碰撞中乘員有無抓握頂棚扶手下的傷害對比分析

魏玉釗, 任傳波, 呂 浩, 郭 勇

(山東理工大學(xué)交通與車輛工程學(xué)院,淄博 255049)

美國公路交通安全管理局(National Highway Traffic Safety Administration,NHTSA)對汽車碰撞事故形式分析指出，在汽車正面碰撞、側(cè)面碰撞和追尾碰撞3種事故中，正面碰撞事故占49%，而且正面碰撞中的乘員死亡數(shù)所占總死亡人數(shù)比例也高達(dá)33.5%[1]。因此通過有限元技術(shù)結(jié)合數(shù)字化假人建立人-車碰撞模型在碰撞安全領(lǐng)域研究中尤為重要。中外研究人員利用數(shù)字化假人在碰撞安全領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究。Mendoza-Vazquez等[2]利用THUMS有限元假人模型對正面碰撞下乘員胸部損傷情況進(jìn)行了分析，并通過仿真結(jié)果建立了可以對胸部損傷進(jìn)行預(yù)測和判定的損傷風(fēng)險曲線。Woitch等[3]利用數(shù)字化假人模型對碰撞中主動系統(tǒng)發(fā)生作用下的乘員損傷情況進(jìn)行了研究。Lee等[4]對正面碰撞中副駕駛位置5百分位HybridⅢ女性假人的損傷性進(jìn)行了分析。羅覃月等[5]利用數(shù)字化假人模型針對某車型正面碰撞下乘員胸部損傷進(jìn)行了研究和優(yōu)化。胡志遠(yuǎn)等[6]對正面碰撞中后排乘員的損傷情況進(jìn)行了研究。顏凌波等[7]在50百分位HybridⅢ男性假人基礎(chǔ)上通過縮放得到符合中國人體尺寸的假人模型，并以該模型為基礎(chǔ)建立碰撞模型進(jìn)行車內(nèi)人員的損傷性分析。

目前國內(nèi)外使用最多的為HybridⅢ系列假人，該系列假人在幾何構(gòu)造和物理特性上能夠較好地反映人體在碰撞過程中的生物力學(xué)響應(yīng)。但是該系列假人模型手部仿真度較低，無法實現(xiàn)各指節(jié)之間的聯(lián)動，這些學(xué)者主要針對手部處于自由狀態(tài)下的坐姿假人進(jìn)行碰撞過程中車內(nèi)人員的損傷性分析，而不考慮假人手部抓握狀態(tài)。因此碰撞過程中乘員手部抓握力作用對損傷評定結(jié)果的影響方面研究較少，研究成果也鮮見刊載。而頂棚扶手作為一種重要的安全保護(hù)裝置，碰撞乘員對其抓握狀態(tài)對損傷評定產(chǎn)生的影響不應(yīng)被忽略。因此，根據(jù)機(jī)器人手部動力學(xué)模型,改進(jìn)HybridⅢ假人手部結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)抓握能力，通過LS-PREPOST軟件建立簡化車輛副駕駛模型，并與改進(jìn)假人模型進(jìn)行耦合，建立人-車正面碰撞模型，研究碰撞過程中乘員抓握頂棚扶手狀態(tài)下對損傷性分析結(jié)果的影響，并與碰撞中手部處于自由狀態(tài)下的假人進(jìn)行頭部、頸部、胸部的損傷值對比。

1 正面碰撞仿真模型的建立

1.1 汽車副駕駛模型

汽車頂棚扶手是為保證乘員身體平衡而設(shè)置的抓扶裝置，駕駛員幾乎用不到該裝置，因此為了加快運算速度，在對研究結(jié)論不產(chǎn)生太大影響的情況下，只對副駕駛室建立簡化模型。副駕駛室模型包括車窗、汽車頂棚、地板、副駕駛儀表臺、安全帶、座椅頂棚扶手。由于不考慮碰撞過程中副駕駛室的變形，所以在前處理軟件LS-PREPOST中通過關(guān)鍵字*MAT_RIGID把安全帶以外的各部件賦予剛性材料。安全帶由織帶、卷收器、預(yù)緊器、滑環(huán)和帶扣等組成，在LS-PREPOST軟件中通過關(guān)鍵字*ELEMENT_SEATBELT_RETRACTO和*ELEME-T_SEATBELT_SLIPRING定義卷收器和滑環(huán)的工作特性，同時關(guān)鍵字*MAT_SERBELT定義安全帶材料。副駕駛室模型如圖1所示。

