側(cè)面碰撞中兒童測(cè)試假人與人體模型動(dòng)態(tài)響應(yīng)差異性研究

張學(xué)榮+黃碩+許長(zhǎng)龍+周進(jìn)寶

摘 要：采用計(jì)算機(jī)仿真和試驗(yàn)相結(jié)合的方法，根據(jù)ECE R129法規(guī)在多剛體動(dòng)力學(xué)分析軟件（Mathematical Dynamic Model，MADYMO）中建立Q3兒童測(cè)試假人和Facet兒童人體模型的正碰和側(cè)碰仿真模型[1]。通過(guò)臺(tái)車(chē)碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證所建仿真模型的有效性，研究在側(cè)碰情況下，Q3兒童測(cè)試假人和Facet兒童人體模型動(dòng)態(tài)響應(yīng)的差異性。仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在側(cè)面碰撞時(shí)，Q3兒童測(cè)試假人回彈過(guò)程中側(cè)傾角度明顯大于Facet兒童人體模型，二者頭部加速度曲線(xiàn)以及傷害值較為吻合，但胸部3 ms合成加速度相差較大。研究結(jié)果表明，Q3兒童測(cè)試假人胸椎相比Facet人體模型剛度較大，Q3兒童測(cè)試假人胸椎、腰椎生物仿真度有待進(jìn)一步提高。

關(guān)鍵詞：側(cè)碰；動(dòng)態(tài)響應(yīng)；假人；兒童安全；人體模型

中圖分類(lèi)號(hào)：U461.91文獻(xiàn)標(biāo)文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文獻(xiàn)標(biāo)DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2016.06.11

Abstract：By the method of combining the computer simulation and test， according to the requirements of ECE R129 regulations， for both Q3 dummy and Facet human model， the simulations of frontal and side impacts were conducted in MADYMO and verified by frontal crash tests. The paper studies the difference in dynamic response between the Q3 test dummy and human model under side impact conditions. The results show that the roll angle of Q3 test dummy is greater than that of human model in the process of rebound. The two head acceleration curves and both the damage values are consistent； however， the difference in chest 3 ms synthetic acceleration is large. The study shows that the stiffness of Q3 dummy is greater than that of human model， and the biofidelity of the test dummy should be improved in the thoracic and lumbar regions.

Keywords：side crash； dynamic response； dummy； child safety； human model

隨著乘車(chē)安全知識(shí)的普及，兒童約束系統(tǒng)已被廣泛使用。目前，兒童安全座椅的保護(hù)性能主要通過(guò)兒童測(cè)試假人來(lái)評(píng)價(jià)。兒童測(cè)試假人與真實(shí)人體動(dòng)態(tài)響應(yīng)的差異性對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果有著至關(guān)重要的影響[2]。

但是現(xiàn)有的安全座椅在交通事故中的表現(xiàn)卻和試驗(yàn)研究中的結(jié)果存在一定差異。本文以歐洲某公司的調(diào)查報(bào)告為背景，該報(bào)告指出，在歐洲消費(fèi)者測(cè)試中獲得“極好”評(píng)價(jià)的兒童安全座椅安裝在安全星級(jí)為頂級(jí)的車(chē)輛中，兒童安全座椅卻沒(méi)能有效地將兒童測(cè)試假人約束住，兒童測(cè)試假人被拋出安全座椅；然而在交通事故統(tǒng)計(jì)中，使用前置護(hù)體型兒童約束系統(tǒng)的兒童乘員并沒(méi)有被拋出安全座椅[3]。由此可知，現(xiàn)有的兒童測(cè)試假人在試驗(yàn)研究中并不能真實(shí)地反映人體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。本課題據(jù)此進(jìn)行相關(guān)研究，找出兒童測(cè)試假人與真實(shí)人體動(dòng)態(tài)響應(yīng)的差異所在，分析產(chǎn)生差異的根本原因。

1 仿真模型的建立

碰撞臺(tái)車(chē)仿真模型是兒童測(cè)試假人與Facet兒童人體模型動(dòng)態(tài)響應(yīng)差異性研究的關(guān)鍵，本文根據(jù)ECE R129法規(guī)分別建立正面、側(cè)面碰撞臺(tái)車(chē)仿真模型[4]。在Hypermesh軟件中進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，將有限元模型導(dǎo)入MADYMO軟件中模擬碰撞環(huán)境。

