基于车辆-护栏碰撞的乘员风险评价指标相关性分析

时凤奎

(天津市交通教育培训中心, 天津 300012)



基于车辆-护栏碰撞的乘员风险评价指标相关性分析

时凤奎

(天津市交通教育培训中心, 天津 300012)

针对车辆护栏碰撞时的乘员安全风险评价，建立了车辆-乘员-护栏碰撞系统有限元模型，并依据试验结果进行了模型有效性验证。利用HyperMesh和LS-DYNA软件，选取50,70,100 km/h 和120 km/h等不同碰撞速度，和20°,25°,30°等不同碰撞角度组合，进行了12组车辆护栏碰撞仿真试验，获取碰撞过程中车辆质心处和乘员头部纵向、横向、垂向的加速度数据，进而计算分析了乘员加速度伤害指标(ASI)、理论头部碰撞速度(THIV)、碰撞后头部减速度(PHD)以及头部伤害指标(HIC)等乘员风险评价指标值。在此基础上，采用SPSS统计软件，分析了各乘员风险评价指标与头部伤害指标HIC的量化对应关系。研究结果表明：ASI与HIC具有较好的相关性;ASI与HIC之间用指数函数拟合，且拟合度为0.91。

交通工程；评价指标；车辆-护栏碰撞;乘员风险;相关性分析

0 引言

护栏是对失控车辆进行安全防护的重要道路交通基础设施。据统计，我国高速公路交通事故中约有30%是由于车辆与路侧护栏碰撞后失控驶离道路导致的，且由此造成的特、重大恶性交通事故占比达到60%以上。因此，如何评价车辆与护栏碰撞过程中的乘员安全风险显得十分必要和具有现实意义。

实车足尺碰撞试验是国内外通用的交通安全防护设施和车辆本体安全性能评价方法，其关键在于乘员安全风险评价。目前我国针对车辆护栏碰撞的乘员安全风险评价指标相关性的研究经验较少。文献[1]选取了10余组车辆实车碰撞护栏的试验案例进行了对比，结果表明，我国现行交通安全防护设施标准规范的乘员风险评价指标限值偏高。文献[2]研究发现车辆重心10 ms平均加速度的变化对头部和胸部伤害的影响呈较为强烈的线性关系，且对乘员的头部损伤影响最大。交通安全防护设施和车辆本体安全性能评价目标一致，但二者在相关标准中的评价指标迥异。如何统一量化现行交通安全防护设施的乘员风险评价指标与乘员头部伤害指标的对应关系问题亟需研究。因此，本文建立车辆-乘员-护栏碰撞系统有限元模型，并依据试验结果进行了模型有效性验证。借鉴EN 1317，利用Hyper Mesh和LS-DYNA软件，选取碰撞速度为50，70，100 km/h 和120 km/h，碰撞角度为20°，25°和30°条件下，对12组车辆护栏碰撞试验进行模拟分析，计算ASI、THIV以及PHD等乘员风险评价指标值。在此基础上，分析现行交通安全防护设施的乘员风险评价指标与乘员伤害值HIC的量化对应关系。该研究成果将对我国护栏相关标准制、修订，试验研究及开发具有指导意义。

1 基础理论

乘员风险是指车辆与护栏碰撞过程中乘员受到的伤害程度。乘员风险评价方法分为车辆乘员风险评价方法和防护设施乘员风险评价方法，分别以交通安全防护设施和车辆为对象，其具体评价方法分为欧盟和美国两大体系。

1.1 车辆乘员风险评价方法

车辆碰撞乘员风险评价方法在美国的《乘员在车内碰撞时的保护》(FMVSS 201)、《乘员碰撞保护》(FMVSS 208)及《侧撞保护》(FMVSS 214)等，欧盟的《正撞乘员保护》(ECE R94)、《关于车辆侧面碰撞乘员保护认证的统一规定》(ECE R95)等均有体现。我国现执行的《汽车正面碰撞的乘员保护》(GB 11551)、《汽车侧面碰撞的乘员保护》(GB 20071)，及《乘用车后碰燃油系统安全要求》(GB 20072)，主要来源于欧盟标准体系。

车辆乘员风险评价法是通过在车辆上安装特定的碰撞试验假人模拟车辆与护栏碰撞时乘员的运动响应，通过内置于假人体内关键部位的传感器采集数据，进而计算乘员受伤程度，直接评价指标包括头部伤害指标(HIC)、胸部性能指标(THPC)及腿部性能指标(FPC)等。本文仅考虑头部伤害指标(HIC)作为乘员风险直接评价指标。

头部伤害指标(HIC)是用于评价车辆碰撞护栏试验中乘员头部伤害程度的重要指标[3]。按式(1)计算：

(1)

式中，a(t)为碰撞过程中假人头部中心处的合成加速度；t1,t2为碰撞过程中的从初始接触到最后接触的任意两个时刻，t2-t1≤36 ms。在我国现行护栏相关规范中，规定头部伤害指标(HIC)不应超过1 000，即乘员头部所能承受的伤害极限值。

