基于仿真分析的乘员小腿损伤改进

鲁后国，李铁柱，阚洪贵

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）



基于仿真分析的乘员小腿损伤改进

鲁后国，李铁柱，阚洪贵

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

汽车正面碰撞过程中小腿损伤是最常见的损伤形式之一，乘员舱入侵往往会增加小腿的损伤几率。脚垫可以有效缓冲腿部载荷，降低小腿损伤。文章针对某车型正面碰撞中乘员小腿胫骨轴向载荷较大的问题，提出增加脚垫的方案，建立了该车型的乘员约束系统模型，并对该模型小腿运动和损伤进行了模型验证。基于该模型对脚垫方案进行了验证和优化，乘员约束系统仿真分析验证了方案的有效性，并制作脚垫样件，最终整车试验验证了方案的工程实用性。

小腿损伤；脚垫；正面碰撞；乘员约束系统分析

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.06.012

CLC NO.: U467.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)06-33-04

引言

随着C-NCAP的实施和不断升级，国内汽车企业对于车辆安全也越来越重视，总体来说国内的汽车安全性能水平提升较快，多说汽车企业都开发了五星级的车型，但针对乘员个别部位的保护仍不理想，特别是针对小腿和胸部的保护仍存在较大的改进空间[1]。针对2015年C-NCAP管理中心发布的所有车型进行统计分析，正面碰撞中小腿的平均得分率仅为 75.1%，略高于得分率最低的胸部，偏置碰撞中的小腿得分率仅为 77.2%。腿部伤害通常是非致命损伤，不足以直接危机人体生命，但小腿胫骨骨折损伤恢复往往需要较长时间，有时可能导致永久的残疾，给患者带来严重伤害，给社会带来巨大的经济损失。因此降低碰撞过程中的小腿损伤具有非常重要的意义[2-3]。

本文首先介绍了小腿的损伤指标，并针对某款车型正面碰撞中乘员小腿轴向载荷偏大的问题，提出了增加脚垫的改进方案，建立了乘员约束系统模型，并完成了小腿运动和轴向受力状态的模型验证，在该模型的基础上对脚垫方案进行了分析验证，并制作了脚垫样件，最终整车试验验证了脚垫对于降低小腿的轴向载荷具有明显效果。

1、小腿损伤指标

小腿损伤主要表现在小腿胫骨的骨折，小腿承受轴向力或是弯矩是造成骨折的主要原因，如图1所示。为此小腿胫骨评价指标主要有两个：小腿胫骨轴向压缩力和胫骨指数TI （Tibia Index）[4-5]。小腿胫骨指数TI是综合考虑小腿承受轴向力和弯矩情况的损伤指标，是根据小腿轴向力 FZ、MX和MY加权计算所得，其计算公式如式1所示。假人小腿载荷传感器位于上下两端，如图2所示。上端和下端均包括轴向力和弯矩指标，小腿损伤评价中以最恶劣的指标作为最终的评价。

式中：MX为绕小腿X轴的弯矩；MY为绕小腿Y轴的弯矩；(MC)R为临界弯矩，数值为225 Nm；FZ为小腿Z向的轴向载荷；(FC)Z为小腿临界轴向压缩力，数值为35.9 kN；

图1　小腿胫骨骨折损伤

图2　小腿传感器位置

2015版 C-NCAP管理规程中规定了小腿损伤指标的限值。胫骨指数的高、低性能限值分别为0.4和1.3；轴向力的高、低性能限值分别为2 kN和8 kN，高低限值分别对应满分和零分，处于两者之间的测量值采用线性插值的方法计算得分评价。

2、小腿损伤改进方案分析

图3　整车碰撞分析

某车型按照2015版C-NCAP管理规程要求完成了整车50 km/h正面碰撞试验如图3所示。针对乘员舱完整性方面，前围歇脚板位置入侵量较小，但乘员侧小腿轴向力指标远远超过了C-NCAP规定的2 kN高性能限值，如图4所示，乘员左小腿轴向力达到3.1 kN，右小腿轴向力达到4 kN。

图4　乘员侧左小腿轴向力

为此分析得出乘员舱入侵会增加小腿损伤的风险，但是入侵量不是造成小腿损伤的唯一因素，小腿所受的外部载荷和小腿自身的惯性力也是造成小腿伤害的主要因素。小腿自身的惯性力与整车碰撞加速度相关，而小腿所承受的外部载荷主要包括地板接触力，仪表板接触力和膝盖施加的载荷。考虑到主要是小腿轴向力FZ超标，轴向载荷主要来自地板接触力和膝盖作用力，膝盖作用力相对小腿来说属于外力，相对假人属于内力无法实施优化方法。因此优化的方向集中在减小来自地板的接触力。由图4可以看出地板接触力直接作用在脚部，往上传递至小腿下，再传递至小腿上，由于小腿上下传感器之间的惯性力存在，因此小腿下胫骨力大于上胫骨力。降低地板接触力可有效减小下部胫骨力和上部胫骨力。因此考虑在脚部与地板之间增加脚垫的方案来实现降低脚部接触力的目的。脚垫采用吸能缓冲 PP发泡材料，刚度目标初步设计为脚部压头压缩80%时载荷不超过2 kN。根据乘员侧前地板结构初步确定了脚垫方案，如图5所示。

