考虑乘员损伤的客车车身侧翻安全性研究*

陈吉清，黄成杰，师唯佳，兰凤崇，马聪承

(1.华南理工大学机械与汽车工程学院，广州 510640;2.广东省汽车工程重点实验室，广州 510640;3.美国罗格斯-新泽西州立大学，新布伦斯威克市萨默赛特大街85号，08901)

前言

近年来，长途客车、公交车和校车等交通事故频发，大型客车更是多次成为群死群伤特大交通事故的肇事主体。因此，大客车被动安全性不足的问题引起了社会各界的强烈关注。据不完全统计，2008～2011年，客车的侧翻事故约占客车碰撞事故的40%，其死亡人数约占客车碰撞事故死亡人数的37%，其受伤人数约占客车碰撞事故受伤人数的47%［1］。可见，探究客车侧翻过程中乘员的人体损伤对保护乘员生命安全具有重大意义。

文献［2］中运用试验和仿真相结合的方法对客车侧翻的变形机理进行了研究，并通过改变车身侧围和顶盖连接处的结构来改善侧翻抗撞性;文献［3］中在客车车身的顶边纵梁处增加了吸能结构，以吸收上部结构在侧翻过程中的变形能量;文献［4］中通过计算机仿真分析对侧翻过程中乘员运动情况进行了探讨。这些研究对深入了解车身变形机理、车身结构安全性和可靠性作出了贡献，然而乘员的损伤和防护问题才是车身安全工作的核心，本文着眼于这个问题进行探索。

从某型大客车车身中截取车身段结构，首先通过试验和仿真分析对比来验证客车车身段模型的有效性。然后在模型中加入假人，并分佩戴和不佩戴安全带两种情况，对侧翻事故进行仿真。通过Head Injury Criteria(HIC)和 Neck Injury Criterion(NIC)这两项乘员损伤指标考察侧翻事故中人体的损伤程度，并对损伤机理进行分析，分析结果为更好地评价和改善客车的碰撞安全性提供了参考指标。

1 客车车身段侧翻试验

1.1 试验准备

ECE R66要求，每个车身段至少应该包括2个“Bay”，而且试验车身段应该与整车的形状、几何尺寸、材料和连接方式完全相同，因此在某款大客车中提取车身段结构，其形状、尺寸和零件材料等与整车保持一致。车身段长 1 640mm、宽 2 532mm、高3 050mm，主要由顶盖、地板、侧围和底架组成。为记录侧翻过程中法规规定的生存空间的侵入量和车身上部结构截面对角线的变形量，试验选用了拉线式位移传感器FIRSTMARK YK160。传感器布置如图1所示，其中传感器1布置于侧围立柱内侧，用于测量生存空间的相对侵入量;传感器2布置于侧窗立柱与地板的交汇处，用于测量上部结构截面对角线的相对变形量。按法规要求初始位置的车轮离地高度为800mm，试验过程中车身段的质心高度应与整车质心高度保持一致。由于车身段中没有车轮，本次试验需要加高翻转台高度使车身段有足够的离地高度。制造出的翻转台长2 990mm，宽1 243mm，高1 264mm，如图1所示，翻转台底座通过地脚螺栓固定于地面。ECE R66法规要求侧翻试验的举升速度不得超过5°/s，经计算天车吊钩的慢速挡满足要求，因此使用天车吊钩作为翻转的动力源。试验准备完毕的车身段侧翻试验模型如图1所示。

1.2 侧翻试验

试验开始后翻转台底座上的翻转面开始绕铰链转动，车身段在翻转面上以小于5°/s的速度倾斜，挡杆的约束作用限制了它沿Y方向的平动位移，车身段继续倾斜直到临界失稳状态，然后开始脱离翻转台进入仅受重力加速度的侧翻状态。侧翻过程中，车身段经历了“临界失稳”、“空中翻转”、“接触地面”和“翻转结束”4个姿态，如图2所示。生存空间的侵入量和车身上部结构截面对角线的变形量数据通过数据采集仪DH5922记录，并使用配套软件分析处理，处理后数据以车身段首次触地变形时刻作为起始时刻，如图3和图4所示。

从图3和图4可知，首次接触地面时车身段的上部结构发生了较大的变形，其中生存空间相对侵入量达到了峰值137.54mm，上部结构截面对角线相对变形量达到了峰值248.65mm;然后车身段反弹并离开地面上升，此时变形量有所减小，说明进入了材料的弹性恢复阶段;伴随着车身再次碰撞地面，生存空间相对侵入量和上部结构截面对角线的相对变形量均有不同程度的波动，直到车身运动停止后变形量终值分别是115.82mm和139.45mm，表明车身段还存在较大的有效塑性变形。测量所得的侧围立柱与生存空间的初始距离为231.06mm，而图3反映出相对侵入量的峰值为137.54mm，侵入量达峰值时余量有93.52mm，即生存空间并没有被侵入。

