客車側(cè)翻乘員防護(hù)座椅系統(tǒng)

陳吉清， 黃成杰， 蘭鳳崇

(1.華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，510640 廣州; 2. 廣東省汽車工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華南理工大學(xué))， 510640 廣州)

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客車側(cè)翻乘員防護(hù)座椅系統(tǒng)

陳吉清1, 2， 黃成杰1, 2， 蘭鳳崇1, 2

(1.華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，510640 廣州; 2. 廣東省汽車工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華南理工大學(xué))， 510640 廣州)

摘要:為提高客車側(cè)翻事故中對乘員的保護(hù)能力，減少或避免乘員損傷，根據(jù)客車側(cè)翻中乘員的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、損傷機(jī)理和損傷程度評價(jià)，提出了具有主動(dòng)傾斜約束的ARS(active-tilting restraint system)安全座椅系統(tǒng). 結(jié)合ECE R66法規(guī)，建立了車身段結(jié)構(gòu)-約束系統(tǒng)-乘員組合有限元模型，計(jì)算分析了客車側(cè)翻時(shí)座椅約束系統(tǒng)對乘員不同運(yùn)動(dòng)行為狀態(tài)下的乘員損傷和防護(hù)作用. 與原座椅系統(tǒng)的對比分析可知，ARS座椅在客車側(cè)翻時(shí)有效地約束了乘員的運(yùn)動(dòng)軌跡確保其在生存空間內(nèi)，避免了被撞擊側(cè)乘員超出生存空間而受到損傷，且乘員的頭部和胸部等損傷指標(biāo)HIC(head injury criteria)和TTI(thoracic trauma index)均得到有效改善. 研究結(jié)果表明:ARS座椅在客車側(cè)翻中施加相對于翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的回正作用能有效保證乘員的生存空間，同時(shí)經(jīng)約束客車乘員的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)提高了其損傷防護(hù)能力.

關(guān)鍵詞:客車結(jié)構(gòu)； 側(cè)翻； 人體損傷； 生存空間； 約束系統(tǒng)； ARS座椅

2010—2013年期間，客車側(cè)翻事故每年造成的人員死亡人數(shù)分別約占客車事故死亡人數(shù)的31%、35%、32%和39%，而側(cè)翻事故造成的人員受傷人數(shù)分別約占客車事故受傷人數(shù)的48%、47%、42%和46%. 客車側(cè)翻是速度快、持續(xù)時(shí)間短的碰撞事故，乘員在事故中沒有自主防護(hù)能力. 即使在使用安全帶的條件下，大變形的車身依然會(huì)擠壓到部分乘員的頭部和軀干，對其安全造成危害[1]. 可見客車在側(cè)翻情況下對乘客的保護(hù)作用有限，提高乘員保護(hù)能力是當(dāng)下客車安全的研究重點(diǎn). 近年來，客車側(cè)翻碰撞問題在國內(nèi)外受到較大關(guān)注，歐洲和美國分別頒發(fā)法規(guī)用于評價(jià)客車的質(zhì)量. 眾多專家學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)根據(jù)法規(guī)對客車的側(cè)翻安全性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究與仿真分析，探索碰撞過程中車身的力學(xué)行為與變形機(jī)理. 歐洲“提升客車乘員安全性”項(xiàng)目[2]在這些方面做得最為全面和深入. 為了減少側(cè)翻時(shí)車身的變形，通過在車身上應(yīng)用復(fù)合材料、改進(jìn)客車局部結(jié)構(gòu)等途徑提高了車身的側(cè)翻耐撞性. 其中Ko等[3]為了研究新型材料車身結(jié)構(gòu)的耐撞性，將蜂窩鋁和玻璃纖維組成的三明治結(jié)構(gòu)應(yīng)用到了低地板客車上，減少了碰撞時(shí)的車身整體變形；邰永剛等[4]為了研究客車的耐撞性，通過仿真計(jì)算分析出車身結(jié)構(gòu)變形過大的局部區(qū)域，并針對該區(qū)域提出了車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案；李毅[5]為了改善某型客車的側(cè)翻安全性，通過仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證研究了不同客車上部結(jié)構(gòu)形式對側(cè)翻耐撞性的影響；Guler等[6]研究了不同的安全帶使用條件下不同位置乘客在側(cè)翻時(shí)受傷的風(fēng)險(xiǎn)程度，發(fā)現(xiàn)乘員約束系統(tǒng)對乘客的保護(hù)作用很顯著. 但是與乘用車相比，客車的車體大、質(zhì)量大且重心高，側(cè)翻事故頻發(fā)，沒有充足的吸能變形區(qū). 這些因素對客車的乘員防護(hù)能力提出了要求. 為此歐盟ECE R66法規(guī)[7]提出了生存空間概念, 在側(cè)翻的過程中生存空間不受侵入是客車側(cè)翻安全性的重要指標(biāo). 然而，在事故過程中乘員的運(yùn)動(dòng)軌跡不可避免地超出了生存空間，原因是乘員有向側(cè)圍運(yùn)動(dòng)的慣性，并且兩點(diǎn)式安全帶對乘員頭部和軀干的約束效果有限[1]. 因此，研究在現(xiàn)有客車車身設(shè)計(jì)水平和制造工藝條件下，通過改善乘員約束系統(tǒng)的性能與功能，減低乘員在側(cè)翻過程中的受傷風(fēng)險(xiǎn)，具有重要意義. 本文針對客車座椅的功能結(jié)構(gòu)和側(cè)翻防護(hù)能力不足的問題，提出了結(jié)構(gòu)可靠、便于安裝的新型安全座椅——ARS座椅. 與傳統(tǒng)客車座椅相比ARS座椅可以在客車側(cè)翻時(shí)主動(dòng)向過道側(cè)傾倒，保護(hù)乘員遠(yuǎn)離撞擊區(qū)域.

