓握位置在8 點(diǎn)和4 點(diǎn)方位，下肢損傷相對(duì)較大。

4 結(jié) 論

通過(guò)研究重建中國(guó)體征測(cè)試假人手部模型的方法，設(shè)置手指關(guān)節(jié)的約束力矩以此實(shí)現(xiàn)駕駛員手部抓握保持力。利用LS-DYNA 軟件構(gòu)建仿真環(huán)境，依據(jù)仿真結(jié)果分析駕駛員手部對(duì)于方向盤(pán)有無(wú)抓握姿態(tài)以及抓握位置對(duì)自身的損傷。結(jié)論如下：

1） 正面碰撞仿真環(huán)境下，假人手部有無(wú)抓握力對(duì)其運(yùn)動(dòng)姿態(tài)有顯著影響，主要表現(xiàn)在假人上肢，存在手部抓握力的假人其手部在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)脫離方向盤(pán)的現(xiàn)象，且對(duì)比無(wú)手部抓握力的假人，下肢姿態(tài)變化也存在差異。

2） 存在手部抓握力的假人相比自由狀態(tài)下的假人，其頭部損傷HIC 峰值增大了37.5%，頸部伸張力矩最大值減小了22.3%，胸部壓縮量峰值減小了3%，大腿壓縮力最大值減小了36.5%。結(jié)果表明在碰撞過(guò)程中，存在手部抓握力對(duì)人體各部位的損傷數(shù)值有顯著差異。

3） 經(jīng)過(guò)對(duì)手部處于方向盤(pán)不同位置時(shí)的假人損傷數(shù)值對(duì)比，碰撞時(shí)抓握位置在9 點(diǎn)和3 點(diǎn)方位時(shí)，頭部損傷相對(duì)較輕，在11 點(diǎn)和4 點(diǎn)方位時(shí)，頸部損傷相對(duì)較輕而在8 點(diǎn)和4 點(diǎn)方位時(shí)，胸部和下肢損傷相對(duì)較為嚴(yán)重。因此抓握位置的不同，也對(duì)汽車(chē)碰撞實(shí)驗(yàn)中人體損傷評(píng)價(jià)有很大的影響，是不可忽視的因素。

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