圖1 副駕駛室模型Fig.1 The model of cockpit

1.2 假人模型

目前碰撞試驗中一般使用假人評測車輛對車內(nèi)人員的保護(hù)效果，其中使用較為廣泛的是Hybr-idⅢ假人。汽車碰撞是一個復(fù)雜的過程，尤其是車內(nèi)人員運動狀況更是不定因素，因此要想得到更接近真實碰撞下的數(shù)據(jù)，要求假人模型不僅在形態(tài)和質(zhì)量上接近于真實人體，而且要在結(jié)構(gòu)功能實現(xiàn)上更貼合人體。現(xiàn)階段HybridⅢ假人模型手部設(shè)計為一個整體，手指處無關(guān)節(jié)連接，不能模擬人體手指之間的運動，達(dá)到抓握的目的。因此在HybridⅢ有限元假人基礎(chǔ)上改進(jìn)了手部模型，改進(jìn)后的模型可以實現(xiàn)手部抓握的能力，實現(xiàn)碰撞過程中乘員能夠抓握頂棚扶手的效果。

1.2.1 改進(jìn)手部模型

根據(jù)碰撞假人模型設(shè)計的3點原則，即力學(xué)結(jié)構(gòu)的仿真性、力學(xué)性能的相似性和可重復(fù)使用性[8]，以利弗莫爾軟件技術(shù)公司(Livermore Software Technology Company，LSTC)所公開的50百分位HybridⅢ男性數(shù)字化假人為基礎(chǔ)，根據(jù)機(jī)器人手掌的結(jié)構(gòu)特點，對假人模型進(jìn)行改進(jìn)。已知50百分位HybridⅢ男性假人模型的身高為177 cm,體重86 kg。為更好地接近真實尺寸，對符合該身高體重的男性進(jìn)行手部尺寸的測量，測量時保持直立的標(biāo)準(zhǔn)姿勢，手臂自然伸直，測量手部長度、寬度、周長[9]。利用3D建模軟件創(chuàng)建模型，劃分網(wǎng)格，如圖2所示。

圖2 改進(jìn)手掌模型Fig.2 The improved model of hand

為實現(xiàn)手指的靈動性，指節(jié)之間以及手指與手掌之間通過旋轉(zhuǎn)鉸鏈連接，用關(guān)鍵字*JOINT_ST-IFFNESS_GENERALIZED設(shè)置鉸鏈的摩擦力矩大小來實現(xiàn)手部不同抓握力。以旋轉(zhuǎn)鉸鏈為旋轉(zhuǎn)中心，改變輸入角度參數(shù)，可以實現(xiàn)各手指關(guān)節(jié)之間的運動。

一般人右手的握力約38 kg，左手的握力約35 kg，對于青年男子來說一般右手的最大握力為56 kg，左手為43 kg。握力與手的姿勢和持續(xù)時間有關(guān)，當(dāng)持續(xù)一段時間后，手部握力會明顯下降[4]。由于碰撞過程可以在極短的時間內(nèi)完成，在此過程中乘員對頂棚扶手的抓握力可以看作瞬時最大抓握力。由于50百分位HybridⅢ假人為成年男性體型，根據(jù)表1所示不同年齡青年男子握力，確定碰撞過程中乘員對頂棚扶手的最大抓握力為58.1 kg。

表1 不同年齡青年男子握力

1.2.2 假人手部模型的替換

以50百分位HybridⅢ男性坐姿假人為原始模型，如圖3(a)所示。在不破壞原有假人手部連接關(guān)系，保證其完整性的基礎(chǔ)上，對假人手部進(jìn)行拆除[10]。由于手腕與小臂之間有旋轉(zhuǎn)鉸鏈連接，因此只刪除手腕以下的部位，在受力過程中不考慮手部變形下，為了加快計算速度，賦予手部剛體材料，然后通過關(guān)鍵字*RIGID_BODIES把改進(jìn)后手部模型和拆分后的數(shù)字假人進(jìn)行裝配，如圖3(b)所示。