1.1 兒童安全座椅仿真模型建立

本研究采用的兒童約束系統(tǒng)模型為某公司開(kāi)發(fā)的前置護(hù)體型兒童安全座椅，將兒童安全座椅模型導(dǎo)入兒童安全座椅有限元模型，如圖1所示。

賦予各個(gè)部件相應(yīng)的材料和屬性，對(duì)各個(gè)部件進(jìn)行適當(dāng)配重。有限元模型單元節(jié)點(diǎn)信息見(jiàn)表1。

1.2 碰撞臺(tái)車(chē)座椅仿真模型建立

根據(jù)ECE R129法規(guī)建立碰撞臺(tái)車(chē)座椅模型。臺(tái)車(chē)座椅坐墊和靠背材料為聚氨酯泡沫，密度為43 kg/m3，材料特性通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得。

1.3 側(cè)面碰撞仿真模型的建立

本研究建立的側(cè)面碰撞仿真臺(tái)車(chē)模型為加速型試驗(yàn)臺(tái)車(chē)。根據(jù)ECE R129法規(guī)，在正面碰撞仿真模型的基礎(chǔ)上加入碰撞滑車(chē)模型[5-6]，滑車(chē)上的門(mén)板結(jié)構(gòu)用以模擬車(chē)門(mén)入侵。

正面碰撞仿真模型建模步驟如下：

（1）將兒童安全座椅和臺(tái)車(chē)座椅有限元模型分別導(dǎo)出為K文件格式，將K文件中網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)信息分別導(dǎo)入MADYMO軟件中。

（2）通過(guò)預(yù)模擬方法對(duì)兒童安全座椅模型和假人模型（本研究采用的是Q系列3歲兒童假人）進(jìn)行初始定位。

（3）根據(jù)ECE R129法規(guī)確定安全帶D環(huán)、帶扣以及錨點(diǎn)的位置建立多剛體安全帶模型；定義安全帶預(yù)緊器及卷收器，輸出安全帶各時(shí)刻的拉力及有限元安全帶模型的節(jié)點(diǎn)信息；將兒童安全座椅模型固定在質(zhì)心位置，定義安全帶模型與兒童安全座椅模型的接觸，設(shè)置相關(guān)參數(shù)后提交計(jì)算；選取安全帶拉力達(dá)到60 N時(shí)的安全帶位置作為仿真初始位置；重新導(dǎo)入安全帶有限元模型節(jié)點(diǎn)信息。

加速型碰撞臺(tái)車(chē)仿真模型具體建模步驟如下：

（1）在ECE R129法規(guī)中，側(cè)面碰撞仿真模型在正面碰撞仿真模型基礎(chǔ)上加入侵入門(mén)板結(jié)構(gòu)。侵入門(mén)板主要由10 mm厚的鋼板以及50 mm厚的填充材料組成，對(duì)侵入門(mén)板結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。

（2）將侵入門(mén)板有限元模型導(dǎo)出后導(dǎo)入Madymo軟件中，側(cè)面碰撞仿真模型如圖2所示。圖2a為Q系列兒童假人側(cè)面碰撞仿真模型，圖2b為Facet兒童人體模型側(cè)面碰撞仿真模型。

2 碰撞仿真模型有效性驗(yàn)證

2.1 碰撞仿真環(huán)境設(shè)定

按照正面碰撞臺(tái)車(chē)試驗(yàn)方法進(jìn)行相應(yīng)的仿真，正面碰撞臺(tái)車(chē)試驗(yàn)如圖3所示。給正面碰撞仿真模型施加與臺(tái)車(chē)試驗(yàn)中相同的加速度波形，加速度波形如圖4所示。

ECE R129法規(guī)中對(duì)碰撞臺(tái)車(chē)試驗(yàn)加速度波形有明確規(guī)定，加速度波形須處于規(guī)定波形區(qū)間，具體波形區(qū)間如圖5所示。

2.2 碰撞仿真模型有效性驗(yàn)證

仿真模型有效性驗(yàn)證主要包括運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)驗(yàn)證和動(dòng)力學(xué)響應(yīng)驗(yàn)證。運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)主要包括兒童安全座椅模型的變形情況以及兒童假人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)等；動(dòng)力學(xué)響應(yīng)主要包括兒童假人的頭部、胸部、髖部加速度響應(yīng)時(shí)間歷程曲線(xiàn)以及兒童假人的傷害指標(biāo)等[7]。

