碰撞中乘员有无抓握顶棚扶手下的伤害对比分析

魏玉钊, 任传波, 吕 浩, 郭 勇

(山东理工大学交通与车辆工程学院,淄博 255049)

美国公路交通安全管理局(National Highway Traffic Safety Administration,NHTSA)对汽车碰撞事故形式分析指出，在汽车正面碰撞、侧面碰撞和追尾碰撞3种事故中，正面碰撞事故占49%，而且正面碰撞中的乘员死亡数所占总死亡人数比例也高达33.5%[1]。因此通过有限元技术结合数字化假人建立人-车碰撞模型在碰撞安全领域研究中尤为重要。中外研究人员利用数字化假人在碰撞安全领域进行了大量的研究。Mendoza-Vazquez等[2]利用THUMS有限元假人模型对正面碰撞下乘员胸部损伤情况进行了分析，并通过仿真结果建立了可以对胸部损伤进行预测和判定的损伤风险曲线。Woitch等[3]利用数字化假人模型对碰撞中主动系统发生作用下的乘员损伤情况进行了研究。Lee等[4]对正面碰撞中副驾驶位置5百分位HybridⅢ女性假人的损伤性进行了分析。罗覃月等[5]利用数字化假人模型针对某车型正面碰撞下乘员胸部损伤进行了研究和优化。胡志远等[6]对正面碰撞中后排乘员的损伤情况进行了研究。颜凌波等[7]在50百分位HybridⅢ男性假人基础上通过缩放得到符合中国人体尺寸的假人模型，并以该模型为基础建立碰撞模型进行车内人员的损伤性分析。

目前国内外使用最多的为HybridⅢ系列假人，该系列假人在几何构造和物理特性上能够较好地反映人体在碰撞过程中的生物力学响应。但是该系列假人模型手部仿真度较低，无法实现各指节之间的联动，这些学者主要针对手部处于自由状态下的坐姿假人进行碰撞过程中车内人员的损伤性分析，而不考虑假人手部抓握状态。因此碰撞过程中乘员手部抓握力作用对损伤评定结果的影响方面研究较少，研究成果也鲜见刊载。而顶棚扶手作为一种重要的安全保护装置，碰撞乘员对其抓握状态对损伤评定产生的影响不应被忽略。因此，根据机器人手部动力学模型,改进HybridⅢ假人手部结构，实现抓握能力，通过LS-PREPOST软件建立简化车辆副驾驶模型，并与改进假人模型进行耦合，建立人-车正面碰撞模型，研究碰撞过程中乘员抓握顶棚扶手状态下对损伤性分析结果的影响，并与碰撞中手部处于自由状态下的假人进行头部、颈部、胸部的损伤值对比。

1 正面碰撞仿真模型的建立

1.1 汽车副驾驶模型

汽车顶棚扶手是为保证乘员身体平衡而设置的抓扶装置，驾驶员几乎用不到该装置，因此为了加快运算速度，在对研究结论不产生太大影响的情况下，只对副驾驶室建立简化模型。副驾驶室模型包括车窗、汽车顶棚、地板、副驾驶仪表台、安全带、座椅顶棚扶手。由于不考虑碰撞过程中副驾驶室的变形，所以在前处理软件LS-PREPOST中通过关键字*MAT_RIGID把安全带以外的各部件赋予刚性材料。安全带由织带、卷收器、预紧器、滑环和带扣等组成，在LS-PREPOST软件中通过关键字*ELEMENT_SEATBELT_RETRACTO和*ELEME-T_SEATBELT_SLIPRING定义卷收器和滑环的工作特性，同时关键字*MAT_SERBELT定义安全带材料。副驾驶室模型如图1所示。

图1 副驾驶室模型Fig.1 The model of cockpit

1.2 假人模型

目前碰撞试验中一般使用假人评测车辆对车内人员的保护效果，其中使用较为广泛的是Hybr-idⅢ假人。汽车碰撞是一个复杂的过程，尤其是车内人员运动状况更是不定因素，因此要想得到更接近真实碰撞下的数据，要求假人模型不仅在形态和质量上接近于真实人体，而且要在结构功能实现上更贴合人体。现阶段HybridⅢ假人模型手部设计为一个整体，手指处无关节连接，不能模拟人体手指之间的运动，达到抓握的目的。因此在HybridⅢ有限元假人基础上改进了手部模型，改进后的模型可以实现手部抓握的能力，实现碰撞过程中乘员能够抓握顶棚扶手的效果。