圖3 HybridⅢ坐姿假人有限元模型Fig.3 Finite element model Hybrid Ⅲ male sitting dummy

為達(dá)到仿真要求，導(dǎo)入模型時需要對假人主要身體部位進(jìn)行調(diào)節(jié)，初步裝配的手部模型在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上不屬于假人身體結(jié)構(gòu)，無法在LS-PREPOST的DUMMY界面中直接調(diào)節(jié)其旋轉(zhuǎn)鉸鏈的角度參數(shù)。因此要把改進(jìn)后的模型導(dǎo)入OASYS PRIMER軟件中根據(jù)假人樹形文件中的連接關(guān)系，設(shè)置手掌與手臂、手指與手掌之間的子母關(guān)系。使改進(jìn)后的手部模型通過直接輸入旋轉(zhuǎn)鉸鏈的角度參數(shù)，就能實現(xiàn)手腕和手指的轉(zhuǎn)動[11]。

1.3 人-車模型耦合

將車輛副駕駛模型和改進(jìn)的假人模型同時導(dǎo)入到LS_PROSPST中做前處理準(zhǔn)備，通過設(shè)置假人H點坐標(biāo)，可以改變假人位置，將假人背部和臀部與座椅之間進(jìn)行定位。同時設(shè)置假人腿部、腳部處鉸鏈角度參數(shù)，使下肢與座椅和地板準(zhǔn)確定位。最后調(diào)節(jié)上肢以及手指處鉸鏈參數(shù)，保證假人手部處于對頂棚扶手的抓握狀態(tài)。在碰撞過程中假人需要與安全帶、頂棚扶手、地板、儀表臺，甚至擋風(fēng)玻璃產(chǎn)生較大的沖擊接觸，需要通過關(guān)鍵字*CONTACT_AUTOMATIC_NODES_TO_SURFACE定義安全帶和身體接觸，*CONTACT_AUTOMAT-IC_SURFACE_TO_SURFACE定義假人與座椅、頂棚扶手、地板、儀表臺、擋風(fēng)玻璃的接觸，并設(shè)置好相應(yīng)的動、靜摩擦系數(shù)。假人手部處于抓握頂棚扶手狀態(tài)下的有限元碰撞模型，如圖4(a)所示。同時為了驗證碰撞過程中乘員抓握頂棚扶手對人體損傷評定產(chǎn)生的影響，需要進(jìn)行對比仿真。因此按照同樣的步驟建立假人處于自由坐姿狀態(tài)下的人-車碰撞模型，如圖4(b)所示。

圖4 人-車耦合模型Fig.4 Human and vehicle coupling model

1.4 模型的仿真

由于假人和座椅之間不能形成穿透，在放置假人模型時身體和座椅之間、手部和頂棚扶手之間會有一定距離，并不是恰好貼合。由于碰撞過程可以在極短的時間內(nèi)完成，加速度變化和產(chǎn)生慣性力較大，假人身體與座椅、手指與扶手之間若不能接觸，會造成在仿真一段時間內(nèi)摩擦力不起作用，從而使結(jié)果產(chǎn)生較大誤差。

因此，在正面碰撞之前需要對模型進(jìn)行預(yù)仿真處理。即通過關(guān)鍵字*LOAD_BODY把重力加速度曲線添加到模型中，讓假人在重力加速度作用下實現(xiàn)與車輛模型的貼合，設(shè)置仿真時間為80 ms。導(dǎo)出K文件到LS-DYNA中進(jìn)行求解，對仿真結(jié)果進(jìn)行后處理中，當(dāng)觀察到假人模型在重力加速度的作用下向下運動到與座椅、頂棚扶手以及地板接觸時，輸出此狀態(tài)下的假人模型，作為最終耦合模型。

在整車的碰撞仿真中通常賦予整車恒定初速度，使其在極短時間內(nèi)接觸碰撞物體，模擬碰撞過程。本文采用的是副駕駛室簡化模型，仿真計算中不能通過添加初速度的方法使車輛接觸碰撞物體進(jìn)行仿真。因此通過模擬碰撞過程中加速度場，進(jìn)行仿真。加速度曲線為實車碰撞中，B柱下段的加速度傳感器收集到的數(shù)據(jù)[12]，如圖5所示。

圖5 碰撞過程中加速度曲線Fig.5 Acceleration curve during collision

2 碰撞仿真結(jié)果分析

將假人抓握頂棚扶手狀態(tài)下的碰撞模型和假人處于自由狀態(tài)下的碰撞模型分別在LS-PREPOST中設(shè)置好相同環(huán)境參數(shù)，導(dǎo)入LS-DYNA進(jìn)行求解，得出仿真結(jié)果。對兩種工況下假人的運動姿態(tài)，以及頭部、胸部、頸部損傷值進(jìn)行比較分析。