1客車側(cè)翻乘員損傷機(jī)理

1.1車身-約束系統(tǒng)-乘員組合有限元模型

客車車身段能有效反映側(cè)翻過程中車身的力學(xué)行為與乘員保護(hù)能力. 歐盟ECE R66法規(guī)規(guī)定，在客車側(cè)翻安全性研究中，車身段與整車的研究效果是等價(jià)的，法規(guī)提出的生存空間，如圖1所示. 本文以客車車身段為研究對象，建立車身段有限元模型并構(gòu)建生存空間，如圖2所示. 車身段截取于整車中部，由兩個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)組成，當(dāng)中包含有4個(gè)座椅，車身段結(jié)構(gòu)可分為頂蓋、地板、底架和側(cè)圍，長寬高分別為1 640、2 532、3 050 mm，有限元模型的形狀、幾何尺寸、材料和連接方式均與實(shí)車保持一致. 采用殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模型主要由四邊形單元和少量的三角形單元組成，其中四邊形單元47 836個(gè)，三角形單元120個(gè)，剛性單元354個(gè)，所有的焊接關(guān)系通過共節(jié)點(diǎn)和剛性連接來模擬，不考慮焊點(diǎn)失效. 此車身段結(jié)構(gòu)的模型已在試驗(yàn)中得到驗(yàn)證[1]，通過車身段制造和試驗(yàn)考察車身段在側(cè)翻過程中生存空間的相對侵入量和車身上部結(jié)構(gòu)截面對角線的相對變形量(見圖3). 仿真分析運(yùn)用Ls-Dyna求解器，分析結(jié)果與側(cè)翻試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)曲線如圖4、5所示，曲線的形狀、趨勢和峰值等方面均有良好的相符性，驗(yàn)證了有限元模型的仿真精度. 生存空間侵入量的初始值為231.06 mm，試驗(yàn)和仿真分析均表明生存空間沒有被侵入.

