正面碰撞车身加速度对乘员腿部损伤的影响

凡沙沙，段大禄，黎谦，廖贤明，贾丽刚

上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州 545007

0 引言

随着国内外对汽车安全性能的重视程度不断提升，汽车正面安全气囊逐渐成为车辆的标准配置。在碰撞事故中乘员头、颈、胸部能够得到较好的保护，然而腿部伤害的问题日益凸显。乘员大腿压缩力指标为法规考察指标及NCAP考察指标，大腿压缩力除了与仪表板刚度、前围板侵入量、腿部空间、乘员坐姿、座椅刚度、安全带配置等因素有关外，还与车身加速度有着密切的联系。本文运用LS-Dyna仿真模型，研究了正面碰撞车身加速度对乘员腿部损伤的影响，从而改变骨盆前移量，也降低了大腿压缩力。

1 某车型车身加速度波形及其简化波形

为便于体现车身加速度波形的特点，将车身加速度波形简化为二阶波形。以某车型50 km/h全宽正碰的LS-Dyna乘员侧仿真模型为基础，计算其在实车加速度波形及简化波形下乘员的响应，以验证简化波形的有效性。图1为该车型实车试验加速度波形及其简化后的二阶波形。

图1 某车型实车试验加速度波形及其简化后的二阶波形

对上述实车加速度波形及简化二阶波形进行积分，得到速度曲线，如图2所示。进一步积分后得到位移曲线，如图3所示。

图2 实车波形与简化波形的速度曲线

图3 实车波形与简化波形的位移曲线

由图2和图3可以看出，简化波形与实车试验波形吻合度较好。为进一步验证简化的二阶形波可近似代表实车试验波形，在LS-Dyna乘员侧仿真模型中，对比两种波形下的乘员响应，如图4和图5所示。由图4可以看出，两种波形下乘员的头部、胸部及骨盆的加速度曲线完全一致。说明两种波形下乘员的运动响应完全一致;由图5可以看出，两种波形下的结果也完全一致，这说明简化的二阶波形可以近似代表实车碰撞波形。

图4 乘员头部、胸部及骨盆加速度曲线

图5 乘员左、右大腿力及膝盖滑移量

2 不同二阶波形对乘员大腿压缩力的影响

二阶加速度波形的主要特征是第一阶加速度与第二阶加速度。通过改变与的大小，可得到不同的加速度波形。表1为3种不同二阶加速度波形。

表1 3种不同二阶加速度波形

由于碰撞初始速度均设定为50 km/h，因此上述3种波形的能量密度均为96.45 J/kg。3组加速度波形曲线、积分得到的速度曲线、位移曲线及能量密度曲线如图6所示。从速度曲线可以看出，3种波形速度的变化量基本相同。

图6 3组波形曲线对照

将上述3种不同的二阶波形，代入LS-Dyna乘员侧仿真模型，计算得到3种波形下乘员的骨盆前移量曲线(向)、骨盆下移量曲线(向)，乘员骨盆相对车身的移动量如图7所示。乘员左、右大腿压缩力曲线如图8所示，由乘员腿部的损伤机制可知，乘员的骨盆前移量影响乘员腿部撞击仪表板的程度，从而影响乘员腿部的损伤。

图7 乘员骨盆相对车身的移动量

图8 乘员左、右大腿压缩力曲线

统计乘员骨盆相对车身的最大前移量、最大下移量及乘员大腿压缩力的最大值，不同二阶波形下的仿真结果对照见表2。

表2 不同二阶波形下的仿真结果对照

3 结论

(1)二阶梯形波能够较好地拟合出实车加速波形，并且吻合程度较高，可以作为一种研究车身加速度波形特征的方法；

(2)从某车型车身加速度及其简化二阶波形的对照结果可以看出，碰撞过程中，乘员的响应与车身加速度整体的强弱有关，与加速度波形上个别峰值的高、低无关；

(3)从3种不同二阶波形的仿真结果可以看出，提高一阶加速度，降低二阶加速度，能够明显改善乘员的骨盆前移量，从而降低乘员的大腿压缩力。