正面碰撞中基于中国人体尺寸的假人损伤响应研究∗

2019-04-11颜凌波解文娜曹立波戴宏亮

汽车工程 2019年3期

颜凌波，解文娜，许伟，曹立波，戴宏亮，张恺

(1.汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室，重庆 400039； 2.湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082)

前言

汽车碰撞试验用假人是根据人体尸体的生物力学研究成果而设计的模拟人体结构与力学特性的机械装置，是评估乘员在碰撞载荷下遭受伤害风险的重要工具[1]。目前，全球应用最广泛的汽车碰撞假人是混III 50百分位男性假人[2]。该假人已普遍应用于汽车正面碰撞试验中，但该假人是基于欧美人体尺寸而设计，与我国人体尺寸存在一定的差异[3－4]。这些人体体型的差异，尤其在体质量上的差异会造成不同的乘员损伤响应和约束系统设计目标[5]。而我国汽车碰撞试验假人研究的滞后也成为我国汽车产业发展的瓶颈之一。因此，在工信部、科技部和中国汽车工程学会指导下，我国在2017年12月专门成立了中国体征碰撞假人工作组。由此可见，中国体征碰撞假人开发符合我国科技兴国战略要求，并受到越来越多的关注。

目前，我国有不少学者针对混III 50百分位男性假人和中国体征碰撞假人进行了各种条件下的试验性能对比。曹立波和白中浩等人对中国假人模型与混III 50百分位假人模型在正面碰撞中的响应差异研究表明，中国假人模型与混III 50百分位假人模型在车辆正面碰撞中的损伤风险差异很大，开发具有中国人体特征的假人具有重要意义[6－7]。朱宁宇通过分析不同体型假人在正面碰撞中的响应差异得出结论，在一定范围内，身材越小，损伤风险越大，现有的约束系统不利于保护小个子乘员[5]。张金换等人对比了中美不同百分位多刚体假人模型在正面碰撞中的损伤，结果显示，当正面碰撞速度低于50 km/h时，中国5百分位女性和50百分位男性驾驶员比相应的美国驾驶员损伤风险更高，进行车型开发时需要考虑人体尺寸的差异[8]。

但是，上述研究都是利用MADYMO多刚体假人模型进行的正面碰撞损伤研究，而多刚体动力学模型不如有限元模型能更细致精确地表现物理假人的动态响应。另外，目前汽车的驾驶员约束系统是针对混III假人而设计的，现有约束系统能否很好保护中国人体驾驶员仍不明确，而目前研究更多还是集中在两种假人对损伤响应的差异，并未针对约束系统参数对假人损伤响应的影响进行深入研究。为此，参照全体段缩放方法，根据中国人体尺寸对混III 50百分位整体假人有限元模型进行缩放得到中国50百分位假人有限元模型，并建立某量产车型的有限元模型，通过仿真详细对比了两种假人在汽车正面碰撞中的动态和损伤响应，并探讨了安全气囊参数对两种假人损伤响应影响的差异。

1 中国与美国人体尺寸差异

通过收集公开的统计数据来获取中国和美国两国人体的尺寸数据，并进行对比。

图1为中国与美国成年人体身高体质量对比数据。其中，中国人体尺寸数据主要来自1988年的中国成年人体尺寸标准和每5年发布一次的国民体质调查报告[3，9－12]。美国人体尺寸数据主要来自NHTSA 报告 DOT-HS-806－715(Schneider，1983)[13]以及1990和2008年发布的全国健康与营养调查报告[14]。可以看出，无论是男性还是女性，中国人体的身高和体质量均要低于美国人体的身高体质量，虽然从1988－2015年这近30年的时间内，中国人体的身高和体质量都在增加，但是仍旧小于混III 50百分位假人对应的身高体质量。

