轿车-载货汽车追尾事故中轿车驾驶员损伤严重性影响因素研究

李浩　张金换　刘晨　周勇（清华大学汽车安全与节能国家重点试验室，北京100084）



轿车-载货汽车追尾事故中轿车驾驶员损伤严重性影响因素研究

李浩张金换刘晨周勇
（清华大学汽车安全与节能国家重点试验室，北京100084）

【摘要】针对我国高速公路上频发的轿车-载货汽车追尾情况进行了仿真分析，明确了追尾事故中不同因素对轿车驾驶员损伤的影响程度。根据国家车辆事故深度调查系统数据库（NAIS）内事故汽车质量统计数据，从美国国家车辆碰撞和分析中心（NCAC）数据库中选择了合适质量的轿车与载货汽车模型并对模型的有效性进行了验证。采用正交分析法，分别对两车相对速度、碰撞重叠度、载货汽车后侧防护装置材料强度和离地高度等4个因素对轿车乘员舱侵入量和乘员头部、颈部、胸部、大腿力和小腿伤害的影响程度进行了分析。结果表明，车速和偏置度对乘员舱侵入量影响较大，两车相对车速、载货汽车后侧防护装置材料及高度对人体头部和颈部伤害影响较大。

1　前言

根据相关资料表明，在实际交通事故中，由于汽车质量差异较大而引发的危重交通事故通常为乘用车与载货汽车相撞，尤其是乘用车与载货汽车的追尾事故约占全部追尾事故的46%［1］。为限制此类事故对轿车乘员的伤害，2002年我国实施了GB11567.2《侧面与后面防护装置要求》法规。该法规中要求总质量大于3.5 t的载货汽车和牵引车后下部必须安装后侧防护装置。然而，由于载货汽车后侧防护装置未按规定设计、制造或安装，轿车—载货汽车追尾事故发生率与伤亡率均较高［2］。

为探讨后侧防护装置对轿车乘员伤害的影响因素，本文基于有限元与多刚体相结合的仿真方法对高速公路上发生频率较高的轿车—载货汽车追尾事故进行研究。由于轿车与载货汽车质量差异很大（往往在6倍以上），因此载货汽车乘员交通伤害程度很低，所以本文主要研究此类事故中轿车驾驶员损伤严重性的影响因素。

2　车辆模型的选取与验证

2.1汽车有限元模型的确定

为使所研究的车辆更具代表性，对NAIS数据库中的追尾事故（ACC_TYP=3）进行筛选，统计得到追尾事故中乘用车质量均值为1 522 kg，载货汽车质量均值为8.167 t。另外，从美国国家碰撞分析中心（National Crash Analysis Center，NCAC）有限元模型数据库中寻找最接近的有限元模型进行研究，该轿车与载货汽车有限元模型［3，4］如图1和图2所示。

图1　轿车有限元模型

图2　载货汽车有限元模型

整车有限元模型包括车身、发动机总成、传动总成、车架、车轮总成，不包含汽车座椅、转向盘和其它被动安全系统。其中，汽车车身、车身表面覆盖件利用3节点或4节点的壳单元模拟，使用多段线性弹塑性材料；而发动机、动力总成等部件使用实体网络，设定为刚体；车身部件之间的连接采用点焊单元；悬架采用球铰、转动铰、滑动铰等铰接单元进行模拟。对仿真过程中变形量较大的前保险杠、发动机罩、前挡风玻璃、防火墙及前车架进行网格细分，网格大小控制在15～20 mm，以提高仿真精度。考虑到碰撞过程中汽车前端结构褶曲变形量会较高、应变率大，因此在仿真计算过程中采用了Cow⁃per-Symonds材料模型，以提升模拟质量［5］。Cowper-Sy⁃monds模型中薄板材料为24号材料（24MAT）［6］。仿真所用轿车模型共包含495个部件，280 053个单元，287 957个节点，其单元参数质量均满足Hypermesh环境默认设置；载货汽车模型单元数为65 107，节点数为69 038，共计148个部件。

2.2驾驶员约束系统的建立

轿车有限元模型中没有乘员约束系统，无法使用有限元仿真得到乘员在事故中可能受到的伤害。因此，对NCAC提供的被动约束系统多刚体模型进行了适当修改，通过多刚体动力学软件MADYMO对乘员伤害进行仿真。对约束系统的调整主要有以下几个方面。

a.增加驾驶员左侧车门。该车门与车辆底盘进行了固定铰接（JOINT_FREE，Locked），假人与车门玻璃之间的接触特性参考驾驶员与前挡风玻璃间的特性。

b.更改安全气囊点爆时间。根据“7-30”原则［7］，轿车与载货汽车接触后轿车位移达到7英尺（17.78cm）的时刻减去30 ms得到气囊点爆时间，以此时刻对Sbag⁃firetime和Trgcon_1参数进行修改。

