基于驾驶员损伤及防护的客车正面碰撞安全性研究

何成　张斌　朱海涛　刘伟东　薄旭盛

摘 要：针对客车在正面碰撞中较高的驾驶员伤亡风险，本文对某型全承载客车车身结构及驾驶员约束系统的正面碰撞安全性进行了研究。首先利用经过验证的客车有限元模型对其在50km/h碰撞速度下的车身结构安全性进行了分析及改进设计。在此基础上，构建了客车驾驶员约束系统有限元模型并对其保护效果进行了分析。最后针对约束系统存在的问题对其进行了改进及优化匹配。仿真结果表明，通过对整车的结构改进和驾驶员约束系统的匹配设计，驾驶员侧假人头部、胸部和腿部损伤值下降幅度明显，较好地满足了相关法规要求。

关键词：全承载客车；驾驶员约束系统；正面碰撞安全性；优化匹配

1 引言

近年来，频发的客车安全事故，特别是由大、中型客车造成群死群伤的重特大交通事故，使得客车安全问题越来越为人们所重视。据统计[1]，2011～2013年，我国发生与营运客车相关的一次死亡10人以上的重特大道路交通事故共49起，共造成752人死亡。在客车发生的各类事故中，侧翻和碰撞为其主要形态，其中由客车引发的正面碰撞事故约占整个客车事故的50%～60%[2]。由于客车质量较大，在行驶中速度较高，一旦发生碰撞，将产生很大的碰撞动能，又因大部分客车为发动机后置平头结构，使得客车前端的变形吸能空间较小，在碰撞中易造成客车前端的驾驶舱区域发生较大变形甚至压溃的情况。客车驾驶员直接处于客车前端易变形区，而目前客车上针对驾驶员的防护措施仅限于三点式安全带，在碰撞中驾驶员很容易因生存空间被侵入而遭到致命伤害，因此提高客车驾驶员的安全性显得尤其重要。

不少国内外学者在客车的正面碰撞安全性研究中做出了有益的探索。Peter等[3]较早提出了提高客车驾驶员和导游安全性的概念設计方法。Matolcsy[4]为推进公交客车碰撞安全法规的制定，对公交客车的事故类型，驾驶员生存空间及试验评价方法进行了统计和试验研究。Cerit等[11]参照ECER29法规要求，对客车前端结构变形及方向盘侵入量进行了研究。张毅等人[5-10]对大、中型客车在50km/h碰撞速度下的车身结构进行了分析与改进设计。Li等[12，13]研究了客车在不同碰撞初速度下车身结构的变形及中型客车在100%正面、40%偏置和30o斜角三种碰撞工况下的车身变形及乘员损伤。

上述研究在改善客车车身结构方面做了大量工作，对客车乘员在正面碰撞中的损伤也进行了一定的分析，然而并没有对提高乘员的损伤防护做进一步研究。本文基于客车驾驶员在正面碰撞中存在较高的损伤风险，研究了某全承载客车50km/h碰撞速度下驾驶舱的变形，在对该客车车身结构进行了改进设计的基础上，分析了其驾驶员约束系统存在的问题，为此提出了相应的改进措施并进行了优化设计，以使客车驾驶员侧假人的各项损伤指标满足相关法规要求。

2 整车结构改进研究

2.1 整车有限元模型验证

本文利用某企业提供的一款全承载客车有限元模型对其车身结构的正面碰撞安全性进行仿真分析。该客车有限元模型在有限元前处理软件HYPERMESH中建立，主要包括车身骨架、车轮、转向系、外饰四个部分，总共有582959个单元，其中薄壳单元553462个，实体单元12573个，焊点单元16924个。图1为客车在30km/h碰撞速度下试验与仿真纵向加速度曲线对比，试验加速度测量点选在驾驶员座椅下方骨架不易变形区，以测量驾驶员在碰撞过程中所受加速度。由于客车前端无吸能结构，试验加速度产生了一个较大的峰值，且持续时间较短。从图1可以看出，仿真与试验加速度曲线峰值以及峰值出现时刻保持一致，整车有限元模型建模准确可用于后续研究。