图1 中国与美国成年人身高体质量对比散点图

表1为中国和美国50百分位成年男性人体主要尺寸对比。可以看出，混III 50百分位男性假人所对应美国50百分位人体的身高体质量分别为1 751 mm和78.2 kg[4]，而我国1988年国标中50百分位男性的身高体质量分别为1 678 mm和59 kg[3]，其中身高与混III假人对应人体尺寸的差异是4.17%，而体质量的差异则达到24.55%。到了2015年，虽然我国人体身高和体质量有所增加，但体质量与混III假人所对应的体质量差异仍达10%。另外可以发现，我国50百分位男性的坐高要略微高于混III 50百分位男性假人对应的成年人体坐高，这与之前对比中国50百分位男性的身高要明显低于混III假人所对应美国50百分位男性的身高形成鲜明的反差，这就意味着两国人体在身高上的差距主要集中在下肢上。同时，这个反差也表明虽然随着时间推移，中国人体的身高和体质量不断增加，并逐步接近混III 50百分位男性假人所对应人体尺寸的身高体质量，但两国人体在身体比例等体态上仍有明显差异，而这个差异可能会对人体在车辆中的坐姿产生重要影响，并可能导致不一样的动态响应和损伤结果。

表1 中美成年男性人体尺寸对比数据

2 中国人体尺寸特征假人有限元模型建立

中国与美国人体在体型上存在明显的差异，有必要开发符合中国人体尺寸的碰撞试验假人，但由于目前中国人体损伤生物力学研究基础还不够健全完善，完全从正向设计出发去开发假人模型的基础相对薄弱。同时，考虑到中国人体与美国人体的主要差别是在体型上，其内部骨骼等解剖结构较为相似。因此，本文中主要在混III 50百分位男性假人有限元模型的基础上，采用非均一的全体段缩放方法来建立中国人体假人有限元模型，探讨假人设计所对应的人体尺寸体型差异对假人动态响应和约束系统设计的影响。该方法主要是将人体分为多个体段，根据人体的尺寸和质量参数来计算各体段几何形状和质量的缩放系数，同时利用这些系数进一步确定缩放后假人的标定试验要求。目前行业内广泛使用的混III 5百分位女性假人和混III 95百分位男性假人均是采用这个方法缩放而得[15]。因此本文中采用全体段缩放方法缩放混III 50百分位男性假人有限元模型来建立符合中国人体尺寸特征的假人有限元模型是可行的。

全体段缩放方法将人体分为头、颈、躯干、左右臂、左右手、左右大腿、左右小腿11个体段，然后对各体段分别进行缩放。由于中美人体在各体段的比例不完全一样，所以各体段的缩放系数也不同，而为获得更准确的外形尺寸，对于某一个体段，在不同方向上的缩放系数也是不同的。缩放系数则主要包括质量缩放系数Rm和外形尺寸缩放系数λx，λy和λz。通常，为保证缩放后得到的假人模型和原假人模型的质量分布相同，λx和λy基本都是相等的。λx，λy和λz三者的关系则通过质量比例Rm来约束。

表2列出了用于计算缩放系数的中美人体尺寸数值。其中由于我国尚未更新最新的人体尺寸标准，行业内也未有公开的最新中国人体尺寸数据，因此中国50百分位人体尺寸数据还是来自GB/T 10000—1988[3]，美国人体尺寸参数则来自Schneider所统计的美国人体数据[14]，该数据也是混III 50百分位假人设计所对应的美国人体尺寸数据。根据这些数值计算的各体段的缩放系数如表3所示。

表2 中国50百分位假人各体段人体参数数值

缩放后的中国50百分位男性假人(以下简称中国假人)有限元模型和混III 50百分位男性假人(以下简称混III假人)有限元模型对比如图2所示。从图中可以看出，中国假人在体型上要比混III假人小很多，且中国假人相对更苗条，四肢也更短，中国假人的肩宽和胸厚也要明显小于混III假人，尤其胸厚变小对假人在试验中受冲击产生的损伤测试会产生不确定的影响，它可能会导致在相同胸部位移的情况下中国假人有更大的胸部压缩率。

表3 中国50百分位假人各体段缩放系数

图2 两种假人有限元模型对比

3 正面碰撞驾驶员侧有限元模型的建立和验证

基于LS-DYNA分析方法建立某量产乘用车型的正面碰撞驾驶员侧约束系统模型，它包括车体、安全带、安全气囊和混III 50百分位假人。按照 CNCAP试验所测得的假人定位参数对假人进行定位，定位后的完整模型如图3所示。