1.2.1 改进手部模型

根据碰撞假人模型设计的3点原则，即力学结构的仿真性、力学性能的相似性和可重复使用性[8]，以利弗莫尔软件技术公司(Livermore Software Technology Company，LSTC)所公开的50百分位HybridⅢ男性数字化假人为基础，根据机器人手掌的结构特点，对假人模型进行改进。已知50百分位HybridⅢ男性假人模型的身高为177 cm,体重86 kg。为更好地接近真实尺寸，对符合该身高体重的男性进行手部尺寸的测量，测量时保持直立的标准姿势，手臂自然伸直，测量手部长度、宽度、周长[9]。利用3D建模软件创建模型，划分网格，如图2所示。

图2 改进手掌模型Fig.2 The improved model of hand

为实现手指的灵动性，指节之间以及手指与手掌之间通过旋转铰链连接，用关键字*JOINT_ST-IFFNESS_GENERALIZED设置铰链的摩擦力矩大小来实现手部不同抓握力。以旋转铰链为旋转中心，改变输入角度参数，可以实现各手指关节之间的运动。

一般人右手的握力约38 kg，左手的握力约35 kg，对于青年男子来说一般右手的最大握力为56 kg，左手为43 kg。握力与手的姿势和持续时间有关，当持续一段时间后，手部握力会明显下降[4]。由于碰撞过程可以在极短的时间内完成，在此过程中乘员对顶棚扶手的抓握力可以看作瞬时最大抓握力。由于50百分位HybridⅢ假人为成年男性体型，根据表1所示不同年龄青年男子握力，确定碰撞过程中乘员对顶棚扶手的最大抓握力为58.1 kg。

表1 不同年龄青年男子握力

1.2.2 假人手部模型的替换

以50百分位HybridⅢ男性坐姿假人为原始模型，如图3(a)所示。在不破坏原有假人手部连接关系，保证其完整性的基础上，对假人手部进行拆除[10]。由于手腕与小臂之间有旋转铰链连接，因此只删除手腕以下的部位，在受力过程中不考虑手部变形下，为了加快计算速度，赋予手部刚体材料，然后通过关键字*RIGID_BODIES把改进后手部模型和拆分后的数字假人进行装配，如图3(b)所示。

图3 HybridⅢ坐姿假人有限元模型Fig.3 Finite element model Hybrid Ⅲ male sitting dummy

为达到仿真要求，导入模型时需要对假人主要身体部位进行调节，初步装配的手部模型在内部结构上不属于假人身体结构，无法在LS-PREPOST的DUMMY界面中直接调节其旋转铰链的角度参数。因此要把改进后的模型导入OASYS PRIMER软件中根据假人树形文件中的连接关系，设置手掌与手臂、手指与手掌之间的子母关系。使改进后的手部模型通过直接输入旋转铰链的角度参数，就能实现手腕和手指的转动[11]。

1.3 人-车模型耦合

将车辆副驾驶模型和改进的假人模型同时导入到LS_PROSPST中做前处理准备，通过设置假人H点坐标，可以改变假人位置，将假人背部和臀部与座椅之间进行定位。同时设置假人腿部、脚部处铰链角度参数，使下肢与座椅和地板准确定位。最后调节上肢以及手指处铰链参数，保证假人手部处于对顶棚扶手的抓握状态。在碰撞过程中假人需要与安全带、顶棚扶手、地板、仪表台，甚至挡风玻璃产生较大的冲击接触，需要通过关键字*CONTACT_AUTOMATIC_NODES_TO_SURFACE定义安全带和身体接触，*CONTACT_AUTOMAT-IC_SURFACE_TO_SURFACE定义假人与座椅、顶棚扶手、地板、仪表台、挡风玻璃的接触，并设置好相应的动、静摩擦系数。假人手部处于抓握顶棚扶手状态下的有限元碰撞模型，如图4(a)所示。同时为了验证碰撞过程中乘员抓握顶棚扶手对人体损伤评定产生的影响，需要进行对比仿真。因此按照同样的步骤建立假人处于自由坐姿状态下的人-车碰撞模型，如图4(b)所示。

图4 人-车耦合模型Fig.4 Human and vehicle coupling model

1.4 模型的仿真

由于假人和座椅之间不能形成穿透，在放置假人模型时身体和座椅之间、手部和顶棚扶手之间会有一定距离，并不是恰好贴合。由于碰撞过程可以在极短的时间内完成，加速度变化和产生惯性力较大，假人身体与座椅、手指与扶手之间若不能接触，会造成在仿真一段时间内摩擦力不起作用，从而使结果产生较大误差。

