斜向撞击下HybridIII胸部的动力学响应与损伤评价*

赖兴华,周 青

(1.清华大学汽车工程系，汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084; 2.清华大学苏州汽车研究院(相城)，苏州 215000)



2015153

斜向撞击下HybridIII胸部的动力学响应与损伤评价*

赖兴华1,2,周 青1

(1.清华大学汽车工程系，汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084; 2.清华大学苏州汽车研究院(相城)，苏州 215000)

基于经验证的HybridIII有限元模型，进行假人胸部水平面内斜角度碰撞的仿真，对比了其在不同角度(30°，45°和60°)、不同速度的撞击下的动力学响应和变形特性,分析了HybridIII胸部斜向受载的生物逼真度。结果表明，HybridIII胸部斜向动力学响应不符合人体尸体响应要求，斜向载荷作用下假人胸部内置传感器的输出会显著低估了胸部可能遭受的伤害风险，容易得出错误的胸部损伤评估结论。

斜向撞击；Hybrid III；胸部；动力学响应；损伤

前言

大量研究表明，车辆斜向碰撞在现实交通事故中占较高比例。文献[1]中研究发现正面碰撞事故中只有28%的车辆发生了正面全宽碰撞，超过70%的车辆发生斜向或偏置碰撞。文献[2]中研究了正面碰撞随碰撞角度改变的分布，发现纯正面碰撞仅占20%，其他大部分是斜向碰撞。斜向碰撞改变了车辆载荷传递路径和乘员的运动姿态，削弱了乘员约束系统(occupant restraint system, ORS)的保护效果，乘员的受伤风险显著增加。文献[3]中研究发现佩戴安全带的乘员在40km/h左右的斜向碰撞事故中的致死率为11%，约为正面碰撞的3倍。其中，前斜角度30°，60°是造成乘员胸部伤害的主要碰撞角度[4]。

在过去的几十年里，汽车被动安全领域的研究重点为特定方向碰撞工况(正面碰撞、侧面碰撞或追尾碰撞)下的乘员保护。由于汽车碰撞模式和车身结构的耐撞性及对乘员的保护效果高度关联，因此，根据法规试验要求，面向特定方向碰撞工况设计的耐撞性车身结构和乘员约束系统在实际的复杂碰撞工况(如斜向碰撞)中很可能达不到预期的乘员保护效果。斜向碰撞下乘员和约束系统的相互作用比正面碰撞或侧面碰撞更加复杂，乘员胸部正面、侧面及介于正面和侧面之间的斜向区域常常遭受来自安全带、安全气囊和汽车内饰部件的复杂载荷作用。作为汽车法规试验和约束系统设计的重要工具，汽车碰撞假人一般是针对有限的、单一的碰撞载荷工况设计的，其在斜向载荷甚至是复杂载荷的作用下对乘员伤害风险评估的适用性值得研究。

例如，Hybrid III是针对正面碰撞工况设计开发的[5]，其胸部结构在水平正向载荷冲击下的力学响应特性满足生物力学要求，其胸部内置的胸位移传感器测量前后方向(anterior-posterior, A-P)的胸部变形，胸部损伤准则也仅适用于A-P方向。在实际车辆碰撞试验中，由于三点式安全带对Hybrid III胸部的非对称加载，远离胸部正向中心的区域常受动态加载，胸部位移传感器的输出和沿加载方向的实际胸部压缩量很可能是不同的，这导致实际胸部损伤风险难以评估。文献[6]中研究了正面碰撞工况下佩戴安全带乘员胸部多点位置的压缩量，发现最大胸部压缩量发生在胸部正向中心位置的概率只有25%。文献[7]中对比了Hybrid III和志愿者胸部在不同截面大小压头的静态加载作用下的变形特性，发现斜向加载时假人胸部内置传感器低估了实际胸部最大压缩量。迄今，对Hybrid III胸部进行多方向动态冲击力学行为的研究较少，Hybrid III在斜向冲击载荷作用下的胸部响应是否满足人体尸体(post mortem human subjects, PMHS)响应要求尚不清楚，有必要开展斜向(指水平斜向)冲击下Hybrid III胸部响应与损伤评价的研究。

本文中使用验证过的Hybrid III有限元模型，研究了Hybrid III胸部在多种碰撞角度和不同冲击速度作用下的力学响应，比较了假人胸部在不同载荷条件下的力学行为和损伤风险评价，以及胸部斜向和侧向的力学响应逼真度。