2 车身段侧翻仿真分析

2.1 建立车身段有限元模型

按照上述侧翻试验中车身段的尺寸、形状、材料和连接方式等在有限元软件Hypermesh中建立车身段模型，并根据ECE R66的要求建立生存空间(图5)［5］。模型主要由四边形和少量三角形壳单元组成，其中四边形壳单元47 836个，三角形壳单元120个，刚性单元354个，模型如图6所示。车身段模型中所有的焊接关系通过共节点和刚性连接来模拟，不考虑失效。

2.2 侧翻仿真分析

车身段侧翻仿真历程如图7所示，运动过程、车身触地部位与最终形态和侧翻试验保持一致。从侧翻仿真结果来看，车身段上部结构的大变形集中在首次触地阶段，变形过程在200ms内完成，整个运动历程可分为5个阶段。

(1)车身段在翻转台的举升作用下绕铰链做定轴转动。

(2)车身段运动到临界状态做空中翻转，此时势能转化为动能，翻转速度不断提高。

(3)车身段与地面首次接触，接触部位为车身顶盖的顶边纵梁部分，此次接触造成车身段上部结构的大变形。从仿真历程看，生存空间在大变形中并没有被侵入。

(4)车身段进入弹性恢复阶段，并从地面反弹，其塑性变形此时基本完成。

(5)车身段整体撞击地面，最后静止于地面，整个过程中生存空间并未被侵入。

2.3 试验与仿真分析结果对比

提取出侧翻仿真时车身段生存空间相对侵入量曲线和上部结构截面对角线相对变形曲线，并与试验结果进行对比，分别如图8和图9所示。从图8和图9可以看出，试验结果和仿真分析所呈现出的生存空间相对侵入量和对角线相对变形十分接近，峰值的相对误差分别只有1.25%和5.12%，满足工程精度要求。生存空间的相对侵入量仿真分析峰值为129.64mm，没有超过231.06mm的初始距离，可以充分说明生存空间并没有被侵入。对角线相对变形在试验碰撞后2s时刻已经趋于稳定，而仿真结果还有小幅波动，这主要是因为仿真计算中没有考虑车身结构的阻尼特性，导致振荡的衰减比试验结果要慢。

通过上述分析可以认为，所建立的车身段有限元模型能较好地反映车身段在侧翻碰撞过程中的变形情况，在侧翻过程中生存空间并没有被侵入，因此也验证了所研究的模型是符合ECE R66法规要求的客车模型。

2.4 乘客损伤评价方案

尽管客车车身在整个侧翻过程中生存空间并没有被侵入，符合ECE R66法规要求，但是这并不能充分说明乘员在侧翻事故中得到了良好的保护，为考察侧翻事故中乘员损伤情况，本文中在车身段中加入假人模型，从乘员约束系统的工作情况出发，提出两种乘员损伤的评价方案，分别是不佩戴安全带(方案一)和佩戴安全带(方案二)。假人模型用于模拟碰撞过程中人体的运动状态和分析人体的损伤机理，结合头部伤害指数HIC和颈部损伤指标NIC对人体损伤程度进行评价，以更好地评价车辆的被动安全性。模型选用LSTC HybridⅢ50th男性假人，由4 376个单元和7 402个节点组成。通过前处理工具Ls-PrePost的Dummy-Positioning功能对假人进行坐姿定位，定位完成通过Ls-PrePost的Seatbelt-Fitting功能后对佩戴安全带方案的模型进行安全带匹配。两种方案的模型如图10和图11所示。

为使在以下的分析说明中对假人进行区分，各假人按照从左到右的顺序编号，如图12所示。

2.5 考虑乘客损伤的侧翻仿真分析

假人不佩戴安全带(方案一)的侧翻历程如图13所示。整个碰撞过程持续500ms，车身段上部变形主要集中在首次触地时，生存空间并没有被侵入。1、3和4号假人均与车身段直接碰撞，由于车身骨架没有蒙皮，4号假人在碰撞过程中伸出到车身骨架外，2号假人在1号假人的阻隔下避免了与车身段的直接接触。碰撞过程可以分为6个阶段。

(1)车身段与地面接触且在很短的时间内上部结构发生了大变形，车身段触地后开始反弹，假人由于惯性和重力作用开始脱离座椅。

(2)1号假人与正处于反弹上升阶段的车身骨架接触，碰撞部位主要是假人的头部、右肩和车身段的侧窗玻璃，碰撞后1号假人也伴随车身段做上升运动。

(3)2号假人在下降过程中与1号假人接触，碰撞部位是1号假人的左肩和2号假人的腰部。

(4)4号假人在下降过程中与上升中的车身段碰撞，碰撞部位是假人的头部和车身段顶盖的小纵梁，由于车身骨架没有蒙皮，4号假人与车身骨架接触后头部直接伸出到车身骨架外。