(a)生存空間尺寸　　　(b) 左右不對稱結(jié)構(gòu)生存空間

(a)前方視圖　　　　　　　　　(b) 側(cè)方視圖

圖3　數(shù)據(jù)測量位置

圖4　車身段側(cè)翻過程生存空間相對侵入量

圖5　車身段側(cè)翻過程截面對角線相對變形

為了研究側(cè)翻時(shí)人體損傷機(jī)理，在車身段模型中加入4個(gè)假人模型和側(cè)窗玻璃模型以構(gòu)建成車身-約束系統(tǒng)-乘員組合模型，如圖2所示. 假人模型選用LSTC Hybrid Ⅲ 50th男性假人，由4 376個(gè)單元和7 402個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，質(zhì)量97.13 kg，其中頭部6.27 kg，軀干50.36 kg，腿部26.56 kg，手部13.94 kg，對假人進(jìn)行從左到右編號，分別為D1、D2、D3和D4. 以兩點(diǎn)式安全帶作為乘員約束系統(tǒng)，安全帶由織物構(gòu)成，單位長度的質(zhì)量為0.6 kg，模擬仿真時(shí)每條安全帶由516個(gè)三角形殼單元和327個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，受拉的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以在“MAT-SEATBELT”卡片中設(shè)置，如圖6所示. 側(cè)窗玻璃使用四邊形殼單元模擬，密度為2.5×103kg/m3，彈性模量72 GPa，泊松比0.23，厚度為10 mm. 每面玻璃由600個(gè)四邊形單元和756個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，玻璃與側(cè)窗立柱和頂邊縱梁之間采用共節(jié)點(diǎn)連接.

圖6　安全帶受拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線

1.2乘員損傷過程分析

運(yùn)用Ls-Dyna求解器對車身段有限元模型進(jìn)行仿真計(jì)算. 整個(gè)撞擊過程持續(xù)500 ms，車身上部結(jié)構(gòu)變形主要集中在首次撞擊發(fā)生時(shí)，位于側(cè)窗立柱與艙門立柱接頭處，側(cè)翻過程生存空間沒有被侵入，車身結(jié)構(gòu)滿足ECE R66要求. 然而，靠近撞擊側(cè)的D1雖然得到約束保護(hù)，但頭部和軀干右半部分仍暴露在生存空間以外；車身上部結(jié)構(gòu)與地面撞擊時(shí)發(fā)生了大變形，生存空間未受到侵入時(shí)乘客已經(jīng)受到比較嚴(yán)重的損傷，如圖7所示，乘客D1在t=145 ms時(shí)刻與車窗發(fā)生了撞擊，其頭部和軀干位于側(cè)窗與生存空間之間.

乘客D1與車身撞擊的撞擊力曲線如圖8所示. 撞擊峰值出現(xiàn)在145 ms時(shí)刻，峰值為12 338 N，撞擊部位是乘客D1的頭部和肩部. 此次仿真分析中車窗沒有碎裂，但側(cè)翻事故多伴隨車身有較大的縱向速度，且車身常與道路的基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)生二次撞擊，車窗碎裂而乘客被拋出車外或者遭受來自車體外部物體撞擊而傷亡的案例多不勝數(shù)[8]. 綜上所述，乘客在側(cè)翻事故中極易超出生存空間并遭受損傷. 為此，本研究提出一種可以在側(cè)翻事故中主動(dòng)傾斜的新型安全座椅系統(tǒng)，減少側(cè)翻事故中的乘客損傷.

圖7　145 ms時(shí)刻側(cè)翻仿真分析

(a) 撞擊

(b) 撞擊力曲線

2安全座椅系統(tǒng)

2.1系統(tǒng)組成

ARS座椅由傳感器(陀螺儀和加速度計(jì))、電子控制單元以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，工作流程如圖9所示.

圖9　安全座椅系統(tǒng)組成

陀螺儀和加速度傳感器位于客車車身的乘員艙地板處，其中陀螺儀負(fù)責(zé)測量車身的側(cè)傾角速度，加速度傳感器負(fù)責(zé)測量車身的側(cè)傾角加速度，經(jīng)過卡爾曼濾波[9]后可以準(zhǔn)確計(jì)算出實(shí)時(shí)的車身側(cè)傾角度. 車身側(cè)傾角度達(dá)到45°被視為具有側(cè)傾危險(xiǎn)，達(dá)到此角度時(shí)電子控制單元會(huì)發(fā)出信號到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，ARS座椅隨即激活.

ARS座椅系統(tǒng)由座椅和座椅架組成，其中可以傾斜的座椅架是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分. 如圖10(b)所示，座椅架由框架、腳架、彈簧、曲柄、伸縮桿、定位機(jī)構(gòu)組成. 其中框架4與腳架2、伸縮桿6、伸縮桿7之間采用鉸接；伸縮桿7與曲柄1焊接，焊接后兩者與腳架2鉸接；定位機(jī)構(gòu)5由伺服電機(jī)和定位銷組成，用于鎖止伸縮桿6的上桿與下桿；腳架2固定于車身地板上，伸縮桿6與地板鉸接；彈簧3連接曲柄和腳架上端的橫桿，處于拉伸狀態(tài)的彈簧為座椅的傾倒提供動(dòng)力.