1 研究方法

1.1 Hybrid III有限元模型

本文中研究使用清华大学和ESI集团联合开发的高逼真特性Hybrid III 50百分位男子假人有限元模型[8]，见图1。该模型由160个部件，42 518个节点和87 764个单元组成。模型几何形状、质量分布和转动惯量符合法规对Hybrid III的要求。使用线性黏弹性材料表征假人颈部、腰椎和肋骨、维尼龙皮肤等橡胶件，使用非线性应变率相关泡沫材料卡(nonlinear strain rate dependent foam)模拟假人皮肤衬垫和四肢皮肤泡沫。使用准静态加载模拟和预模拟方法实现了假人模型的装配，使用基于自适应响应面的优化方法系统标定了模型的材料参数。该假人模型在部件层和系统层分别通过了多个载荷工况的验证，其力学响应不仅满足法规要求，而且在较宽的速度范围内与硬件假人响应吻合较好。以胸部验证为例，在不同速度的正向水平冲击载荷作用下，胸部动力学响应同时满足SAE J2779对假人胸部低速冲击响应要求和CFR PART 572对假人胸部高速冲击响应要求。该假人模型具有较高的逼真度，适用的速度范围较宽，能较好地预测汽车碰撞工况下的乘员运动状态、力学响应和损伤风险。

1.2 仿真模型的建立

在PAM-CRASH环境下，按照Hybrid III假人胸部标定试验规范调整和设置假人姿态[9]。假人模型端坐于刚性地面上，调整骨盆角度与水平面成13°角，调整颈部支架使假人头部D平面保持水平，调节假人双臂相互平行且保持水平(图2)。摆锤定义为刚体，质量为23.4kg，直径为150mm，摆锤中心位于第3根肋骨(从上到下)中心位置往下12.7mm处，和假人模型胸部保留1mm距离，定义摆锤和假人胸部的接触深度为0.8mm。

调整假人模型和摆锤的相对位置，以实现从不同水平方向对假人胸部进行冲击加载，如图3所示。摆锤的加载轴线通过假人胸部的质心。给摆锤一个初速度，约束摆锤沿加载方向水平移动。碰撞角度定义为，加载轴线反方向和人体解剖学前向的水平夹角。正向加载为沿人体解剖学前向，碰撞角度为0°；纯侧向加载时碰撞角度为90°；加载位置介于胸骨中心和胸部侧向之间的区域，为斜向加载，碰撞角度介于0°～90°之间，主要关注斜向30°，45°和60°时的假人胸部动力学响应特性。定义两个典型冲击速度，分别为CFR Part 572法规要求的6.7m/s[9]和SAE J2779标准要求的3.0m/s[10]。另外，参考PMHS试验加载工况，60°角碰撞增添了2.5和4.5m/s两个速度载荷工况[11-12]。

定义模型输出摆锤接触力和胸部压缩量。胸部冲击载荷由摆锤和胸部的接触输出。胸部压缩量包括加载位置的胸部实际压缩变形和假人胸部内置的位移传感器记录的胸骨正向压缩量。在第3根肋骨上沿加载方向选取两个相对节点创建杆单元，用于测量胸部沿加载方向的压缩变形，即胸部实际压缩量。给杆单元设置较小的刚度(10-4N/mm)，确保碰撞过程中杆单元的变形抗力很小，不影响肋骨和胸部的动力学响应。假人前向胸部压缩量通过内置的位移传感器输出。模型输出通道的采样频率设置为10kHz，通道滤波符合法规要求[9]。

1.3 胸部响应与损伤分析

首先，综合比较了Hybrid III胸部在不同碰撞角度和不同冲击速度下的载荷时间曲线、胸部压缩量(加载位置)时间曲线和载荷对胸部压缩量(加载位置)曲线，分析了假人胸部的动力学响应特性。其次，结合PMHS胸部生物力学研究进展，研究了Hybrid III胸部斜向60°(2.5和4.5m/s)的力学响应特性，并通过与PMHS试验数据比较，评估Hybrid III的生物逼真特性。此外，比较了沿加载方向的胸部压缩变形和Hybrid III内置的位移传感器测量结果，评估假人内置传感器输出对于斜向载荷工况的胸部实际损伤评价的有效性。