2.2 交通安全防护设施乘员风险评价方法

交通安全防护设施乘员风险评价方法在欧盟的《道路防护系统》(EN 1317)[4]和美国的《安全设施评价手册》(MASH)[5]最具代表性，我国现执行的《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05—01)就是在此基础上衍生而来[1]。该评价方法提出了乘员风险模型，如连枷空间模型和加速度严重指数(ASI)，用测量车辆加速度的间接方法，作为车内乘员安全性能的替代指标[1]。车辆与护栏碰撞过程中，通过加速度传感器采集车辆质心处纵向、横向、垂向的三向加、减速度数据，进而计算乘员伤害指标值。其评价指标包括加速度严重性指数(ASI)、理论头部撞击速度(THIV)及碰撞后头部减速度(PHD)[6]。

(1)加速度严重性指数(ASI)

加速度严重性指数(ASI)是评价车辆碰撞护栏过程中乘员伤害严重程度的指标[7]。按式(2)计算：

(2)

(2)理论头部碰撞速度(THIV)

头部碰撞速度(THIV)是乘员头部和乘员舱内部碰撞的瞬间相对速度，用于衡量乘员(头部)撞击乘员舱内表面的剧烈程度。按式(3)计算：

(3)

式中，Vx(T)和Vy(T)分别为在碰撞瞬间乘员相对于车体坐标系的速度。

(3)碰撞后头部减速度(PHD)

碰撞后头部减速度(PHD)是车辆碰撞护栏后，乘员头部与乘员舱内部表面接触，二者相同的减速度。按式(4)计算：

(4)

表1 乘员风险评价指标

上述两种乘员风险评价方法均致力于将标准与实际乘员损伤的概率联系起来，在实际车辆和交通安全防护设施设计过程中，各方均按照不同评价指标执行。我国针对车辆护栏碰撞的乘员安全风险评价指标相关性的研究经验较少。因此，本文研究目的在于利用12组实车足尺碰撞试验数据，探讨交通安全防护设施碰撞与车辆耐撞性测试之间乘员风险评价指标的关系。

2 车辆护栏碰撞系统模型建立及验证

2.1 车辆-乘员-护栏碰撞系统模型建立

利用前处理软件HyperMesh，导入某乘用车和某半刚性两波梁护栏模型，建立车辆-乘员-护栏碰撞系统模型[8]。车辆前排座椅安放2个HybridⅢ型假人，并予以配载保证其质心高度与实车满载质心高度偏差不超过0.02 m[9]，其基本技术参数如表2所示。

表2 车辆-乘员-护栏碰撞系统参数

利用LS-DYNA软件，车辆与护栏以碰撞速度100 km/h、碰撞角度20°进行碰撞仿真。将轮胎与地面、车身与护栏、假人与车辆内饰件，及假人与安全带设置成自动接触，车辆与护栏间的摩擦系数取0.1，轮胎与地面间的摩擦系数取0.7。车辆-乘员-护栏碰撞系统有限元模型如图1所示。

图1 车辆护栏碰撞系统模型Fig.1 Vehicle-guardrail impact system model

2.2 模型有效性验证

按照前述车辆-乘员-护栏系统仿真碰撞试验条件，准备相应实车护栏碰撞试验。车辆-乘员-护栏系统碰撞过程，如图2所示。将实车碰撞试验采集的车身质心处加速度与相应的仿真结果对比见图3，二者的线形和值域基本吻合，从而验证了车辆-乘员-护栏碰撞系统有限元模型的有效性。

图2 实车碰撞试验Fig.2 Real vehicle impact test

图3 质心处加速度值Fig.3 Acceleration values at centroid

3 车辆碰撞护栏的动态响应分析

车辆与护栏碰撞过程是复杂的动力学过程，碰撞结果与护栏结构形式、车辆总质量、碰撞速度、碰撞角度、车辆质心高度以及车辆几何尺寸等诸多因素有关[10]。在前述车辆-乘员-护栏碰撞系统基础上，本文选取了碰撞速度分别为50,70,100 km/h 和 120 km/h，碰撞角度分别为20°,25°和30°情况下，共计12组车辆与护栏碰撞试验进行模拟分析。

3.1 车辆运动轨迹与姿态

车辆碰撞护栏后的运动轨迹和姿态对乘员损伤严重程度有着很大影响。通过12组仿真碰撞试验，其最大俯仰角、最大侧倾角以及驶出角见表3。

表3 最大俯仰角、最大侧倾角以及驶出角

碰撞过程中车辆的运行状态各不相同。仿真结果表明：除碰撞角度30°且碰撞速度120 km/h时，车辆的最大侧倾角到30.9°，其他最大俯仰角和最大侧倾角均非常小。碰撞后车辆与护栏未出现阻绊、横转、掉头等现象，其驶出角均小于碰撞角度的60%[11]。

3.2 乘员风险间接评价指标3.2.1 理论头部碰撞速度(THIV)与碰撞后头部减速度(PHD)