1—曲柄;2—腳架;3—彈簧;4—框架;5—定位機(jī)構(gòu);6,7—伸縮桿

2.2系統(tǒng)工作原理

座椅架的動(dòng)力來源于處在拉伸狀態(tài)的彈簧，彈簧剛度100 N/mm，預(yù)拉伸行程為50 mm. 定位機(jī)構(gòu)通過定位銷鎖住伸縮桿，當(dāng)車身側(cè)傾達(dá)到45°時(shí)電控單元控制定位機(jī)構(gòu)中的伺服電機(jī)解除伸縮桿上的定位銷，處于拉伸狀態(tài)的彈簧能量得到釋放，彈簧的收縮帶動(dòng)曲柄旋轉(zhuǎn)，座椅架在500 ms之內(nèi)傾斜25°然后停止， 因而乘員在客車側(cè)翻時(shí)可以遠(yuǎn)離撞擊側(cè). 用Adams動(dòng)力學(xué)仿真軟件對座椅架的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖11所示. 圖中當(dāng)t=0 ms時(shí)即車身側(cè)傾角達(dá)到45°的狀態(tài)，定位銷解除定位，座椅架在彈簧拉力的作用下開始傾斜；當(dāng)t=250 ms時(shí)座椅架傾斜角度為10度，圖中可以看出伸縮桿有縮短，座椅框架明顯傾斜；直到t=500 ms時(shí)座椅架的傾斜達(dá)到設(shè)計(jì)角度25°，傾斜結(jié)束. 座椅架的傾斜過程中機(jī)械機(jī)構(gòu)未發(fā)生干涉，彈簧拉力使框架在500 ms內(nèi)實(shí)現(xiàn)25°的傾斜，仿真結(jié)果表明設(shè)計(jì)滿足防護(hù)要求.

(a) 0 ms 　　　　　 　　　　　　　　(b) 250 ms　　　　　　　　　　　　　(c) 500 ms

3安全座椅系統(tǒng)有效性評價(jià)

3.1側(cè)翻仿真分析

使用安全座椅后的側(cè)翻歷程如圖12所示. 碰撞過程仍約持續(xù)500 ms，車身上部結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大變形，但生存空間并沒有被侵入，車身安全性符合ECE R66法規(guī)要求. 側(cè)翻撞擊過程可以分為以下4個(gè)階段：1)預(yù)備觸地階段. 由于ARS座椅系統(tǒng)的作用使得座椅向過道側(cè)傾斜，位置靠近車身側(cè)圍的假人D1和D4的上半身只有一個(gè)手臂位于生存空間以外，靠近過道側(cè)的D2和D3假人沒有因?yàn)樽蔚膬A斜而發(fā)生接觸，ECE R66法規(guī)的保護(hù)機(jī)制能對乘員安全起到防護(hù)作用. 2)觸地階段. 車身上部結(jié)構(gòu)在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生了較大的變形，其中撞擊側(cè)的側(cè)窗立柱變形最為嚴(yán)重，造成立柱與生存空間的距離急劇減小，但車身剛度足夠抵御撞擊能量，生存空間沒有被侵入. 假人姿態(tài)與觸地前相比變化不大，但由于慣性作用具有離開座椅并向撞擊側(cè)移動(dòng)的傾向. 3)反彈階段. 車身觸地后出現(xiàn)反彈，材料的彈性恢復(fù)使車身上部結(jié)構(gòu)的變形也相應(yīng)有所減小. 假人由于慣性作用離開座椅向撞擊側(cè)運(yùn)動(dòng)，不過安全帶把它們約束在座椅上. 其中D1假人的頭部和軀干均有小部分運(yùn)動(dòng)到生存空間以外，但ARS座椅系統(tǒng)將D1的姿態(tài)很好地控制住使其未與車身接觸. 得益于安全帶的作用，其余3個(gè)假人始終在生存空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)，并且頭部和軀干等重要部位之間沒有發(fā)生相互撞擊. 4)再次下降階段. 首次觸地大變形后，車身開始再次下降并與地面撞擊，直到撞擊結(jié)束，乘員安全在此階段并未受到威脅.