图5　乘员侧脚垫方案

3、乘员约束系统模型建立与验证

3.1约束系统模型建立

为了验证脚垫方案的有效性，建立了该车乘员侧的约束系统模型，模型中包括了详细的座椅座垫结构、仪表板结构、安全带和气囊等。车体部分进行了刚体化处理，整车碰撞中的左B柱下减速度曲线作为该模型的输入条件。模型中使用了LSTC公司提供的混三50百分位男性假人。整体模型如图6所示。

图6　乘员约束系统模型

3.2模型验证

模型验证主要是确保得到一个良好的模型，该模型能够真实反映碰撞的物理过程，特别是该模型中小腿响应与试验的一致性，对小腿运动姿态和轴向力进行了对比，如图7所示，(a图中在75ms左右仿真中脚部和小腿运动姿态与试验基本一致，(b图中对比了仿真和试验中小腿轴向力曲线，曲线整体趋势，峰值出现时刻和大小都比较吻合，该模型可以用于脚垫方案的性能验证。

图7　小腿响应对比

4、方案改进分析及验证

4.1仿真分析验证

图8　增加脚垫的约束系统模型

基于验证的乘员约束系统模型，在该模型中增加了脚垫，针对假人下肢位置完成了假人坐姿重新定位，模型如图8所示。

增加脚垫前后乘员左小腿轴向力曲线对比如图9所示，可见优化后左小腿下、上轴向力分别为2534N和1782N，相比原始方案分别降低了30%和38%，小腿轴向力明显改善。

图9　仿真中小腿轴向力对比

4.2试验验证

根据脚垫方案试制了改进后的样件，如图10所示，按照C-NCAP要求完成了整车正面碰撞试验。

图10　脚垫样件

图11　整车试验中左小腿轴向力对比

增肌脚垫后乘员左小腿轴向力对比如图11所示，可见改进后后左小腿下、上轴向力分别为2592N和2052N，相比原始方案分别降低了35%和34%。乘员左小腿轴向力大幅度降低，整车试验结果验证了方案的有效性，脚垫可以有效降低小腿轴向力损伤。

5、结论

（1）正面碰撞中小腿损伤概率较高，其不仅与乘员舱入侵相关，与自身惯性力和地板接触力有很大关系，设计前期需要重点关注。

（2）脚垫对于改善小腿的轴向力指标具有明显的作用，适用于驾驶员和副驾驶员两侧，乘员约束系统仿真分析可以有效验证和优化脚垫方案，提高小腿的保护效果。

[1] 赵福全，吴成明，潘之杰，等.中国汽车安全技术的现状与展望[J].汽车安全与节能学报.2011(2)：l11-121.

[2] 田涌君，张亚军，曾必强. 正面碰撞中乘员小腿伤害的优化分析[J].机电工程，2015.32(6)：812-816.

[3] 郭庆祥，王桃英，王楠.正面碰撞假人小腿伤害因素分析[J]. 汽车工程师.2015.(6)：42-47.

[4] 中国汽车技术研究中心. C-NCAP管理规程（2015版）[M]. 天津：中国汽车技术研究中心.2015.

[5] 伍腾飞，景旭.正面碰撞中假人小腿伤害影响因素分析[C]. 第十四届中国汽车技术安全学术会议论文集.北京：安全分会，2011：344-349.

Improvement of Occupant's Tibia Injury Based on Simulation Analysis

Lu Houguo, Li Tiezhu, Kan Honggui
（Anhui Jianghuai Automotive Co. Ltd, Anhui Hefei 230601）

The tibia injury is one of the most common formsduring a frontal impact. The passenger compartment intrusion tends to increase the chances of leg injuries. The foot pads can effectively buffer load and reduce tibia injury. In this paper, aiming at the problem that the axial load of tibia is big in frontal impact, the foot pad is used. Theoccupant restraint system model is built and validated. Based on the model the proposal is validated and optimized. The occupant restraint system simulationanalysis verifies the effectiveness of the proposal, and the foot pad prototype is made, the final vehicle testing verify the engineering practicability of the proposal.

Tibia Injury; Foot Pad; Front Impact; Occupant Restraint SystemAnalysis

鲁后国，就职于安徽江淮汽车股份有限公司。

U467.1

A

1671-7988 （2016）06-33-04