不同行驶速度对校车学生乘员损伤影响

方真群

(厦门金龙汽车座椅有限公司，福建厦门 361024)



不同行驶速度对校车学生乘员损伤影响

方真群

(厦门金龙汽车座椅有限公司，福建厦门 361024)

摘要：采用有限元分析软件LS-DYNA3D建立某款校车座椅乘员约束系统仿真模型，根据国标GB24406-2012，对该模型分别加载4种减速度波形，对比分析不同行驶速度下乘员头部HIC值、胸部3 ms加速度值和腿部轴向压力值。结果表明：学生乘员头部损伤随校车行驶速度的增大而明显增大；当行驶速度小于48 km/h时，学生乘员胸部损伤随行驶速度的增大而缓慢增大，当行驶速度大于48 km/h时，行驶速度对学生乘员胸部损伤影响较为显著。

关键词：校车座椅；行驶速度；约束系统；学生乘员；损伤

0引言

近年来，校车安全事故在全国各地频有发生，交通事故已经成为学生伤亡的主要原因之一。为提高校车安全性能，保证学生的乘车安全，国务院于2012年4月首次颁布并实行《校车安全管理条例》，并于同年5月份发布了《专用校车安全国家标准》，对我国校车的设计制造、使用管理和安全性进行了规范[1]。2015年7月，东莞发布了校车管理新规《东莞市校车安全管理办法(送审稿)》，该办法规定：载有学生的校车在高速公路上行驶的最高时速不得超过80 km/h，在其他道路上行驶的最高时速不得超过60 km/h[2]。根据GB24406-2012[3]中的动态试验方法，应对校车座椅进行行驶速度为30～32 km/h的模拟台车试验，从而确保乘员在校车行驶速度小于30 km/h时可以受到充分的保护。但当校车在30～50 km/h的车速下发生碰撞时，校车的约束系统对乘员的保护是未知的，因此文中建立现有某款校车座椅的有限元仿真模型，研究该校车在不同行驶速度下的乘员损伤情况。

1乘员约束系统模型的建立

将座椅三维模型导入HyperWorks软件中进行几何清理、划分网格等前处理[4]，对座椅骨架部分多采用shell单元进行网格划分，对靠背、座垫等泡沫件采用实体单元，为节省计算时间，删去了影响较小的后排靠背和前排坐垫组件。

此校车模型是针对中学生的，依据国标GB24406-2012，选用HybirdIII 第5百分位的女性假人模型来模拟中学生，主要部件有头部、颈部、胸部、腹部、臀部和四肢等，假人各部分质量和转动惯量都符合试验用假人，人体各部分的关节用球形铰链和旋转铰链单元定义，并用非线性的扭矩弹簧和阻尼单元连接,来模拟人体各部分之间的弹性变化，胸部和颈部这些关键部位都设置成柔性，能模拟碰撞过程中人体关键部位的损伤情况[5]。

安全带在乘员碰撞过程中起着非常重要的作用。在此模型中，将安全带分为两部分建模，与人体接触部分用2D薄壳单元，模拟安全带在人体身上的滑动；未与人体接触部分采用1Dseatbelt单元，模拟安全带在碰撞过程中的松弛度。建立好的乘员约束系统模型如图1所示[6]。然后对该模型施加不同行驶速度的波形，分析乘员在不同行驶速度下的损伤情况。

图1　校车乘员约束系统模型

2仿真结果分析

通过仿真计算，得出假人各部位损伤的一系列曲线，参考国标GB24406-2012，对假人的头部合成加速度、胸部合成加速度和腿部轴向压力曲线分别进行不同频率的滤波，曲线对比结果如图2所示。

图2　乘员损伤曲线

根据碰撞结果，当假人的脚部与挡板开始接触时，挡板对人的作用力从脚部传递到腿部，此时大腿的轴向压力产生了一个峰值；然后由于假人脚部受到挡板的限制，假人臀部逐渐不再向前移动，而假人的上半身继续向前运动，在行驶速度为32 km/h时，假人胸部加速度在头部碰撞到座椅之前达到峰值，然后头部在撞击座椅时产生最大加速度[1]；在行驶速度为40～55 km/h时，假人头部和胸部的加速度最大值均在头部撞击靠背的过程中产生，且头部加速度先于胸部加速度达到峰值。

将仿真所得曲线根据GB24406-2012中要求进行处理，并计算出假人在不同行驶速度下的头部、胸部和腿部的损伤值，对比结果如表1所示。

表1　不同速度情况下的乘员损伤指标对比

对比不同行驶速度下的乘员损伤情况可知:假人的头部损伤情况会随着行驶速度的增加而有明显增大的趋势；胸部3 ms加速度的最大值在行驶速度为32～48 km/h时，呈平缓变化的趋势，当行驶速度大于48 km/h时，假人的胸部3 ms加速度值会出现剧烈增加的现象；在行驶速度为32～55 km/h时，碰撞过程中的能量主要发生在头部碰撞前排座椅的阶段，因此假人的腿部损伤基本保持不变。

3结论

通过研究某款校车座椅在不同行驶速度下的乘员损伤情况可知：

(1)校车在低速碰撞时，行驶速度对乘员的头部损伤影响较小，而对乘员的胸部和腿部损伤影响较大；

(2)当校车的行驶速度大于48 km/h时，对中学生乘员的头部和胸部会造成严重的损伤，而乘员的腿部损伤相对较小；

(3)在校车常用的行驶速度下，将校车的速度控制在30～50 km/h时，发生交通事故对中学生乘员的损伤最小。

参考文献:

【1】吕娜,谭卫锋,王亭,等.校车座椅乘员约束系统参数优化设计[J].厦门理工学院学报,2015(3):20-24.

【2】东莞市教育局.东莞市校车安全管理办法(送审稿)[M].

【3】全国汽车标准化技术委员会.GB24406-2012专用校车学生座椅系统及其车辆固定件的强度[S].北京:中国标准出版社,2012.

【4】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[M].北京：清华大学出版社,2011:18-46.

【5】韩双庆,王成龙.商务车正面碰撞有限元分析[J].计算机辅助工程,2006(16):144-147.

【6】叶松奎,吴长风,黄登封.校车座椅动态实验乘员损伤研究与优化[J].客车技术与研究,2014(5):17-20.

Effects of Different Driving Speed on Injury to Student Occupant in School Bus

FANG Zhenqun

(Xiamen Golden Dragon Auto Seat Co., Ltd., Xiamen Fujian 361024,China)

Abstract:Using finite element analysis software LS-DYNA 3D, the simulation model of a school bus seat occupant restraint system was built. According to the regulation of GB24406-2012, the model was loaded with four acceleration pluses respectively, so as to compare the head injury criterion (HIC), thorax 3 ms acceleration and femur force under different driving speeds. The results show that: the student occupant’s HIC raises seriously along with the increase of driving speed; when driving speed is less than 48 km/h, the student occupant’s chest injury grows lightly with it; while when it is more than 48 km/h, the driving speed has a severely impact on the chest injury of student occupant.

Keywords:School bus seat; Driving speed; Restraint system; Student occupant; Injury

收稿日期：2015-07-30

作者简介：方真群(1966—)，男，工程师，主要从事汽车座椅设计制造。E-mail：richardfang@autoseat.com.cn。

中图分类号:U270.38

文献标志码：A

文章编号：1674-1986(2016)01-026-02