侧碰试验假人仿真数据对标及受伤机理研究

侧碰试验假人仿真数据对标及受伤机理研究
胡远志;张永春;蒋成约;刘西;廖高建;冯擎峰;刘卫国
【摘要】基于某款SUV车型约束系统零部件试验和侧面碰撞试验数据,建立了有效可靠的侧碰乘员假人伤害有限元模型;并利用THUMS人体模型替换假人模型进行乘员的损伤研究.结果表明,THUMS人体模型可以形象、直观地对乘员可能损伤部位和损伤程度进行评估和预测,对于乘员安全保护的研究具有重要的意义.
【期刊名称】《科学技术与工程》
【年(卷),期】2016(016)004
【总页数】6页(P105-110)
【关键词】侧面碰撞;THUMS人体模型;受伤机理
【作者】胡远志;张永春;蒋成约;刘西;廖高建;冯擎峰;刘卫国
【作者单位】重庆理工大学,重庆400054;重庆理工大学,重庆400054;重庆理工大学,重庆400054;重庆理工大学,重庆400054;重庆理工大学,重庆400054;浙江吉利汽车研究院有限公司,杭州310000;浙江吉利汽车研究院有限公司,杭州310000【正文语种】中文
【中图分类】U467.14
在我国，城市交通道路的布局多以平面交叉为主，十字路口、丁字、分叉路口星罗密布，发生侧面碰撞的概率较大[1]。

据2013的道路交通事故统计年报可知，发生车辆间的事故127 345起，其中侧面碰撞发生80 069起，约占车辆间交通事故的40%，造成16 988人死亡，91 596人受伤，直接财产损失达到301 289
574元[2]；因此，对侧面碰撞乘员伤害的研究至关重要，本文通过建立有效可靠
的侧碰模型，并将乘员的仿真数据与试验数据对标，然后用THUMS(total human model for safety)人体模型替换ES-2假人模型，考察侧碰过程中乘员骨盆，胸部脊柱及肋骨等部位受伤情况及机理。

侧面碰撞有限元基础模型包括整车模型，约束系统(侧气囊SAB，安全带及座椅等)模型，ES-2假人模型以及侧面移动壁障模型。

1.1 有限元整车模型
采用国产某自主品牌的SUV车型的有限元模型，此模型共有单元总数1 451 534个，节点1 414 602个，其中壳单元1 371 433个，实体单元80 101个，自重
为1 497 kg,单元的特征尺寸为10 mm，模型中对轮胎、悬架、发动机及变速器
等各零部件都进行了细致的模型划分和质量匹配，并选择了合理的参数，以保证仿真的精度和整车变形的合理性[3]。

1.2 气囊模型
分析模型中，匹配安装了侧气囊SAB(side airbag)，侧气囊采用三角网格划分，
单元特征尺寸为5 mm,充气采用CV法模拟[4,5]，侧气囊折叠后经过静态和动态
对标完成后[6]，如图1，并安装在座椅上(图1中纵坐标单位为重力加速度，1
g=9.8 m/s2)。

1.3 ES-2假人模型和侧面移动壁障模型
整车模型中加入了ES-2有限元假人模型，此版本为V_0.101,模型质量为79.6 kg，根据H点坐标对假人进行定位，根据试验数据测得的假人与门内饰的距离对假人
肢体进行调整，并创建人体的安全带模型。

添加侧面移动壁障，并根据GB 20071—2006的要求[7]，调整壁障与整车模型的位置，设置壁障的移动速度为50 km/h,建立的模型如图2所示。

日本丰田汽车公司的Oshita等人2002年建立了 THUMS (total human model
for safety)人体有限元模型[8],经过10多年的不断完善，现已推出第四代THUMS 人体模型，模型的材料和属性特征均有试验得到，形象地塑造了人体尺寸形态、皮肤和脂肪层的特性、肌肉构造，更创新性的将人体内部器官如心脏，肝脏，脾肺等塑造出来，更加详细地将碰撞时的人体实际运动响应状态更加真实的再现出来，而且还能准确的预测出人体部位的损伤程度。