图3 驾驶员侧约束系统模型

图4 部分试验与仿真结果对比

为验证模型有效性，将正面碰撞试验中所测得的B柱下方加速度脉冲施加于假人上进行50 km/h碰撞仿真，仿真与试验结果的对比如图4和表4所示。可以看出，仿真与试验曲线在峰值、峰值时刻和曲线走势上基本一致，误差均在12%以内，曲线的拟合度较好，因此该驾驶员侧约束系统模型可用于后续的仿真分析。

表4 仿真与试验结果峰值对比

4 正面碰撞中两种假人的损伤响应对比

正面碰撞驾驶员侧有限元模型建立后，分别将混III假人和中国假人放置到座椅上。在放置过程中可以发现，当把混III 50百分位假人按照C-NCAP试验所测得的假人定位参数完成定位后，即混III假人H点处于与测试中大致相同的位置，假人双脚刚好置于脚踏板上，手刚好握在转向盘，如果将中国假人按照与混III假人相同的H点位置放置到座椅上，并保持各体段间连接铰链的转动角度相同，此时中国假人由于更短的四肢，脚部无法触到踏板，手也未能握在转向盘上。因此，须将座椅沿着座椅滑轨向前移动，使中国假人双脚刚好置于踏板上，从而保证假人处于一个合理正确的乘坐位置。按照该方法重新定位后的中国假人和混III假人的对比如图5所示，两种假人在车内与内饰的距离具体数值如表5所示，测量项目参考图6。可以看出，由于座椅的前移，使中国假人离内饰的距离更近，假人的生存空间更小。

图5 两种假人调整后位置对比

表5 混III假人与中国假人相对位置测量

图6 假人相对位置测量示意图

两种假人模型建立后，按照C-NCAP法规要求对其进行正面100%碰撞工况下的仿真，碰撞速度为50 km/h。两种假人的动态响应对比则如图7所示。从图中可以看出，碰撞进行40 ms时刻，混III假人胸部刚好接触正在展开的安全气囊，而此时的中国假人胸部已与气囊有了一定的接触；当碰撞进行到60 ms时刻时，气囊完全展开，此时混III假人头部下巴刚好要接触到安全气囊，整个假人头部并未与安全气囊产生完整的接触，而此时中国假人头部已与气囊深接触；当碰撞进行100 ms时刻时，混III假人头部向前运动到最大位置，从图中可以看到此时安全气囊已基本泄气，气囊对假人头部的支撑相对较弱，假人的头部快要接触到转向盘上缘；而中国假人头部在85 ms时就已经运动到最前端，此时气囊泄气并未完全结束，气囊内部仍有一定的压力，使假人头部与转向盘上缘仍有一定距离。由于中国假人的位置更靠前，假人在前移的过程中与正在展开的气囊发生接触，使假人上半身向前的运动受到了一定限制，也导致假人的颈部向前弯曲的幅度要小于混III假人。此外，中国假人胸部与安全气囊的接触主要集中在假人肋骨上半段，即上面的4根肋骨，而混III假人则6根肋骨都与安全气囊发生接触。由此可见，由于假人更加靠前的乘坐位置和更小的体质量，中国假人在正面碰撞中动态响应细节方面与混III假人有着明显的不同。

图8 对比了两种假人主要损伤响应曲线。假人各部位损伤峰值则如表6所示。可以看出，由于中国假人位置前移，头部提前接触气囊，头部加速度上升时间提前，头部加速度和HIC36值也偏大；由于整个上半身躯干向前运动受到更多的限制，中国假人颈部向前弯曲的幅度更小，其损伤也要小于混III假人；由于假人胸部与安全气囊接触面积和位置的差异，中国假人胸部加速度和胸部压缩量均小于混III假人；大腿力方面，中国假人右腿的大腿力要更大，但左腿力却更小，这可能与座椅前移和体型改变导致腰带力加载角度变化有关；由于两种假人在质量上的差异，混III假人安全带肩带力持续时间要比中国假人长10 ms左右，同时其腰带力也明显大于中国假人。

图8 混III假人与中国假人正面碰撞损伤响应曲线对比

5 约束系统参数变化对不同假人的损伤影响分析

从图7可以看出，由于两种假人体型和乘坐位置的不同，安全气囊与两种假人的接触细节有一定的差异。因此，选取安全气囊起爆时间、排气孔直径和气体质量流率因子3个安全气囊参数作为变量，改变其值来研究安全气囊设计参数变化对中国假人和混III假人损伤响应的影响。各参数取值如表7所示。