(a) 0 ms 　　　　　　　　　　　　　　　(b) 100 ms 　　　　　　　　　　　　　　　　(c) 200 ms

(d) 300 ms 　　　　　　　　　　　　　　　(e) 400 ms 　　　　　　　　　　　　　　　　(f) 500 ms

在側(cè)翻過程中，4個(gè)假人都有離開座椅向撞擊側(cè)移動(dòng)的趨勢，其中D1假人在車身大變形時(shí)更是有小部分運(yùn)動(dòng)到生存空間以外，但總體上ARS座椅系統(tǒng)很好地控制住假人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，在保證非撞擊側(cè)乘員安全的同時(shí)，避免了使用原座椅時(shí)撞擊側(cè)假人與車身的直接接觸，與使用原座椅的圖7相比側(cè)翻安全性得到提升. 需要指出，采用ARS座椅后位于過道側(cè)的假人D2和D3的相對距離與原座椅相比有所減小，但是合理的座椅傾角保證了D2和D3在整個(gè)側(cè)翻過程中都保持著安全距離，其頭部和軀干等重要部位并沒有因?yàn)橄鄬嚯x的減小而發(fā)生接觸. 從整個(gè)側(cè)翻歷程的分析可以得知，ECE R66法規(guī)所規(guī)定的生存空間因?yàn)锳RS座椅系統(tǒng)的應(yīng)用而更加符合乘客防護(hù)的規(guī)律要求，ARS座椅系統(tǒng)對乘客保護(hù)具有顯著作用.

3.2人體損傷評價(jià)

客車側(cè)翻的人體損傷基本上發(fā)生在車身與地面碰撞后，人體再與車身撞擊的二次碰撞階段，與人體組織相比車身結(jié)構(gòu)的剛強(qiáng)度很大，人體與車身沖擊接觸瞬間的機(jī)械沖擊載荷致使人體損傷. 側(cè)翻時(shí)的人體損傷部位主要集中在靠近車身外側(cè)座椅的乘客的頭部和胸部，本文將針對不同的安全座椅系統(tǒng)使用情況，對乘客的頭部以及胸部損傷進(jìn)行深入的分析評價(jià)，以此評判安全座椅系統(tǒng)的有效性.

1)頭部傷害指數(shù)(HIC)廣泛用于評價(jià)人體在事故中的頭部損傷程度，計(jì)算公式[10]為

(1)

式中：t1,t2為使得HIC達(dá)到最大值的脈沖初始和終止時(shí)刻，其間隔不大于36 ms；a(t)為合成加速度.

HIC值達(dá)到1 000被認(rèn)為發(fā)生AIS3級以上的頭部損傷風(fēng)險(xiǎn)為24.4%；HIC值達(dá)到2 000被認(rèn)為發(fā)生AIS3級以上的頭部損傷風(fēng)險(xiǎn)為93.9%[11]. 因此通常將HIC=1 000作為頭部損傷的安全界線，在設(shè)計(jì)階段認(rèn)為HIC≤700是安全范圍. Hybrid III假人的頭部有加速度傳感器，通過在仿真分析中獲得的頭部合成加速度歷程曲線，并結(jié)合式(3)可以有效計(jì)算假人的HIC值，其中使用安全座椅和原座椅的假人頭部100～200 ms時(shí)間段的合成加速度歷程曲線如圖13～16所示. 頭部合成加速度歷程曲線可以很直觀地展現(xiàn)出乘員頭部的受沖擊狀況. 在圖13的D1頭部合成加速度歷程曲線中，未使用安全座椅時(shí)合成加速度約在146 ms時(shí)出現(xiàn)明顯的曲線峰值，峰值為80.63g. 原因是未使用安全座椅系統(tǒng)時(shí)乘員D1在側(cè)翻事故時(shí)頭部大部分暴露在生存空間以外，并且在車身上部結(jié)構(gòu)變形時(shí)頭部與車窗發(fā)生碰撞所致，運(yùn)用式(1)可以計(jì)算出原座椅結(jié)構(gòu)情況下乘客D1的HIC值為530.47. 而使用了安全座椅以后，避免了乘員與車身之間的二次碰撞，乘員頭部絕大部分時(shí)間能控制在生存空間以內(nèi)，因此其頭部合成加速度歷程曲線沒有明顯的曲線峰值，最大值為45.03g，下降了44.15%，HIC值為206.97，下降了60.98%. 可見使用安全座椅系統(tǒng)后，處于靠近撞擊側(cè)的乘員HIC值下降較為明顯. 圖14所示的D2頭部合成加速度歷程曲線中，兩種方案的曲線均未出現(xiàn)明顯的峰值，曲線總體呈震蕩波動(dòng)狀態(tài)，使用原座椅的曲線振幅和頻率比使用ASR座椅時(shí)要大. 原座椅方案的曲線峰值和HIC值分別為31.35g和163.51，ARS座椅方案的曲線峰值和HIC值分別為37.24g和170.21，兩種方案的數(shù)據(jù)差異不大，可以從一定程度上反映出D2位置在客車側(cè)翻相對安全.