2.1 假人狀態(tài)響應(yīng)對比

車內(nèi)假人姿態(tài)不同，碰撞中會發(fā)生不同的運動狀態(tài)，造成的損傷程度，以及碰撞區(qū)域也各有不同。圖6和圖7所示分別是碰撞過程中兩種工況下假人運動姿態(tài)。

圖6 碰撞中假人抓握頂棚扶手時狀態(tài)響應(yīng)Fig.6 State response of dummy grasping roof armrest during collision

圖7 碰撞中假人自由坐姿下狀態(tài)響應(yīng)Fig.7 State response of dummy in free sitting posture during collision

由于碰撞前車內(nèi)人員和車輛有相同的初速度，發(fā)生碰撞時，車體會產(chǎn)生減速加速度，乘員由于慣性作用，繼續(xù)向前運動。從圖6和圖7可以看出，在0～100 ms假人由于慣性力作用向前運動。通過抓握頂棚扶手的假人運動姿態(tài)來看，在95 ms時頭部與儀表臺產(chǎn)生碰撞，110 ms時由于減速加速度而產(chǎn)生的沖擊力超過手部最大抓握力，假人手部被迫張開，對頂棚扶手抓握力消失，此時假人已經(jīng)開始向后反彈，且碰撞過程中胸部始終與儀表臺沒有接觸。圖7所示自由坐姿下假人在85 ms時頭部與儀表臺相撞，由于沒有抓握力作用，假人繼續(xù)向前移動，在100 ms時胸部與儀表臺相撞，同時頸部相比于抓握頂棚扶手的假人頸部變形較大。

2.2 頭部損傷對比

對于HybridⅢ碰撞假人，頭部損傷程度通常用頭部損傷程度指數(shù)(head injury criteria,HIC)和3 ms合成加速度來進(jìn)行評價，其計算公式為[13]

(1)

式(1)中：t1到t2是碰撞過程中HIC計算值最大的時間間隔；a(t)表示頭部的質(zhì)心加速度，以重力加速度g為單位。通過計算結(jié)果得到有抓握頂棚扶手假人與自由坐姿假人的頭部三向合成加速度對比結(jié)果如圖8所示。

圖8 頭部合成加速度對比Fig.8 The comparison of head synthesis acceleration

由圖8可以看出，雖然兩種工況下假人頭部合成加速曲線變化趨勢基本一致，但是抓握狀態(tài)下比自由狀態(tài)下假人頭部合成加速度峰值降低6.1%，兩種情況下峰值相差不大。分析原因：雖然在手部抓握力作用下的假人頭部接觸到儀表臺的時間與自由狀態(tài)下假人相比延遲一段時間，但是從假人運動姿態(tài)來看，手部作用力對假人軀干運動影響較大，而假人頭部通過頸對假人軀干運動影響較大，而假人頭部通過頸部與軀干相連，且假人頸部柔性較大，因此手部抓握力并不能在很大程度上影響頭部運動軌跡和加速度，因此在加速度場較大的情況下，抓握狀態(tài)下的假人頭部也會有較大加速度。同時通過計算得到抓握狀態(tài)下假人頭部HIC與自由狀態(tài)下假人頭部的HIC相比降低30.2%。對應(yīng)損傷指標(biāo)如表2所示。

2.3 頸部損傷對比

在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究方面，一些研究者發(fā)現(xiàn)在頸部運動的過程中產(chǎn)生的彎矩會對人體頸部造成傷害，而且出現(xiàn)S型的運動時，其內(nèi)部的剪切力和軸向拉伸力對各個組織傷害也很嚴(yán)重[14]。因此針對碰撞過程中頸部損傷情況選用上頸部剪切力Fx、拉伸力Fz以及彎矩My進(jìn)行對比分析，結(jié)果如圖9所示。

表2 兩種工況下?lián)p傷指標(biāo)

圖9 頸部評定指標(biāo)值對比Fig.9 Comparison of neck injuries

得出自由坐姿狀態(tài)下假人上頸部最大剪切力、最大拉伸力和最大彎矩分別為10.5 kN、13.1 kN、136 kN·mm，峰值出現(xiàn)時間在85～95 ms，與碰撞過程中假人頸部發(fā)生最大變形時的時間一致。抓握頂棚扶手假人的上頸部最大剪切力、最大拉伸力以及最大彎矩分別為1.32 kN、3.02 kN、77.7 kN·mm，相比于自由坐姿狀態(tài)下假人頸部各指標(biāo)峰值分別降低了87.4%、76.9%、42.9%。且自由坐姿狀態(tài)下假人頸部彎矩峰值持續(xù)時間與抓握狀態(tài)下假人相比明顯加長，而峰值持續(xù)時間越長對乘員頸部損傷越大。