表6 混III假人与中国假人损伤响应峰值对比

表7 安全气囊参数水平

5.1 安全气囊起爆时间变化对不同假人的损伤影响分析

按照表7中安全气囊起爆时间参数水平进行仿真，输出头部HIC36值、胸部3 ms合成加速度值、胸部压缩变形量和左、右大腿轴向力等参数。仿真所得到的两种假人的损伤响应结果如表8和表9所示。为能更全面地评价乘员各部位的综合损伤情况，采用Viano和Arepally于1990年提出的加权损伤指数(weighted injury criterion，WIC)来综合评价不同安全气囊参数条件下的假人损伤，计算公式[16]为

式中：HIC36为头部损伤指标；Cg为胸部3 ms合成加速度，g；C为胸部压缩量指标，m；Fl和Fr分别为左右大腿轴向力最大值，kN。

表8 安全气囊起爆时间变化对中国假人的损伤影响分析

表9 安全气囊起爆时间变化对混III假人的损伤影响分析

对比表8和表9可以看出，在该车型50 km/h的100%正面碰撞中，随着安全气囊起爆时间的推迟，中国假人HIC36值有明显增加的趋势，而提前起爆时间有助于提高对中国假人的保护性能。当气囊起爆时间为15 ms时，中国假人HIC36值相比原始起爆时间条件下减小了6.98%，且综合损伤指标WIC值最低。相比之下，对于混III假人，当安全气囊起爆时间为初始值21 ms时，混III假人大部分的损伤响应是最低的，且综合损伤指标WIC值也为最低，达到了对混III假人保护最佳的效果。而当气囊起爆时间提前至18 ms时，混III假人的综合损伤WIC值有所增大。这主要是气囊起爆较早，泄气也较早，当混III假人头部与安全气囊接触时气囊偏软，从而导致假人头部与转向盘发生了二次接触，增大了假人损伤风险。

5.2 安全气囊排气孔直径变化对不同假人的损伤影响分析

不同安全气囊排气孔直径参数对应的中国假人和混III假人损伤仿真结果如表10和表11所示。对比可以看出，安全气囊排气孔直径在一定范围内增大时，中国假人的头部、胸部损伤和WIC值有减小的趋势。当排气孔直径增大为45 mm时，中国假人头部HIC36相比原始排气孔直径减小了15.48%，且WIC值减小了11.47%，而对于混III假人，随着排气孔直径的增大，HIC36和WIC值皆先降后升。当安全气囊排气孔直径为初始值40 mm时，混III假人HIC36和WIC值达到最低，起到了对混III假人保护最优的效果。超过40 mm后，两者都开始增大。尤其当直径接近50 mm时，由于气囊泄气过快而变软，导致混III假人头部与转向盘产生硬接触，失去保护乘员的作用。仿真时也因模型单元产生过大变形而出错、中断，故表中缺少50 mm的数据。

表10 安全气囊排气孔直径变化对中国假人的损伤影响分析

表11 安全气囊排气孔直径变化对混III假人的损伤影响分析

5.3 安全气囊气体质量流率变化对不同假人的损伤影响分析

不同安全气囊气体质量流率对应的中国假人和混III假人损伤仿真结果如表12和表13所示。对比可以看出，随着安全气囊充气速率的增大，中国假人头部HIC36和WIC值先降后升。当安全气囊气体质量流率因子为0.9时，两者皆达到最低值。而对于混III假人，随着气囊充气速率的增大，其头部HIC36和WIC值呈减小的趋势，在安全气囊气体质量流率因子为1.2时，安全气囊对混III假人保护效果最佳。

表12 安全气囊气体质量流率变化对中国假人的损伤影响分析

表13 安全气囊气体质量流率变化对混III假人的损伤影响分析

综上所述，基于当前混III假人优化的安全气囊起爆时间、排气孔直径和气体质量流率等参数，虽然可以给混III假人提供最佳保护效果，但都无法对中国假人提供最佳保护效果，甚至部分安全气囊参数变化对中国假人和混III假人损伤响应的影响趋势是相反的。因此，现有按照混III假人最优设计的约束系统不一定能给中国假人提供有效的保护，其是否能够提供有效的保护需要进一步去探讨研究。