(5)车身段上升到最高位置后开始下降，3号假人在下降过程中与车身骨架接触，碰撞部位是假人的头部和车身段的顶盖小纵梁。

(6)车身段继续下降，直至与地面再次接触，剧烈碰撞过程趋于结束。

在不佩戴安全带侧翻历程中，虽然车身段符合ECE R66法规要求，生存空间并没有被侵入，但是假人与车身还是发生了剧烈的碰撞。从假人的运动状态可以看出，假人的头部、胸部和腰部等重要部位均受到不同程度的损伤。

3号和4号假人与车身骨架顶部的接触部位和撞击力如图14和图15所示。从图中可以看出，假人的撞击姿态是头朝下与水平面的夹角超过45°，接触时身体质量通过人体的颈部传达到头部并集中于接触面上，撞击部位是人体头部与车身段顶盖纵梁，撞击力分别达到了14和11kN，极大的撞击力对人体头部和颈部造成严重伤害。下面对头部和颈部损伤指标进行剖析。

假人佩戴安全带(方案二)的侧翻历程如图16所示。跟方案一相同的是，整个碰撞过程持续500ms，车身段上部变形主要集中在首次触地时，碰撞过程中生存空间并没有被侵入。由于安全带的约束作用，4个假人中只有1号假人与车身骨架发生接触，其他3个假人均没与车身骨架碰撞。碰撞过程可以分为4个阶段。

(1)车身段与地面接触，上部结构在很短的时间内发生了大变形，车身段触地后开始反弹，假人由于惯性和重力作用开始具有脱离座椅的趋势。

(2)1号假人跟正处于反弹上升阶段的车身骨架接触，碰撞部位主要是假人的头部、右肩和车身段的侧窗玻璃，碰撞后1号假人也伴随车身段做上升运动。

(3)2、3、4号假人均有脱离车身段的趋势，但两点式安全带把它们约束在座椅上使它们只能跟随车身段运动，其间1号假人与2号假人和3号与4号假人之间均有相互接触。

(4)车身段上升到最高位置后开始下降，直至再次与地面接触，剧烈碰撞过程趋于结束，4个假人始终位于座椅上。

在假人佩戴安全带的侧翻仿真中可以看到，虽然车身段发生了剧烈的碰撞和大变形，但假人由于安全带的约束作用而始终位于客车座椅上，极大限度地避免了跟车身骨架的直接接触。假人头部、胸部和腰部等重要部位受到损伤的情况不再出现，更没有假人头部伸出车身骨架外的情形。

3 人体损伤评价

人体损伤主要发生在车内的二次碰撞时，此时人体在惯性力与接触力的共同作用下要承受相当大的机械冲击载荷。当这些载荷超越了人体可以承受的限度，就会发生人体损伤。从上述仿真分析中可知，客车侧翻过程中乘员损伤主要集中在头部、颈部和胸部。下面根据仿真结果对头部和颈部的损伤指数进行深入的分析和探索。

(1)HIC 计算公式［6］为

式中:t0、te为仿真开始和结束时间;t1、t2为使HIC达到最大值的脉冲初始和终止时刻，其间隔不大于36ms;R(t)为合成加速度。

HIC值的大小与头部损伤的程度有直接关系。美国汽车医学协会(AAAM)制定了一个解剖学尺度的损伤评定标准AIS［7］。损伤程度与AIS的对应关系如表1所示，HIC值达到1 000被认为发生AIS 3级以上的头部损伤风险为24.4%;HIC值达到2 000被认为发生AIS 3级以上的头部损伤风险为93.9%。因此，通常将HIC=1 000作为头部损伤的安全界线，不过在设计阶段HIC≤700被认为是安全范围。

表1 AIS与损伤程度对应关系

通过HybridⅢ假人头部的加速度传感器，在仿真分析中能获取假人头部的合成加速度历程曲线，运用式(1)对加速度曲线积分可以得到各假人的HIC36，数值如表2所示。

表2 假人头部伤害指标(HIC)

从以上的仿真分析结果可以看出，佩戴安全带后假人的HIC值有较大下降。特别是对于3号和4号假人，HIC36下降的幅度更为可观，其中3号假人的HIC36下降了74.2%，4号假人的 HIC36下降了79.2%，HIC值均低于700。究其原因，3号和4号假人在不佩戴安全带的情况下与车身段顶盖横梁发生了极为剧烈的直接碰撞，即使生存空间没有被侵入，假人的运动也远远超出了车身安全区域的范围，因此车身的被动安全性、人体保护能力根本不发挥作用。佩戴安全带后，仅有1号假人在整个碰撞过程的开始阶段与车身的玻璃部分发生接触，其他假人在侧翻期间基本上被约束在生存空间中，从HIC可以看出人体的头部损伤被控制在较低水平。