2.2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)有效性驗(yàn)證

對(duì)比仿真動(dòng)畫(huà)以及臺(tái)車(chē)試驗(yàn)錄像，對(duì)仿真模型運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)證[5]，圖6所示為仿真與試驗(yàn)中兒童假人運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)對(duì)比。

由圖6可知，不同時(shí)刻仿真模型中兒童假人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)與碰撞臺(tái)車(chē)試驗(yàn)中兒童測(cè)試假人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)基本一致，兒童安全座椅模型變形程度與試驗(yàn)基本吻合，認(rèn)為該仿真模型運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)準(zhǔn)確。

2.2.2 動(dòng)力學(xué)響應(yīng)有效性驗(yàn)證

圖7～9為仿真與試驗(yàn)中兒童假人動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性曲線(xiàn)對(duì)比，表2為仿真與試驗(yàn)兒童假人主要傷害指標(biāo)具體數(shù)值對(duì)比。

由表2可知，仿真與試驗(yàn)中兒童損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)值誤差范圍控制在12%內(nèi)，頭部、胸部、髖部加速度曲線(xiàn)基本吻合，說(shuō)明該仿真模型對(duì)兒童損傷情況的預(yù)測(cè)基本滿(mǎn)足要求，認(rèn)為該模型的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)準(zhǔn)確。

Q3兒童測(cè)試假人與Facet兒童人體模型動(dòng)態(tài)

響應(yīng)差異性研究

3.1 Q3兒童測(cè)試假人與Facet兒童人體模型動(dòng)態(tài)響應(yīng)的差異性

3.1.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)的差異性

假人肩部與側(cè)碰保護(hù)裝置接觸后，兩者頭部運(yùn)動(dòng)軌跡有較大不同，具體如圖10所示。Q3兒童測(cè)試假人頭部y向運(yùn)動(dòng)150 mm開(kāi)始回彈，F(xiàn)acet兒童人體模型頭部y向運(yùn)動(dòng)167 mm開(kāi)始回彈，仿真終止時(shí)刻兩者頭部質(zhì)心z向高度差達(dá)到17 mm。

Q3兒童測(cè)試假人與Facet兒童人體模型雙臂運(yùn)動(dòng)姿態(tài)亦有較大差異。假人與安全座椅接觸后，假人四肢繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，此時(shí)假人繞著z軸發(fā)生細(xì)微轉(zhuǎn)動(dòng)，假人髖部在xy面的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖11所示。Facet兒童人體模型雙臂發(fā)生接觸，Q3兒童測(cè)試假人雙臂并沒(méi)有互相接觸，右臂向上甩動(dòng)幾乎與頭部發(fā)生接觸。兩者髖部在yz面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖12所示。Q3兒童測(cè)試假人與安全座椅接觸后，在回彈過(guò)程中，髖部抬起高度明顯高于Facet兒童人體模型。Q3兒童測(cè)試假人髖部抬起高度為37 mm，F(xiàn)acet兒童人體模型髖部抬起高度為13 mm。50 ms時(shí)刻兩者運(yùn)動(dòng)姿態(tài)如圖13所示，從圖中可以明顯看出，Q3兒童測(cè)試假人與安全座椅接觸后，假人上肢向反方向偏轉(zhuǎn)幅度大于Facet兒童人體模型；頸椎彎曲程度亦有所不同，F(xiàn)acet兒童人體模型頸部除彎曲外還發(fā)生一定程度的扭轉(zhuǎn)，頭部向左側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)；Q3兒童測(cè)試假人頭部并沒(méi)有發(fā)生明顯轉(zhuǎn)動(dòng)。

3.1.2 動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的差異性

圖14和圖16分別為Q3兒童測(cè)試假人與Facet兒童人體模型頭部、胸部以及盆骨的y向加速度時(shí)間歷程曲線(xiàn)。由圖可知，兩者頭部以及盆骨y向加速度時(shí)間歷程曲線(xiàn)吻合度較好，胸部y向加速度時(shí)間歷程曲線(xiàn)差異較大。Q3兒童測(cè)試假人與Facet兒童人體模型主要損傷指標(biāo)傷害值對(duì)比見(jiàn)表3。選取HIC36、頭部3 ms合成加速度以及胸部3 ms合成加速度3項(xiàng)損傷指標(biāo)做出對(duì)比，明顯可以看出兩者HIC36以及頭部3 ms合成加速度較為近似，胸部3 ms合成加速度相差較大。Facet兒童人體模型胸部3 ms合成加速度小于ECE R129法規(guī)規(guī)定的539 m/s2，Q3兒童測(cè)試假人胸部3 ms合成加速度遠(yuǎn)大于法規(guī)規(guī)定的閥值，說(shuō)明Q3兒童測(cè)試假人胸部側(cè)面仿真度與真實(shí)人體存在較大差異。

