汽车正面碰撞中人体坐姿对驾驶员伤害的分析

2015-01-01鞠海蒙

机械工程与自动化 2015年5期

鞠海蒙，沈辉，孙亚，孙健

（扬州大学机械学院，江苏扬州 225127）

0 引言

汽车碰撞之前，乘员的坐姿除了受坐垫倾角以及靠背刚度的影响之外，还会因为个人的身高以及驾驶的习惯不同而改变，从而导致驾驶员的头部与方向盘间距离的改变。在碰撞过程中，人的头部主要受到安全气囊的约束保护，头部与方向盘间的距离决定着安全气囊对头部保护的效果，因此，碰撞中头部受到的伤害与人体坐姿存在着必然的联系。

本文使用多刚体系统动力学软件MADYMO建立正面碰撞模型，并进行相应的仿真分析，以假人的头部损伤值HIC为主要参考依据，对比碰撞试验数据，验证仿真的效果；利用仿真模型分析假人坐姿对乘员伤害的影响，为汽车座椅的设计优化提供理论依据。

1 正面碰撞模型的建立

基于多体（MB）动力学计算和显式动态有限元（FE）计算，利用 MADYMO软件建立车体模型，选用HybridⅢ第50百分位男性假人，采用三点式多刚体-有限元安全带模型，建立安全气囊的有限元模型并定义其FE接触，以构建汽车正面碰撞成员的约束系统模型，如图1所示。

2 验证仿真的效果

为了能使用MADYMO软件分析人体形态保护效果，必须将其所建立模型的仿真数据与实车碰撞试验中得到的大量数据进行对比，验证MADYMO所得到数据的准确度。其模型的验证遵循“自下而上”的规则进行，力和加速度信号需满足“起始时刻、形状、峰值、峰值时刻及脉宽”等基本特征，若与试验数据的误差小于25%，则认为模型是有效的。图2为人体倾角为0°时实车碰撞试验数据与仿真数据的对比。

由图2可以看出，仿真数据与试验数据的基本走向大体相同，但也存在一定的误差，头部合成加速度的仿真数据最大峰值出现在85.1ms时刻，数值为422.84m／s2，而试验数据的峰值则出现在87.5ms时刻，数值为447.85m／s2，两者的误差为5.58%；胸部合成加速度的仿真数据最大峰值出现在65.4ms时刻，数值为337.33m／s2，而试验数据的峰值则出现在66.9ms时刻，数值为306.58m／s2，两者的误差为10.03%；髋部合成加速度的仿真数据最大峰值出现在57.0ms时刻，数值为632.77m／s2，而试验数据的峰值则出现在54.9ms时刻，数值为606.49m／s2，两者的误差为4.33%。分别对比头部、胸部及髋部的加速度，其误差值都控制在15%之内，且加速度峰值出现的时间也大体一致，误差也在3ms之内，所以模型是有效的。

图1 MADYMO正面碰撞乘员约束系统模型

3 人体坐姿对乘员响应的影响

由于人体的上躯干与下躯干的交点H点的位置是以坐姿舒适性以及操作方便性为前提，所以假人坐姿的调节首先要固定好H点位置。坐姿的变化主要是通过改变人体上躯干相对于Z轴的倾角，即在MADYMO软件中调节假人脊柱跟头部的角度。分别对前倾10°、前倾为0°及后倾10°三种状态进行仿真计算，得到的各组加速度数据和伤害输出如表1所示。

分析头部合成加速度和伤害输出数据可知：前倾角度越小头部加速度峰值则越大，且增幅较大，头部HIC值也同样有较大的增加，这是由于在发生碰撞时，适当的前倾角可以使得驾驶员能及早地与完全弹开的安全气囊相接触，这样可以及时降低头部加速度，减轻头部的损伤。

图2 实车碰撞试验与仿真数据的对比

表1 改变坐姿时人体各部加速度和伤害输出

分析胸部合成加速度和伤害输出数据可知：前倾角度越小胸部加速度峰值越小，且前倾角度为正值时，其变化较明显，而前倾角度为负值时，即人体后倾时，其变化较小。分析髋部合成加速度可知：加速度峰值基本相等，这是因为调节倾角是调节脊柱以上人体部位，所以倾角的变化对髋部没有影响。

若继续增大前倾角至15°时，则头部合成加速度会出现如图3所示的情况。由图3可知：前倾角至15°时到达波峰的时间明显提前，即在碰撞时安全气囊没有完全弹开的情况下，头部就开始接触安全气囊，此时安全气囊充气过程会给头部一个反作用力，对头部的冲击非常大，甚至可能致命，这样安全气囊不但保护不了驾驶员，而且会对驾驶员造成更大的伤害，驾驶员应该尽量避免这样的情况发生。另外，由于气囊展开模型采用的是均匀压力模型，其具有一定的局限性，不适用安全气囊未完全展开即接触头部的情况，所以此时计算的加速度值和伤害输出值是有误差的。