說明在碰撞過程中假人在抓握頂棚扶手時，手部的抓握力對碰撞過程產(chǎn)生的沖擊力有一定的緩沖作用，減小了假人向前運動趨勢。從假人的運動姿態(tài)來看，抓握頂棚扶手假人與自由坐姿狀態(tài)下假人相比，其頭部與副駕駛儀表臺接觸時間短，峰值持續(xù)時間響應(yīng)較短，頸部受擠壓程度較小，受力出現(xiàn)S型趨勢明顯低于后者，從而頸部損傷值也相應(yīng)較小。

2.4 胸部損傷對比

胸部損傷對人體造成的損傷程度僅次于頭部，在碰撞過程中，乘員由于自身慣性力的作用向前運動，同時受到安全帶較大的約束力，這時容易造成胸骨和肋骨損傷、內(nèi)臟器官破損，以及肩胛骨的脫臼和斷裂。胸部損傷準(zhǔn)則主要包括胸部3 ms準(zhǔn)則和胸部壓縮量。聯(lián)邦機(jī)動車安全標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)(Federal Motor Vehicle Safety Standards and Regulations，F(xiàn)MVSS208)規(guī)定胸部3 ms內(nèi)合成加速度不得超過60 g，胸部壓縮量(thorax performance criteria,THPC)為胸骨相對于脊柱的壓縮量[15]。圖10所示為兩種工況下假人胸部損傷指標(biāo)值對比。

圖10 胸部損傷指標(biāo)值對比Fig.10 Comparison of chest injuries

通過圖10可以看出，在90～100 ms兩種工況下假人胸部合成加速度和胸部壓縮量均出現(xiàn)峰值，抓握狀態(tài)下假人胸部最大合成加速度為81.6g，最大壓縮量為14.7 mm，與自由坐姿狀態(tài)下假人胸部最大合成加速度166g以及最大壓縮量17.7 mm相比分別降低了50.8%和16.9%。這是因為在碰撞過程中自由坐姿狀態(tài)假人由于沒有任何緩沖力作用，胸部與儀表臺產(chǎn)生碰撞，因此除了安全帶的約束力外，與儀表臺產(chǎn)生的擠壓力也會加大胸部合成加速度值和最大胸部壓縮量。而抓握狀態(tài)下假人在碰撞過程中，胸部與儀表臺始終無接觸，所以胸部損傷程度小于自由坐姿狀態(tài)下的假人。

3 結(jié)論

通過對正面碰撞中副駕駛室乘員有無抓握頂棚扶手兩種工況進(jìn)行仿真，通過仿真結(jié)果對比車內(nèi)假人運動姿態(tài)，以及頭部、頸部和胸部損傷情況，得出以下結(jié)論。

(1)抓握頂棚扶手狀態(tài)下假人頭部HIC與自由坐姿狀態(tài)下假人相比減小30.2%，但抓握頂棚時對假人頭部最大合成加速度影響較小，與自由坐姿狀態(tài)下相比只減小6.1%。

(2)抓握頂棚扶手狀態(tài)下假人頸部和胸部損傷情況較自由坐姿狀態(tài)假人明顯降低，其中抓握狀態(tài)下假人頸部最大剪切力、拉伸力和彎矩力相比之下分別降低87.4%、76.9%、42.9%，胸部最大合成加速度和最大壓縮量降低了50.8%和16.9%。證明在碰撞過程中乘員抓握頂棚扶手時在一定程度上可以影響乘員的運動姿態(tài)，并能有效地降低碰撞過程對人體與儀表臺碰撞過程造成的傷害，在人員損傷評定中乘員對頂棚扶手抓握狀態(tài)是一項不可忽略的因素。

(3)可在不同加速度場下對兩種工況下車內(nèi)人員損傷情況進(jìn)一步研究。

仿真思路和方法充實了汽車被動安全領(lǐng)域研究內(nèi)容，對碰撞過程中人員保護(hù)，以及影響車內(nèi)人員損傷因素方面有一定的借鑒作用。