2.2 车身结构改进设计

采用非线性有限元分析软件LS-DYNA对客车在50km/h的碰撞速度下进行了仿真分析。图2为碰撞后客车驾驶舱及其前端底盘骨架变形，由于客车前端底盘骨架产生了很大变形，导致客车驾驶舱几乎被压溃，驾驶员生存空间被方向盘严重侵入。经分析发现该客车车身结构存在以下问题：（1）客车前端无吸能结构，碰撞动能只能全部通过车身骨架的变形来耗散；（2）客车前端底盘骨架强度不够，在布局上没有考虑碰撞工况下力的连续性传导，导致碰撞力不能向后方骨架有效传递。

针对上述问题，对客车车身结构进行了相应的改进设计。（1）根据文献[14，15]中的研究，3×3多胞铝合金吸能方管在轴向冲击下的能量吸收效率比单胞方管和泡沫填充方管要高出50%～100%，本研究将其作为客车前端的碰撞吸能结构，以尽可能多地吸收客车碰撞能量。利用台车碰撞试验对该吸能管材料参数进行了试验验证，试验与仿真结果对比如图3所示。由图可知，试验与仿真中碰撞加速度峰值、各峰值出现时刻以及吸能管的变形模式都具有较好的一致性，该铝合金材料参数准确性较好，可用于本文的研究。（2）对客车前端底盘骨架起主要传力作用的关键梁适当增加厚度，对其薄弱或传力路径中断处增加必要的支撑梁，如图4中绿色部分所示，以确保碰撞力能向后方骨架有效传递。改进后的客车车身结构如图4所示。

为了使吸能管在吸收较多客车碰撞能量地同时有效降低碰撞加速度峰值，对其数目、厚度及长度的不同组合进行了大量的仿真分析，最终确定采用8根吸能管，厚度统一为1.6 mm，由于客车前端的空间限制，吸能管最大长度为260mm，具体布置如图4所示。此方案中由吸能管吸收的碰撞能量占到了客车总碰撞能量的41.2%，吸能效果显著。改进前后客车驾驶舱碰撞变形和纵向加速度对比分别如图5、图6所示，由图可知，整车结构改进后驾驶舱变形得到了较好地控制，确保了驾驶员的有效生存空间，加速度脉宽由10 ms增加到40ms，其峰值由160g降为66g。因此，客车车身结构改进效果明显，改进后的整车模型可作为下一步研究驾驶员约束系统防护性能的基础模型。

3 驾驶员约束系统建模及分析

3.1 驾驶员约束系统有限元模型建立

5 结语

本文基于驾驶员的损伤及其防护从车身结构和驾驶员约束系统两个方面对客车的正面碰撞安全性进行了研究。在车身结构方面，将一种多胞铝合金薄壁吸能方管应用于客车碰撞吸能，吸能管吸收能量占到了客车总能量的41.2%，有效解决了客车因吸收过多能量造成驾驶舱产生较大变形的问题。结合对车身底盘骨架结构的改进设计，客车碰撞纵向加速度波形和驾驶舱变形都得到了较好的改善。

以改进后的整车结构为基础，对客车驾驶员约束系统的保护效果、改进措施和优化策略进行了探索性研究。结果表明，原有的驾驶员约束系统无法对假人形成有效保护，通过对其进行相应的改进设计及优化匹配，假人头部、胸部和腿部损伤值下降幅度明显，较好地满足了相关法规要求。驾驶员约束系统优化后假人的 WIC值較其改进前下降了67.8%。这种基于驾驶员损伤防护的客车优化设计方法可对客车驾驶员在正面碰撞工况下提供较好的保护，为客车今后开展更为严格的实车碰撞试验提供了一定的指导。

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