c.修改车体初速度。通过设置S2_C_PF_Slot_DR_ Interior下的INITIAL.JOINT_VEL对车体初始速度进行修改。

d.对车体碰撞过程中的加速度进行修改。将有限元仿真得到的轿车约束系统XYZ 3个方向的加速度施加给MADYMO轿车乘员约束系统仿真模型［8］，如图3所示。

图3　轿车乘员约束系统模型

2.3模型的验证

根据NCAC提供的轿车56.6 km/h正面碰撞试验报告以及该车LS-DYNA正面碰撞仿真数据进行比较分析。

2.3.1碰撞变形对比

由图4可看出，在正面碰撞仿真中，发动机罩在垂直方向上最大变形位于A柱中间位置，试验与仿真重合度较好。仿真中保险杠与轿车A柱范围内的变形量与试验结果也十分接近。因此，从碰撞变形的角度来说，该轿车模型具有良好的拟合度。

图4　轿车正面碰撞仿真结果与碰撞试验结果对比

2.3.2车辆动态响应对比

通过碰撞仿真与碰撞试验的动态特征对比可对车辆有限元结构的适用性进行评价。由图5可看出，该轿车B柱下方位置加速度及发动机下方位置加速度仿真值与试验值总体误差在10%以内，并且加速度峰值出现时刻非常接近。两个位置的整个正面动态响应过程变化趋势接近，具有很好的相似性，表明该轿车的有限元结构具有较高的动态仿真度。

图5　轿车发动机下方与左侧B柱加速度

2.3.3成员约束系统多刚体模型有效性

对约束系统多刚体模型进行了仿真，得到了假人头部加速度、颈部轴向力以及胸部压缩量变化曲线，如图6所示。从图6可看出，头部加速度最大值发生时刻的仿真值与试验值较一致，且变化趋势较接近；胸部压缩量最大值和发生时刻的仿真值与试验值高度一致；颈部拉伸力最大值的仿真值与试验值接近。总体上来说，该多刚体模型对假人在事故中的动态响应具有较好的拟合度，能够用于该车型乘员损伤重现仿真。

图6　乘员头部加速度、颈部拉伸力及胸部压缩量变化曲线

3　仿真条件与流程

目前，我国载货汽车后侧防护装置主要存在的问题［2］有：未安装防护装置；载货汽车后下部护栏离地间隙过高；防护装置构件横向尺寸不符合要求或者部分弯折；防护装置明显破损，未有效修复或更换。针对以上问题设定如表1所列变量进行模拟试验。

表1　模拟试验设定变量

为提高仿真计算效率，采用正交试验方法对表1中4个因素进行研究［9］，则各变量取值范围及水平如表2所列，通过正交试验方法设计的仿真参数水平如表3所列。仿真试验流程如图7所示。

4　仿真结果与分析

4.1轿车乘员舱侵入量分析

根据以上方案进行仿真试验。轿车乘员舱最大侵入量仿真结果如图8所示。

表2　各变量取值及水平

表3　各仿真参数取值

图8　各仿真中轿车乘员舱最大侵入量

乘员舱侵入量随时间变化曲线如图9所示。

图9　乘员舱侵入量随时间变化曲线

对乘员舱侵入量进行了正交试验分析（方差分析），结果表明，影响最大侵入量主次顺序为：相对速度、碰撞重叠度、载货汽车后侧防护装置离地高度、防护装置材料屈服强度。在4种不同因素中，两车的相对速度决定了碰撞能量的高低，而碰撞重叠度决定了碰撞过程中主要吸能结构的横向范围。碰撞能量越高，重叠度越小，载货汽车对于乘员舱侵入量越大，则乘员在事故中受伤的严重程度越高［10］。而载货汽车后侧防护装置离地高度与材料属性对于吸能结构的纵向尺寸和吸能能力有着一定的影响，但与相对速度和碰撞重叠度相比，这两种因素影响程度明显较低，仅为后两者的1/3～1/2。

4.2轿车乘员伤害指标分析

将有限元仿真得到的乘员舱加速度导入MADYMO仿真模型中，得到如表4所示的HybridIII假人的伤害指标。对假人各项伤害指标进行归一化处理，得到各仿真指标对假人伤害的影响显著性，如表5所列。

表4　HybridⅢ假人伤害指标

表5　归一化后各变量对各损伤指标的影响因素

由表5可知，重叠度对假人头部HIC和最大大腿轴向力有较大影响，影响因数分别达到了4.50和5.56，对胸部的影响则相对较小；相对速度对3个颈部伤害指标的影响都很大，其中对颈部最大剪切力的影响因数达到28.0，但对假人下肢的影响较小；载货汽车防护装置的离地高度对假人下肢的影响较大，其中对小腿伤害指标的影响因数达到4.67，但对头部和胸部的影响较小；材料屈服强度则对假人下肢、胸部压缩量和颈部最大轴向力的影响极为显著，其中对最大大腿轴向力的影响因数达到12.00。