圖13　乘客D1頭部合成加速度歷程曲線

圖14　乘客D2頭部合成加速度歷程曲線

圖15為D3的頭部合成加速度歷程曲線，兩種方案中原座椅在149 ms時(shí)刻出現(xiàn)了較為明顯的波峰，峰值為53.75g，而ARS座椅方案的合成加速度曲線并未出現(xiàn)較為明顯的波峰，峰值出現(xiàn)在168 ms處，值為38.52g，兩種方案的HIC值分別為230.21、172.34. 觀察側(cè)翻的仿真歷程得知，D3假人使用原座椅方案在149 ms時(shí)刻出現(xiàn)了較為明顯的“回拉”現(xiàn)象，即乘員有被拋出的趨勢，而安全帶及時(shí)將其約束在座椅上防止乘員拋出，而使用ARS座椅方案時(shí)座椅傾角發(fā)生了變化，向通道側(cè)傾倒的D3假人的在146 ms時(shí)刻速度方向發(fā)生了改變，從而避免了“回拉”. 圖16為D4頭部合成加速度歷程曲線，兩種方案的曲線在146 ms時(shí)均出現(xiàn)了明顯的峰值，這是由于乘員位置遠(yuǎn)離車輛翻轉(zhuǎn)中心，運(yùn)動(dòng)的線速度較大，乘員在此時(shí)有被拋出的趨勢而安全帶系統(tǒng)把乘員約束在座椅上所導(dǎo)致的，峰值并排撞擊造成的,因而頭部合成加速度峰值分別為51.23g和53.68g，HIC值分別為260.38、265.47. 分析后可以知道，ARS座椅系統(tǒng)的防護(hù)作用對撞擊側(cè)位置的乘員有較為明顯的保護(hù)作用，而遠(yuǎn)離撞擊側(cè)的乘員安全同樣也得到保障.

圖15　D3頭部合成加速度歷程曲線

圖16　D4頭部合成加速度歷程曲線

2)側(cè)面撞擊胸部傷害指數(shù)(TTI)是美國聯(lián)邦汽車安全標(biāo)準(zhǔn)采用的評判乘員側(cè)面撞擊損傷的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，是綜合考慮了乘員年齡以及體重因素所提出的胸部傷害指標(biāo)[12-13]. 對于50百分位的男性假人，側(cè)面撞擊胸部傷害指數(shù)通常用TTId表示，其計(jì)算公式[14]為

(2)

式中：Gr為上肋骨或者下肋骨加速度中的較大者；Gls為下脊骨峰值加速度.

與HIC值相似，TTId值與乘員胸部損傷之間有著密切的聯(lián)系. 美國聯(lián)邦汽車安全標(biāo)準(zhǔn)FMVSS214[15]中規(guī)定TTId值超過85g時(shí)可以認(rèn)為乘客較大可能有生命危險(xiǎn). 圖17、18中的曲線是靠近撞擊側(cè)的乘客D1的上肋骨加速度和下脊骨加速度在時(shí)間100～200 ms之間的加速度歷程曲線，由于遠(yuǎn)離撞擊側(cè)的其他3位乘客的胸部始終沒有遭受撞擊，因此乘客D1是座椅系統(tǒng)乘員分析的關(guān)鍵. 在曲線中讀取加速度峰值，并通過式(2)可以計(jì)算得出假人在使用安全座椅系統(tǒng)條件下和原座椅條件下的TTId值. 從曲線可以得知，紅色曲線代表的原座椅情況下的加速度峰值明顯大于藍(lán)色曲線所代表的使用ARS座椅情況，計(jì)算結(jié)果如表1所列.