从仿生力学方面体现出人体伤害程度，例如侧碰时胸部肋骨受到座椅和气囊的约束挤压所引起的肋骨骨折以及腹部，内脏器官的惯性移位所引起的损伤。

用仿真度较高的THUMS人体模型进行仿真研究，所设计开发的车身结构及约束系统更有效真实的反映其安全特性。

其主要用在人体动力学仿真和汽车交通事故中人体损伤研究。

此次，本文采用一个成年 50 百分位的坐姿男性模型来模拟汽车的乘员，他的身高是 175 cm，体重是77 kg。

该模型由62万多个节点、近172万多个单元组成[9]。

如图3所示。

为了验证模型的可靠性，查看模型碰撞是否守恒，从图4的能量图可知，此模型
碰撞总能量为96.35 kJ，沙漏能为2.7 kJ，系统总动能和内能之和使系统能量守恒，增加质量为50.08 kg，约占总质量的3.34%(<5%)，如图4所示。

在侧面碰撞过程中，被撞侧的B柱、门槛梁、车门等位置的变形模式对假人胸部、腹部和骨盆三个部位的伤害值影响很大，直接影响碰撞试验的最终评分，是车辆侧面碰撞安全性能最直接的体现。

因此，应重点关注这些位置的变形模式，图5为
仿真和试验的车身侧面整体变形模式的对比，如图中所示，B柱，前后车门防撞梁，前车门窗台横梁等部位的变形，仿真与试验吻合较好。

参考试验图片，在模型的相应位置设置右侧B柱的传感器，输出加速度，仿真与
试验的加速度如图6所示。

据仿真动画可知，当侧面移动壁障与车门发生碰撞时，B柱，门槛梁与车门外板变形，并与防撞杆接触，门槛梁将所受的力传递到地板和顶部横梁，使之发生变形吸能，当加速度达到一定限值时，ECU输出信号，侧气囊点火控制器工作，将侧气
囊点爆，在车门内饰和乘员之间展开，形成一个可吸收能量的一个缓冲带，将门内饰的力传递到乘员胸部，腹部和髋部，侧气囊泄气，门内饰碰到座椅，在安全带的束缚下乘员、座椅和整车一起向Y轴运动。

4.1 骨盆Y向加速度及耻骨力
仿真中骨盆的响应和耻骨力与试验数据吻合，在侧面碰撞下,对人体骨盆损伤的影响因素主要为侧面撞击的速度、车门内饰形状及刚度特性、车门内壁与骨盆的间距等。

从人体受力云图(图7)中可以看出,人体骨盆承受载荷较大的部位是是骨盆左侧耻骨的较上和较下部位，易造成骶骨左侧与髂骨接缝处、骶骨、髂骨和股骨的骨折,股关节脱臼及耻骨结合处脱离等损伤[10]， Cavanaugh和Zhu等人[11，12]研究表明，当加速度峰值达到42.78 g，耻骨力达到7 980 N时，骨盆部位的应变会超过3%，骶骨、髂骨和股骨发生骨折的概率达到25%。

4.2 胸部T12 Y向加速度、T12_Fy及T12_Mx
脊柱犹如人身体上的一根擎天柱，使人体能够直立，T12即胸椎的第12节，也是胸椎的最后一节，与腰椎相连。

胸腰段脊椎是容易受伤的部位之一，胸腰结合部损伤占骨折的40%[13]，是进行脊柱损伤研究关注的重点之一。

T12_Fy考察的是在侧面碰撞试验中假人上、下躯干的相互作用力，T12 Mx考察的是假人上下躯干之间的作用弯矩，这两个伤害值反映了假人上、下运动的平衡程度。

如果T12的Fy 力超过1 500 N，转矩Mx超过150 N·m，形变超过3%，脊椎发生骨折的概率大大增加[14]。

从人体脊柱受力云图中可以看出，脊柱受力较大的部位为非碰撞侧椎间盘与椎体的连接处，由于椎间盘由纤维软骨和髓核组成，强度较小，受力变形稍大。

见图8。

4.3 胸部肋骨(上、中、下)变形量
侧碰中，胸部损伤主要来自于胸部肋骨的变形量，肋骨张应力大于耐受极限导致肋骨骨折以及内脏器官如肺部、肾脏以及血管破裂等软组织损伤；根据
McCalden[15]的研究，肋骨应变大于3%就有骨折的风险。