2 结果分析与讨论

2.1 不同碰撞角度下假人胸部力学响应对比

图4为Hybrid III在不同速度和不同角度载荷冲击下的动力学响应。结果表明，假人胸部响应随碰撞角度的增加呈愈加刚硬的特征。随着碰撞角度从胸部前向朝侧向转变，假人胸部冲击载荷峰值逐渐增大，受载位置的胸部压缩量明显减小，脉宽也逐渐变短。

表1为不同速度下胸部最大载荷和最大压缩量随碰撞角度变化的比较。表中：Fmax为最大载荷；TFmax为最大载荷发生时刻；ΔFmax为斜向碰撞相比正向碰撞的最大载荷偏差，ΔFmax=(Fmax(斜向)-Fmax(0°))/Fmax(0°)×100%；Dmax为最大胸部压缩量；TDmax为最大胸部压缩量发生时刻；ΔDmax为斜向碰撞相比正向碰撞的最大胸部压缩量偏差，ΔDmax=(Dmax(斜向)-Dmax(0°))/Dmax(0°)×100%。由表可见：当碰撞角度从0°增大到60°，3m/s速度冲击下峰值载荷增加了约81%，当冲击速度进一步提高到6.7m/s，峰值载荷增长了一倍左右；对比0°和60°碰撞角度冲击工况发现，3m/s速度冲击下，斜向60°角度碰撞的最大胸部压缩量相比正向冲击胸部压缩量降低约39%，6.7m/s冲击下，斜向60°胸部压缩量约为正向冲击工况的一半。

表1 胸部峰值载荷和最大胸部压缩量随碰撞角度的变化

图4(c)和图4(d)对比了不同速度冲击下的假人胸部压缩量-时间曲线。观察60°碰撞角度下的假人胸部压缩量曲线的峰值和脉宽均比其他碰撞角度下小，说明Hybrid III胸部在60°碰撞角度下的动力学响应相比其他角度下更刚硬。这可能是因为假人胸部结构呈近似圆角矩形，60°碰撞角度受力沿着胸部矩形的对角线，肋骨主要承受轴向力(弯曲较小)，所以胸部斜向区域受载时的胸部压缩量比其他碰撞角度下加载产生的胸部压缩量小。

从图4(e)和图4(f)看出，Hybrid III假人胸部在0°～45°角度载荷冲击作用下的动力学响应呈明显的黏弹性特性，即曲线出现了初始峰值载荷和第2峰值平台载荷，这反映了假人胸部的阻尼材料的黏性作用。假人肋骨的阻尼材料的黏性作用不仅和外界施加的载荷快慢有关，也和碰撞角度相关，高速冲击下的胸部初始刚度明显高于低速冲击工况。在相同的速度冲击作用下，随着碰撞角度增大，胸部动力学响应在加载段经历第1峰值载荷之后呈线性快速增长，无明显的平台力，但在卸载段呈非线性下降趋势。说明假人胸部在45°～60°载荷冲击作用下加载段肋骨弹簧钢的弹性起主导作用，卸载阶段则是阻尼材料的黏性起主要作用。

2.2 胸部压缩量和胸部位移传感器输出对比

图5和图6分别示出低速、高速和不同碰撞角度下假人实际胸部压缩量和胸部位移传感器的输出曲线对比。

对比不同碰撞角度下的位移曲线，发现当碰撞角度为0°时，胸部位移传感器输出较好地捕捉了假人胸部的实际压缩量，两者没有明显差别。随着碰撞角度增大，胸部位移传感器输出明显小于胸部的实际压缩变形，且最大实际胸部压缩量和位移传感器记录的最大变形的差异随着碰撞角度的增大而逐渐增加，如表2所示。表中：Dmax′为胸部位移传感器输出最大值；Dmax为实际胸部压缩量最大值；Tmax为最大值发生时刻；ΔDmax为传感器输出最大值相比实际胸部压缩量最大值偏差，ΔDmax=(Dmax′-Dmax)/Dmax×100%。

由表可见：当碰撞角度为0°～45°时，胸部位移传感器记录的最大压缩变形与实际胸部最大压缩量偏差在7%以内；当碰撞角度为45°～60°时，胸部位移传感器显著低估了假人实际胸部受到最大压缩变形，如斜向60°碰撞，胸部位移传感器输出最大值比实际胸部最大压缩位移降低51%～55%。