车辆碰撞护栏理论头部碰撞速度(THIV)与碰撞后头部减速度(PHD)，见表4。仿真分析结果表明：由于波形护栏横向发生弯曲变形吸能，理论头部碰撞速度(THIV)与碰撞后头部减速度(PHD)均未超过评价指标阈值，符合EN 1317有关规定。

表4 车辆碰撞护栏理论头部碰撞速度与碰撞后头部减速度

3.2.2 加速度严重性指数(ASI)

通常加速度严重性指数(ASI)达到C级属于高危险情况[12]。仿真试验结果加速度严重性指数，见表5。仿真分析结果表明：当车辆碰撞速度达到120 km/h 时，车辆与护栏碰撞具有较高的危险性。

表5 加速度严重性指数

3.3 头部伤害指标(HIC)

试验假人HIC值见表6。通过碰撞仿真试验可知，随着碰撞速度增加，HIC值呈递增趋势；随着碰撞碰撞角度增加，HIC值亦呈递增趋势。在碰撞速度120 km/h且碰撞角度30°时，试验假人HIC值超过标准范围值1 000。其主要由于车辆与护栏碰撞时，试验假人头部与车门发生二次碰撞，导致其HIC值达到1 529，对乘员安全造成威胁。

表6 试验假人HIC值

4 乘员损伤相关性分析

在前述研究基础上，采用SPSS统计软件拟合计算，得到假人头部伤害指标(HIC)与乘员加速度严重性指数(ASI)、理论头部碰撞速度(THIV)及碰撞后头部减速度(PHD)等乘员风险间接评价指标的关系。拟合度R2是判断回归模型拟合程度优劣最常用的数量指标。拟合度R2越大，模型拟合程度越高。

(1)ASI与HIC相关性

经计算，假人头部伤害指标(HIC)与乘员加速度严重性指数(ASI)的回归模型见式(5)，该回归模型的拟合度R2为0.92，该模型拟合度较好。

(5)

式中，HIC为乘员头部伤害指标;ASI为乘员加速度严重性指数。二者关系曲线如图4所示。

图4 ASI和HIC关系图Fig.4 Relation between ASI and HIC

(2)THIV与HIC相关性

经计算，假人头部伤害指标(HIC)与理论头部碰撞速度(THIV)的回归模型见式(6)，该回归模型的拟合度R2为0.53，该模型拟合度弱，很难说明二者间具依赖关系。

HIC=0.005·THIV3.95，

(6)

式中，HIC为乘员头部伤害指标；THIV为理论头部碰撞速度。二者关系曲线如图5所示。

图5 THIV和HIC关系图Fig.5 Relation between THIV and HIC

(3)PHD与HIC相关性

经计算，假人头部伤害指标(HIC)与碰撞后头部减速度(PHD)的回归模型见式(7)，该回归模型的拟合度R2为0.66，该模型拟合度较弱。

(7)

式中，HIC为乘员头部伤害指标；PHD为乘员加速度伤害指标。二者关系曲线如图6所示。

图6 PHD和HIC关系图Fig.6 Relation between PHD and HIC

5 结论

研究表明：车辆与护栏碰撞过程中，乘员加速度伤害指标(ASI)与头部伤害指标(HIC)之间具有较好的相关性。乘员加速度伤害指标(ASI)与头部伤害指标(HIC)采用指数函数拟合，且拟合度为0.91。该研究成果将有助于车辆和交通安全防护设施在设计过程中乘员安全风险评价指标的统一，对我国车辆和护栏相关标准制、修订，试验研究及开发具有指导意义。

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Correlation Analysis on Occupant Risk Evaluation Indexes Based on Vehicle-guardrail Impact

SHI Feng-kui

(Tianjin Traffic Education Trainning Center, Tianjin 300012, China)

For the assessment of occupant safety risk under vehicle-guardrail impact, a finite element model of vehicle-occupant-guardrail impact system is established, and the effectiveness of the model is verified based on the test result. Selecting the combinations of different impact speeds such as 50 km/h, 70 km/h, 100 km/h, 120 km/h and different impact angles such as 20°, 25°, 30°, 12 groups of vehicle-guardrail impact simulation test are conducted by HyperMesh and LS-DYNA softwares. The acceleration severity index (ASI), theoretical head impact velocity (THIV), post-impact head deceleration (PHD) and head injury criterion (HIC) of occupants are analyzed according to the longitudinal, transverse and vertical acceleration data of vehicle centroid and occupant head obtained from the impact process. On this basis, the corresponding quantitative relations of occupant risk assessment indexes with HIC are analyzed by SPSS statistical software. The research result shows that (1) there is a good correlation betweenASIandHIC; (2)ASIandHICshould be fitted with exponential function, and the fitting degree is 0.91.

traffic engineering; evaluation index; vehicle-guardrail impact; occupant risk; correlation analysis

2016-01-12

时凤奎(1958-)，男，天津人，硕士，高级工程师.(shfk2016@126.com)

10.3969/j.issn.1002-0268.2016.09.023

U467.14

A

1002-0268(2016)09-0148-06