因此，在正面碰撞之前需要对模型进行预仿真处理。即通过关键字*LOAD_BODY把重力加速度曲线添加到模型中，让假人在重力加速度作用下实现与车辆模型的贴合，设置仿真时间为80 ms。导出K文件到LS-DYNA中进行求解，对仿真结果进行后处理中，当观察到假人模型在重力加速度的作用下向下运动到与座椅、顶棚扶手以及地板接触时，输出此状态下的假人模型，作为最终耦合模型。

在整车的碰撞仿真中通常赋予整车恒定初速度，使其在极短时间内接触碰撞物体，模拟碰撞过程。本文采用的是副驾驶室简化模型，仿真计算中不能通过添加初速度的方法使车辆接触碰撞物体进行仿真。因此通过模拟碰撞过程中加速度场，进行仿真。加速度曲线为实车碰撞中，B柱下段的加速度传感器收集到的数据[12]，如图5所示。

图5 碰撞过程中加速度曲线Fig.5 Acceleration curve during collision

2 碰撞仿真结果分析

将假人抓握顶棚扶手状态下的碰撞模型和假人处于自由状态下的碰撞模型分别在LS-PREPOST中设置好相同环境参数，导入LS-DYNA进行求解，得出仿真结果。对两种工况下假人的运动姿态，以及头部、胸部、颈部损伤值进行比较分析。

2.1 假人状态响应对比

车内假人姿态不同，碰撞中会发生不同的运动状态，造成的损伤程度，以及碰撞区域也各有不同。图6和图7所示分别是碰撞过程中两种工况下假人运动姿态。

图6 碰撞中假人抓握顶棚扶手时状态响应Fig.6 State response of dummy grasping roof armrest during collision

图7 碰撞中假人自由坐姿下状态响应Fig.7 State response of dummy in free sitting posture during collision

由于碰撞前车内人员和车辆有相同的初速度，发生碰撞时，车体会产生减速加速度，乘员由于惯性作用，继续向前运动。从图6和图7可以看出，在0～100 ms假人由于惯性力作用向前运动。通过抓握顶棚扶手的假人运动姿态来看，在95 ms时头部与仪表台产生碰撞，110 ms时由于减速加速度而产生的冲击力超过手部最大抓握力，假人手部被迫张开，对顶棚扶手抓握力消失，此时假人已经开始向后反弹，且碰撞过程中胸部始终与仪表台没有接触。图7所示自由坐姿下假人在85 ms时头部与仪表台相撞，由于没有抓握力作用，假人继续向前移动，在100 ms时胸部与仪表台相撞，同时颈部相比于抓握顶棚扶手的假人颈部变形较大。

2.2 头部损伤对比

对于HybridⅢ碰撞假人，头部损伤程度通常用头部损伤程度指数(head injury criteria,HIC)和3 ms合成加速度来进行评价，其计算公式为[13]

(1)

式(1)中：t1到t2是碰撞过程中HIC计算值最大的时间间隔；a(t)表示头部的质心加速度，以重力加速度g为单位。通过计算结果得到有抓握顶棚扶手假人与自由坐姿假人的头部三向合成加速度对比结果如图8所示。

图8 头部合成加速度对比Fig.8 The comparison of head synthesis acceleration

由图8可以看出，虽然两种工况下假人头部合成加速曲线变化趋势基本一致，但是抓握状态下比自由状态下假人头部合成加速度峰值降低6.1%，两种情况下峰值相差不大。分析原因：虽然在手部抓握力作用下的假人头部接触到仪表台的时间与自由状态下假人相比延迟一段时间，但是从假人运动姿态来看，手部作用力对假人躯干运动影响较大，而假人头部通过颈对假人躯干运动影响较大，而假人头部通过颈部与躯干相连，且假人颈部柔性较大，因此手部抓握力并不能在很大程度上影响头部运动轨迹和加速度，因此在加速度场较大的情况下，抓握状态下的假人头部也会有较大加速度。同时通过计算得到抓握状态下假人头部HIC与自由状态下假人头部的HIC相比降低30.2%。对应损伤指标如表2所示。