表2 最大胸部压缩量和胸部位移传感器测量值比较

胸部压缩变形量是较稳健的胸部损伤评判指标。当假人胸部受到斜向载荷时，胸部实际最大压缩变形发生在加载位置(斜向位置)，而非胸部位移传感器所在的正向中心。用位移传感器输出来评价乘员的胸部损伤实际上低估了乘员实际可能发生的伤害风险。因此，采用单一的胸部位移传感器来评价假人胸部伤害风险是不合理的。

2.3 假人胸部斜向和侧向响应与PMHS数据对比

图7和图8为Hybrid III模型在60°碰撞角度低速和高速冲击作用下的动力学响应和PMHS数据对比。结果表明，Hybrid III模型胸部在斜向60°的动力学响应比PMHS胸部响应刚硬。Hybrid III模型在胸部斜向区域(如60°)的动力学响应偏刚硬，这主要是由其肋骨结构决定的。Hybrid III假人肋骨的阻尼材料在正向冲击时能发挥良好的黏性作用，但在斜向冲击时效果不明显，此时，弹簧钢的弹性特性占主导作用。因此，该斜向碰撞角度下Hybrid III模型胸部响应没有呈现出类似PMHS范围的平台力。

2.4 胸部轮廓变形分析

图9显示胸部第3根肋骨平面在斜向45°、速度6.7m/s载荷冲击作用下的轮廓变形过程。图10为低速和高速载荷作用下胸部轮廓(第3根肋骨平面)初始形状和最大变形轮廓对比。观察发现，Hybrid III模型假人肋骨在强烈的冲击载荷作用下，主要发生宏观的整体变形，不发生类似PMHS肋骨骨折的局部变形。这主要是因为Hybrid III模型肋骨由弹簧钢和阻尼材料粘接而成，假人肋骨弹簧钢除提供人体胸部弹性响应，更多是为保持整体高刚性，以保证优良的抗冲击性能。然而，其带来的不足是，假人肋骨整体动力学响应偏刚硬，无法反映安全带等集中载荷作用下的乘员肋骨的局部变形甚至是骨折。

3 结论

(1) Hybrid III模型假人在设计的正面碰撞工况下的响应满足生物力学要求，在非设计载荷方向(如斜向60°)的动力学响应偏刚硬，生物逼真度存在不足。当碰撞角度偏离设计载荷方向时，冲击载荷峰值增加，响应脉宽缩短，胸部压缩量减小。相同速度冲击下，胸部斜向60°受载时的实际胸部压缩变形低于胸部其他方向受载变形。假人胸部的动力学响应特性和部件材料、结构组成及肋骨的拓扑结构显著相关。

(2) 当Hybrid III模型胸部经受斜向载荷作用时，假人内置位移传感器的输出往往会低估胸部的损伤风险。当碰撞角度偏离假人前向45°时，胸部位移传感器记录的最大压缩变形对实际胸部最大压缩量低估约7%；随着碰撞角度进一步远离胸部前向，Hybrid III模型假人胸部位移传感器的输出对假人胸部伤害风险的低估愈加显著。

(3) Hybrid III模型的胸部肋骨结构偏刚硬，在典型冲击载荷作用下无法准确反映实际事故中乘员肋骨可能发生的局部变形(如骨折)。

(4) 综上所述，Hybrid III模型胸部结构不适用于诸如斜向碰撞等复杂载荷工况的乘员损伤风险评价。

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Dynamics Response and Injury Assessment of Hybrid-IIIThorax Subjected to Oblique Impact

Lai Xinghua1,2& Zhou Qing1

1.DepartmentofAutomotiveEngineering,TsinghuaUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSafetyandEnergy,Beijing100084; 2.SuzhouAutomobileResearchInstitute(Xiangcheng),TsinghuaUniversity,Suzhou215000

Based on verified Hybrid-III finite element model, a simulation of the oblique impact on dummy thorax in horizontal plane is conducted to compare its dynamics response and deformation characteristics with different impact angles (30°，45° and 60°) and impact speeds, and analyze the biofidelity of Hybrid-III thorax under oblique crash. The results show that the dynamics response of Hybrid-III thorax to oblique impact is not in accordance with the biomechanical responses of human cadaver and the output of the built-in sensor of dummy thorax under oblique loading may obviously underestimate the injury risk of thorax, which is then prone to lead to erroneous conclusion on thorax injury assessment.

oblique impact; Hybrid-III; thorax; dynamics response; injury

*国家自然科学基金(50975156)资助。

原稿收到日期为2013年7月31日，修改稿收到日期为2014年3月6日。