由于有侧气囊的缓冲
作用，THUMS人体模型在该工况上肋骨应变远远小于3%，肋骨变形量最大为18.4 mm，无受伤风险。

见图9。

4.4 背板力Fy
由图10假人传感器布置位置图可知，背板力传感器位于假人背部与座椅靠背之间，其外部由相对较宽的塑料板包裹。

虽然背板力Fy测量的是背板横向受力情况，但实际上是测量假人与座椅靠背间横向相对运动的摩擦力。

背板力Fy反映了碰撞过程中假人碰撞侧面与座椅碰撞侧面的受力情况。

商恩义等人[16]对背板力做了较为详细的解读，当背板力Fy超过1 000 N时，乘员被撞侧与座椅的摩擦力较大，乘员会受到一定的损伤，脊柱会有不同程度的屈曲，并引发脊髓或马尾神经损伤，特别是颈椎骨折-脱位并发脊髓损伤，严重者致残甚至丧失生命。

基于某款SUV车型约束系统零部件试验和侧碰试验数据可靠有效的侧碰仿真模型，研究了利用有限元方法建立的约束系统考对ES-2假人模型的保护状况，并将仿真数据与实验数据对标，并利用THUMS人体模型研究考察了侧碰中乘员可能的损
伤部位和损伤程度，THUMS人体模型可以直观的从生物学方面反映乘员损伤程度，为汽车乘员安全的保护研究提供更科学的依据。

9 THUMS_AM50_V4AC_Document_20111003
10 程秀生，向晋乾,王军,等. 乘员骨盆侧面碰撞响应的数值仿真.公路交通科技, 2004;21(5):137—140
Cheng X S,Xiang J Q,Wang J, et al. Numerical simulation on pelvis response in side impact. Highway and Transportation Research, 2004;21(5):137—140 11 Cavanaugh J W, Walilko T J, Malhotro A,et al. Biomechanical response and injury tolerance of the pelvic in twelve sled side impacts. Proc. 34th
Stapp Car Crash Conference, SAE Paper No.902305, 1990
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14 张茜,徐涛. 侧面碰撞假人各部位伤害值研究.第7届国际汽车安全论坛，成都，中国11月
Zhang Q, Xu T. Research on injury value of ES-2 dummy for side crash. The 7th Int Forum of Automotive Traffic Safety, Changsha, China, December 2009
15 McCalden R W, McGeough J A, Barker M B, et al.Age-related changes in the tensile properties of cortical bone.Journal of Bone and Joint Surgery,1993;75-A:1193—1205
16 商恩义,高劲松,师玉涛. 侧面碰撞试验中前排假人背板力的应用研究.汽车技术,2014;(2):8—12
Shang E Y,Gao JS,Shi Y T. Study on application of the front-row dummy′s backplate force in side impact testing. Automotive Technology,
2014;(2):8—12
【相关文献】
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Wang Z F, Yang H. Occupant protection in side crash and design of thorax pelvis airbag.
Liaoning Institute of Science and Technology,2011;13(2):4—5,9
2 中华人民共和国道路交通事故统计年报(2013年度).公安部交通管理局,2014年6月
People's Republic of China road accident nations statistical yearbook(2013). Ministry of Public Security Traffic Management Bureau,2014.6
3 胡远志,曾必强,谢书港.基于LS-DYNA和Hyperworks的汽车安全仿真与分析.北京:清华大学出版社,2011
Hu Y Z, Zeng B Q, Xie S G. Automotive safety simulation and analysis based on LS-DYNA and hyperworks.Beijing: Tsinghua University Press,2011
4 车凯凯,王美松.安全气囊展开的三种数值模拟方法的对比. 汽车安全与节能学报,
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Che K K,Wang M S. The contrast of airbag deployment in three simulation
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5 代小芳,宗智,王喜军,等.折叠气囊展开过程 CV 和ALE 数值模拟方法对比研究. 汽车工
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Dai X F, Zong Z, Wang X J,et al.The comparative study of folded airbag deployment in CV and ALE numerical simulation method. Automotive Engineering,2008;30(8):676—680
6 葛如海.汽车安全工程. 北京：化学工业出版社,2005
Ge R H. Automotive safety engineering.Beijing: the Press of Chemical Industry, 2005
7 中华人民共和国标准.汽车侧面碰撞的乘员保护,GB 20071—2006
People's Republic of China Standard. Automative occupant protection of side impact,GB 20071—2006
8 Oshita F, Omori K, Nakahira Y, et al. Development of a finite element model of thehuman body.The 7th International LS-DYNA Users Conference,2002; 14(2): 205—212。