2.3 颈部损伤对比

在基础医学研究方面，一些研究者发现在颈部运动的过程中产生的弯矩会对人体颈部造成伤害，而且出现S型的运动时，其内部的剪切力和轴向拉伸力对各个组织伤害也很严重[14]。因此针对碰撞过程中颈部损伤情况选用上颈部剪切力Fx、拉伸力Fz以及弯矩My进行对比分析，结果如图9所示。

表2 两种工况下损伤指标

图9 颈部评定指标值对比Fig.9 Comparison of neck injuries

得出自由坐姿状态下假人上颈部最大剪切力、最大拉伸力和最大弯矩分别为10.5 kN、13.1 kN、136 kN·mm，峰值出现时间在85～95 ms，与碰撞过程中假人颈部发生最大变形时的时间一致。抓握顶棚扶手假人的上颈部最大剪切力、最大拉伸力以及最大弯矩分别为1.32 kN、3.02 kN、77.7 kN·mm，相比于自由坐姿状态下假人颈部各指标峰值分别降低了87.4%、76.9%、42.9%。且自由坐姿状态下假人颈部弯矩峰值持续时间与抓握状态下假人相比明显加长，而峰值持续时间越长对乘员颈部损伤越大。

说明在碰撞过程中假人在抓握顶棚扶手时，手部的抓握力对碰撞过程产生的冲击力有一定的缓冲作用，减小了假人向前运动趋势。从假人的运动姿态来看，抓握顶棚扶手假人与自由坐姿状态下假人相比，其头部与副驾驶仪表台接触时间短，峰值持续时间响应较短，颈部受挤压程度较小，受力出现S型趋势明显低于后者，从而颈部损伤值也相应较小。

2.4 胸部损伤对比

胸部损伤对人体造成的损伤程度仅次于头部，在碰撞过程中，乘员由于自身惯性力的作用向前运动，同时受到安全带较大的约束力，这时容易造成胸骨和肋骨损伤、内脏器官破损，以及肩胛骨的脱臼和断裂。胸部损伤准则主要包括胸部3 ms准则和胸部压缩量。联邦机动车安全标准和法规(Federal Motor Vehicle Safety Standards and Regulations，FMVSS208)规定胸部3 ms内合成加速度不得超过60 g，胸部压缩量(thorax performance criteria,THPC)为胸骨相对于脊柱的压缩量[15]。图10所示为两种工况下假人胸部损伤指标值对比。

图10 胸部损伤指标值对比Fig.10 Comparison of chest injuries

通过图10可以看出，在90～100 ms两种工况下假人胸部合成加速度和胸部压缩量均出现峰值，抓握状态下假人胸部最大合成加速度为81.6g，最大压缩量为14.7 mm，与自由坐姿状态下假人胸部最大合成加速度166g以及最大压缩量17.7 mm相比分别降低了50.8%和16.9%。这是因为在碰撞过程中自由坐姿状态假人由于没有任何缓冲力作用，胸部与仪表台产生碰撞，因此除了安全带的约束力外，与仪表台产生的挤压力也会加大胸部合成加速度值和最大胸部压缩量。而抓握状态下假人在碰撞过程中，胸部与仪表台始终无接触，所以胸部损伤程度小于自由坐姿状态下的假人。

3 结论

通过对正面碰撞中副驾驶室乘员有无抓握顶棚扶手两种工况进行仿真，通过仿真结果对比车内假人运动姿态，以及头部、颈部和胸部损伤情况，得出以下结论。

(1)抓握顶棚扶手状态下假人头部HIC与自由坐姿状态下假人相比减小30.2%，但抓握顶棚时对假人头部最大合成加速度影响较小，与自由坐姿状态下相比只减小6.1%。

(2)抓握顶棚扶手状态下假人颈部和胸部损伤情况较自由坐姿状态假人明显降低，其中抓握状态下假人颈部最大剪切力、拉伸力和弯矩力相比之下分别降低87.4%、76.9%、42.9%，胸部最大合成加速度和最大压缩量降低了50.8%和16.9%。证明在碰撞过程中乘员抓握顶棚扶手时在一定程度上可以影响乘员的运动姿态，并能有效地降低碰撞过程对人体与仪表台碰撞过程造成的伤害，在人员损伤评定中乘员对顶棚扶手抓握状态是一项不可忽略的因素。

(3)可在不同加速度场下对两种工况下车内人员损伤情况进一步研究。

仿真思路和方法充实了汽车被动安全领域研究内容，对碰撞过程中人员保护，以及影响车内人员损伤因素方面有一定的借鉴作用。