圖17　D1的Gr加速度歷程曲線

圖18　D1的Gls加速度歷程曲線

使用條件Gr/gGls/gTTId/g原座椅97.2760.4778.87ASR座椅系統(tǒng)58.4123.1540.78

使用安全座椅后側(cè)面撞擊胸部傷害指數(shù)(TTI)有明顯的下降，下降幅度達(dá)到了48.29%. 雖然車身與座椅原結(jié)構(gòu)和乘員約束系統(tǒng)的配合可以把TTId值控制在80g左右，就是說在側(cè)翻事故中乘員不會(huì)有生命危險(xiǎn)；但ASR座椅系統(tǒng)的介入使TTId值控制在40g左右，TTId值下降幅度較大，可見其可以避免側(cè)翻事故中乘客與客車車身的碰撞，提高了車身安全性和乘客保護(hù)能力.

4結(jié)論

1)在客車車身段結(jié)構(gòu)模型得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，按照客車乘員的乘坐狀態(tài)，建立了車身段結(jié)構(gòu)-約束系統(tǒng)-乘員聯(lián)合有限元分析模型，實(shí)現(xiàn)了對不同工況下及側(cè)翻中客車車身結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)、生存空間、乘員運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與損傷的綜合分析和評價(jià).

2)針對現(xiàn)有的客車結(jié)構(gòu)在乘員保護(hù)方面存在不足，座椅系統(tǒng)對乘員運(yùn)動(dòng)軌跡的限制不足，在側(cè)翻事故中乘員容易超出生存空間，并且盡管在生存空間沒被侵入的情況下乘員依然受到損傷,提出了具有主動(dòng)傾斜約束的ARS(active-tilting restraint system)安全座椅系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)客車側(cè)翻時(shí)主動(dòng)向過道側(cè)傾斜，以保護(hù)乘員遠(yuǎn)離撞擊區(qū)域，提高客車對乘員的保護(hù)能力，減少或避免乘員損傷.

3) 對有無使用ARS的座椅系統(tǒng)的對比分析表明，ARS座椅在側(cè)翻事故分析中，確保不同座位的乘員的生存空間，以頭部和胸部損傷指標(biāo)HIC和TTI評價(jià)的損傷程度得到有效控制，特別地，撞擊側(cè)乘員的HIC值比無ARS的座椅下降了60.98%，TTI值比原座椅下降了48.29%.

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(編輯魏希柱)

Occupant protection seat system of coach rollover

CHEN Jiqing1,2, HUANG Chengjie1,2, LAN Fengchong1,2

(1.School of Mechanical & Automotive Engineering, South China University of Technology, 510640 Guangzhou， China;2.Guangdong Provincial Key Laboratory of Automotive Engineering(South China University of Technology)，510640 Guangzhou， China)

Abstract:In order to improve the occupant protection in coach rollover accident to reduce or avoid injury of occupants, according to the occupant’s body motion behaviors, injury mechanism and injury level, an ARS (active-tilting restraint system) safty seat is originally proposed. A compound finite element model (FEM) combining coach body segmental structure, restraint system and occupant is developed via the items of ECE R66 to analyze and realize different occupant injury protection capability of the two kinds of seat restraint systems, with and without the ARS. The comparative calculation and analysis results express that during coach rollover the ARS seat effectively guarantees occupant motion within residual space, avoiding occupant body impact side going beyond it to be injured; and making HIC (head injury criteria) and TTI(thoracic trauma index) improved. The research concludes that the ARS seat can keep the occupants within the residual space preventing from impacting coach body by initiative pulling back against rollover to restrain the body’s motion, and enhance occupant protection of coach body.

Keywords:coach body structure; rollover; occupant injury; residual space; restraint system; ARS seat

中圖分類號:U463.82

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:0367-6234(2016)03-131-07

通信作者:蘭鳳崇，fclan@scut.edu.cn.

作者簡介:陳吉清(1966—)，女，教授，博士生導(dǎo)師;蘭鳳崇(1959—)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金(51375170); 廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014B010106002;2015A030313213).

收稿日期:2014-07-01.

doi：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.03.022