(2)颈部损伤指标(NIC)是目前最为常用的评价颈部损伤的指标。这个指标提出后经过Bostrom等人的研究后简化为一个数值NICmax。该数值指的是在颈部受力后150ms内NIC的最大值，推荐的NIC 极限值为 15m2/s2，其计算公式［8］为

其中

通过HybridⅢ假人颈部的传感器，在仿真分析中能获取假人第一块胸椎和头部质心的加速度和速度历程曲线，对曲线上数值进行读取，通过式(2)可以求出NICmax，数值如表3所示。

颈部损伤指标表明，佩戴安全带后4个假人模型的NIC值均有不同程度的下降。其中3号和4号假人的NIC值下降最为明显，3号假人的NICmax下降了73.9%，4号假人的NICmax下降了74%。从仿真历程可以看出，4号假人在不佩戴安全带的情况下头部通过车身段顶盖部分的孔伸出到车身骨架外，导致颈部受到很大的轴向和剪切载荷，因而NICmax达到了33.1m2/s2。相关研究表明，当 NICmax达到15m2/s2时，颈部会有50%的损伤风险;当NICmax达到32m2/s2时，颈部会有100%的损伤风险［9］。佩戴安全带后，假人的运动约束在座椅上，除1号假人外，其他假人的头部与车身没有直接接触，因此颈部仅需承受头部的惯性力和胸部的拉力的合力，所以NICmax均控制在较低水平。

表3 假人颈部损伤指标(NICmax)

4 结论

(1)依据ECE R66法规实施的车身侧翻试验表明，车身符合法规要求，同时侧翻仿真分析结果也表明车身生存空间没有被侵入，试验与仿真所获得的生存空间相对侵入量和上部结构截面对角线相对变形量曲线无论在波峰形状还是变形趋势上都比较接近，其中变形峰值的相对误差分别只有1.25%和5.12%。数据对比分析验证了有限元模型在侧翻时能较好地反映出试验时的车身运动与变形状况。

(2)满足法规要求的车身结构不一定能为乘员提供良好的保护，只了解车身的运动和变形更不足以评判乘员在侧翻事故时的损伤状况。本文在车身段中加入LSTC HybridⅢ50th男性假人，考察佩戴和不佩戴安全带两种方案时的损伤情况。结果表明，不佩戴安全带时人体的运动范围已经远超生存空间范围，特别是远离撞击侧的3号和4号假人，其头部均撞击到车身顶盖，4号假人的头部甚至完全伸出车外。而佩戴安全带的假人在侧翻工况下得到了良好的身体保护，整个碰撞过程假人均被限制在座椅上，活动范围基本上处于生存空间以内，仅有1号假人在碰撞开始阶段与车身的侧窗玻璃有接触。

(3)研究结果表明，佩戴安全带时HIC和NIC均有较大幅度的下降，4个假人中HIC最大值从3 187降到664，下降了79.2%，小于设计标准的700，属于安全范围;NICmax最大值从33.1m2/s2降到10.5m2/s2，下降了68.3%，小于15m2/s2的推荐极限值。

从以上分析中得出结论，乘员约束系统是侧翻碰撞发生时人体保护的关键，即使是符合法规要求的车身在侧翻时也需要约束系统的有效工作才能发挥出良好的被动安全性和优越的乘员保护能力。

［1］ 李毅．大客车侧翻碰撞安全性设计与优化关键技术研究［D］．华南理工大学，2012．

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［3］ 姜勇，那景新，王童．某客车侧翻安全性吸能结构的设计［J］．汽车工程，2012，34(5):443 －446．

［4］ Guler Mehmet A，Atahan Ali O，Bayram B．Crashworthiness Evaluation of an Intercity Coach Against Rollover Accidents［J］．Int．J．Heavy Vehicle Systems，2011，18(1):64 －82．

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［8］ Ola Bostrom，Rikard Fredriksson，Yngve Haland，et al．Comparison of Car Seats in Low Speed Rear-end Impacts Using the BioRID Dummy and the New Neck Injury Criterion(NIC)［J］．Accident Analysis and Prevention，2000，32(2):321 －328．

［9］ Anders Kullgren，Linda Eriksson，Ola Bostrom，et al．Validation of Neck Injury Criteria Using Reconstructed Real-Life Rear-end Crash With Recorded Crash Pulses［J］．ESV 18，05 －0288:1 －14．