4 兒童測(cè)試假人改進(jìn)建議

4.1 兒童測(cè)試假人的脊椎結(jié)構(gòu)

兒童測(cè)試假人胸椎、腰椎剛度較大，不能像真實(shí)人體那樣彎曲。通過(guò)優(yōu)化兒童測(cè)試假人的脊椎結(jié)構(gòu)，尤其是胸椎、腰椎部分，提高脊椎的柔韌度，進(jìn)一步提高兒童測(cè)試假人脊椎的生物仿真度。

4.2 提高兒童測(cè)試假人四肢的生物仿真度

兒童測(cè)試假人四肢的生物仿真度相對(duì)較低，肘關(guān)節(jié)以及膝關(guān)節(jié)僅有一個(gè)自由度，需要增加自由度來(lái)提高測(cè)試假人四肢的生物仿真度。在碰撞試驗(yàn)中，兒童測(cè)試假人四肢的甩動(dòng)與人體發(fā)生接觸常常造成二次傷害，因此提高當(dāng)前兒童測(cè)試假人四肢的生物仿真度十分必要。

5 結(jié)論

（1）基于ECE R129法規(guī)在MADYMO中建立碰撞仿真模型，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證所建仿真模型的有效性。

（2）在側(cè)面碰撞中，Q3兒童測(cè)試假人與Facet兒童人體模型運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)存在較大差異。在回彈過(guò)程中，Q3兒童測(cè)試假人側(cè)傾角度明顯大于Facet兒童人體模型，該差異主要是由Q3兒童測(cè)試假人胸椎剛度較大造成的。

在動(dòng)力學(xué)響應(yīng)中，Q3兒童測(cè)試假人與Facet兒童人體模型的頭部加速度曲線(xiàn)以及傷害值較為吻合，胸部動(dòng)力學(xué)響應(yīng)差異較大。除了胸椎剛度的影響，碰撞過(guò)程中兒童測(cè)試假人雙臂的甩動(dòng)也對(duì)測(cè)試結(jié)果影響較大。

參考文獻(xiàn)（References）：

MADYMO R7.5 Human Body Models Manual [z].TNO Road-Vehicles Research Institute，2013.

管?chē)?guó)朋. 多功能兒童安全座椅的仿真分析及試驗(yàn)研究[D]. 長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2013.

Guan Guopeng. The Simulation Analysis and Test Study of Multi-functional Child-Safety Chair [D]. Changsha： Hunan University，2014. （in Chinese）

GRSP. A Study on Shield System [EB/OL]. 55th Session of the UN ECE Working Party on Passive Safety，2014.

http：//www.unece.org/fileadmin/DAM/meetings/2014 meetings / 14may_monthly.pdf.

王翔，張學(xué)榮，任美娟. 增高座椅性能參數(shù)影響及損傷仿真分析[J]. 計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化， 2013（8）：102-105.

WANG Xiang，ZHANG Xuerong，REN Meijuan. Simu-lation Analysis of Influence and Damage by Booster Seat Performance Parameters [J]. Computer and Modernization，2013（8）：102-105. （in Chinese）

張瑞鋒，曹立波，陳亞. 智能集成式兒童安全座椅的臺(tái)車(chē)正面碰撞試驗(yàn)研究[J]. 汽車(chē)工程，2015，37（3）：284-289.

ZHANG Ruifeng，CAO Libo，CHEN Ya. A Study on Frontal Crash Sled Test for Intelligent Integrated Child Safety Seat [J]. Automotive Engineering，2015，37（3）： 284-289. （in Chinese）

劉軍，秦書(shū)劍，周海森，等. 汽車(chē)線(xiàn)控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中轉(zhuǎn)角傳感器的研究 [J]. 重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2014，28（7）：1-4.

LIU Jun，QIN Shujian，ZHOU Haisen，et al. Steering Wheel Angle Sensor in Vehicle Steer-by-Wire （SBW） System [J]. Journal of Chongqing University of Science and Technology （Natural Science Edition），2014， 28（7）：1-4. （in Chinese）

MERTZ H J，IRWIN A L. Anthropomorphic Test Devices and Injury Risk Assessments [M]. New York：Springer，2015：83-112.