导致上述问题的原因分析如下：

a.重叠度主要影响人体与车内相对横向位置，进而影响人体与车内饰接触部位，主要体现在头部与左侧车门和转向盘边缘接触，增大了头部HIC值，颈部剪切力值也较高［11］。

b.较高的相对速度提升了碰撞能量和碰撞过程中的加速度，使假人头部受到更大的惯性力，从而增加了颈部受力，对假人颈部和头部有比较显著的影响。

c.离地高度影响了轿车发动机舱和乘员舱的变形方式，对下肢损伤的影响较大。

d.载货汽车后侧防护装置防护强度（材料屈服强度）越强，轿车X方向加速度越高，人体与乘员约束系统接触的“缓冲效应”越小，因此会导致人体下肢和胸部对车辆的接触特性变得更“硬”，同时也会提高假人头部的加速度，增加对颈部的影响。

5　结束语

从汽车相容性的角度出发，采用正交试验法，针对轿车与载货汽车相对行驶速度、载货汽车后侧防护装置强度及离地高度和两车碰撞重叠度对轿车乘员舱侵入量以及轿车驾驶员身体各部位（头部、颈部、胸部、大腿和小腿）伤害情况进行了试验分析，结果表明：

a.汽车速度对乘员舱侵入量、头部HIC值、颈部损伤参数（轴向力、剪切力和颈部弯矩）、胸部VC指标均有非常显著的影响。

b.两车碰撞重叠度对最大侵入量发生时刻、最大侵入量以及头部HIC值及下肢损伤指标有着显著影响。

c.后侧防护装置强度对最大侵入量发生时刻、胸部压缩量、下肢损伤参数有非常显著的影响，并且对颈部轴向力以及胸部VC指标影响显著。此外，后侧防护装置强度并非越高（或越低）越好，应采用合适的后侧防护装置强度来降低对轿车乘员的伤害。

参考文献

1赵洋，岳大军，许颖，等.浅析大型载货汽车后下部防护装置的现状与改进措施.农业装备与车辆工程，2010（1）：11～13.

2杨能，白中浩，王岩.汽车和索引车后下部防护装置安装使用现状分析.湖南公安高等专科学校学报，2009，21 （1）：41～44.

3National Crash Analysis Center Library.［2006-06-03］http：//www.ncac.gwu.edu/vml/models.html.

4汽车碰撞安全性设计.北京：清华大学出版社，2010.

5王国春，成艾国，高晖，等.材料应变率对汽车碰撞性能影响的研究.汽车工程，2010，32（6）：482～485.

6National Crash Analysis Center Library.［2008-10-03］http：//www.ncac.gwu.edu/vml/models.html.

7Schroeder D D，Hussey B，Moore W A.Airbag inflators em⁃ploying coated porous substrates：U.S.Patent 5，668，345. 1997-9-16.

8National Crash Analysis Center Library.［2006-06-03］http：//www.ncac.gwu.edu/vml/occupant.html.

9Wheeler J B，Smith T，Siegmund G P，et al.Validation of the neck injury criterion（NIC）using kinematic and clinical re⁃sults from human subjects in rear-end collisions//Proceed⁃ings of the International Research Council on the Biome⁃chanics of Injury conference.International Research Coun⁃cil on Biomechanics of Injury，1998，26：335～348.

10Van Rooij L，Bhalla K，Meissner M，et al.Pedestrian crash reconstruction using multi-body modeling with geometri⁃cally detailed，validated vehicle models and advanced pe⁃destrian injury criteria//18th ESV Conference.2003.

11Lawrence G J L，Hardy B J.Pedestrian safety testing using the EEVC pedestrian impactors//16th ESV Conference. 1998.

（责任编辑文楫）

修改稿收到日期为2016年1月1日。

主题词：轿车-载货汽车追尾事故驾驶员损伤仿真

Study on Influencing Factors of Car Driver Injury Severity in Car-truck Rear End Collision

Li Hao，Zhang Jinhuan，Liu Chen，Zhou Yong
（State Key Lab of Automotive Safety and Energy，Tsinghua University）

【Abstract】In this research，car-truck rear end collisions which occur frequently on China highways are simulated and analyzed，and the influencing degree of different factors on car drivers’injury in rear-end collision is determined. According to the accident vehicle mass statistic data from National Automobile Accident In-Depth Investigation System （NAIS），car&truck model with suitable mass are selected from National Crash Analysis Center（NCAC），and effectiveness of these models are verified.An orthogonal test is conducted to analyze the influence of relative speed，overlap ratio，material strength and height of the rear end protection device of the truck on the intrusion of passenger compartment and driver injury parameters，such as the head，neck injury，thorax injury，under leg and shank injury.The results show that the vehicle speed and overlap ratio affect greatly passenger compartment intrusion.Relative speed and the material strength of protection device of the truck play a greater role affecting the injury severity of the driver’s head and neck.

Key words:Car-truck，Rear end collision，Driver injury，Simulation

中图分类号：U467.1+4

文献标识码：A

文章编号：1000-3703（2016）05-0057-05