客车侧翻碰撞中的乘员损伤研究*

曹立波，阮诚心，2，陈 杰，王洪宝

(1.湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082; 2.胡志明工业大学汽车工程系，越南胡志明市)

前言

随着各国的城市交通与长途客运的迅速发展，客车数量不断增加，涉及客车的交通事故也不断增加，因此，客车的安全性越来越受到重视。据统计，在美国，1999－2003年间客车交通事故平均每年造成40人死亡、18 430人受伤［1］。在欧洲，公共汽车和长途客车交通事故平均每年约发生20 000起，造成约200人死亡和30 000多人受伤［2］。因此，进行客车侧翻碰撞过程中乘员损伤机理研究对于保护乘员生命安全具有重要意义。

目前，与客车安全性相关的法规主要是欧洲的ECE R66法规，该法规通过对生存空间的要求间接地提出了对车身结构强度刚度的要求，但未提出客车侧翻过程中与乘员损伤参数相关的要求［3］，使满足该法规的客车能否在侧翻碰撞中对乘员提供有效的保护成为疑问。

国外学者已经进行了客车侧翻碰撞过程中乘员损伤的研究。2003年欧洲长途客运汽车和公共汽车安全性报告比较全面地研究了欧洲各国的客车安全状况，并提出在ECE R66法规中增加乘员损伤评价的改进建议［2］;文献［4］中对客车侧翻过程中非碰撞侧未佩戴安全带乘员和站立乘员的损伤进行了研究，结果表明乘员头部和颈部损伤较为严重;文献［5］中采用MADYMO软件建立了客车局部车身段多刚体模型，并在碰撞侧放置单个Euro SID侧碰假人，研究了客车结构刚度、约束系统和乘员身材对客车侧翻乘员损伤的影响;文献［6］中分别进行了Hybrid III假人在佩戴三点式安全带、两点式安全带和未佩戴安全带时假人头部和颈部损伤的研究和对比分析，发现客车侧翻时，未佩戴安全带的乘员会被弹离座椅而受到严重伤害，佩戴安全带会约束乘员不脱离座椅而大大减小受伤的危险，佩戴三点式安全带虽然头部损伤指数HIC较小，但乘员增加了颈部受力，而佩戴两点式安全带时HIC虽较大，但仍在可接受的范围内，故建议在客车中使用两点式安全带。但是他们的研究工作均未考虑客车侧翻过程中相邻乘员相互作用对乘员损伤的影响。

本文中基于ECE R66法规和客车LS-DYNA侧翻安全性仿真结果，采用MADYMO软件建立了客车侧翻有限元与多体的混合模型，研究了客车侧翻过程中相邻乘员相互作用对乘员损伤的影响。

1 ECE R66法规介绍

ECE R66法规修订于2006年2月底，适用于载客多于22人的客车。客车侧翻碰撞安全性试验要求客车停放在一个水平的翻转平台上，翻转起始水平面与下方的撞击面高度相差800mm，客车在没有摇晃和不受其他外力影响的情况下侧倾直至翻倒，侧倾角速度不应超过5°/s(0.087rad/s)，见图1。

ECE R66法规要求，客车侧翻碰撞试验时，须确保侧翻变形后车身结构不得侵入生存空间，生存空间内的任何部件也不得侵入到生存空间之外。乘员生存空间尺寸的定义如图2所示。

2 客车侧翻有限元与多体混合模型的建立

取某客车经过验证的侧翻有限元模型的中间节段作为对比，建立了该局部节段的MADYMO侧翻有限元与多体的混合模型，如图3和图4所示。在建模过程中，对在侧翻中变形较小的客车底架、坐垫骨架和靠背骨架采用多体来模拟，其质量、质心和转动惯量根据有限元模型数据设定;对变形较大的车身骨架、蒙皮、窗玻璃和座椅支撑结构采用有限元法来模拟，互相通过共节点方式连接;有限元与多刚体的连接采用Support关键字模拟连接。有限元结构材料均采用Isotropic Elastoplastic Material模拟，材料属性按照实际参数进行设置。

在车身碰撞侧的座椅上建立了两点式安全带模型，并在座椅上分别单独放置一个、并排放置两个Euro SID-I假人，如图5和图6所示。同时，创建了车内乘员二维生存空间，不设置生存空间与其它结构之间的接触。

翻转平台和撞击面采用刚性平面来模拟，并考虑接触特性。车身骨架结构与蒙皮的接触使用CONTACT.FE_FE定义，摩擦因数取0.3;假人与车身上部结构、假人与安全带的接触使用CONTACT.MB_FE定义，摩擦因数取0.5;假人与座椅的接触使用CONTACT.MB_MB定义，摩擦因数取0.3。

ECE R66法规规定，客车侧翻碰撞安全性试验前停放在水平翻转平台上，翻转起始水平面与撞击面之间高度差为0.8m，翻转时平台向撞击面的一侧旋转，带动客车侧倾直至翻倒，平台旋转角速度不超过5°/s。为节省计算时间，仿真分析从客车处于翻转临界位置开始，翻转侧倾角速度采用JOINT.REVO来定义，角速度为ω=0.087rad/s。为充分得到侧翻过程中车身的变形情况，客车碰撞过程仿真时间设定为1.5s。

3 侧翻过程仿真

分别采用客车有限元侧翻模型(LS-DYNA模型)和客车有限元与多刚体混合侧翻模型(MADYMO模型)进行仿真，结果如图7所示。由图可见:两种模型的侧翻时质心加速度随时间变化曲线的走势基本一致;LS-DYNA模型的质心加速度在1.20s时达到最大峰值10.5g，MADYMO模型的质心加速度在1.19s时达到最大峰值9.7g，两者的质心加速度最大峰值和相应时刻基本一致，波峰脉宽也大致相同。

为进行客车侧翻模型的变形量对比，定义车身碰撞侧各立柱对生存空间的侵入量D，以变形后生存空间到侧围的最小距离计算D值，负值表示侵入，正值表示未侵入，如图8所示。

客车LS-DYNA模型和MADYMO模型仿真后变形对比结果如图9和表1所示。可以看出，两者在车身变形形式和对生存空间的侵入量上基本一致，最大误差在10%左右。同时，车身上部结构变形后均未侵入乘员生存空间，满足ECE R66法规要求。

表1 客车车身侧围结构对生存空间的侵入量

通过以上客车质心加速度和车身上部结构变形分析表明，客车LS-DYNA模型和MADYMO模型的动态响应基本一致，说明客车侧翻MADYMO模型基本有效，可用于后续研究。

4 客车侧翻乘员损伤分析

由于客车侧翻乘员损伤形式与侧碰具有较大的相似性，因此，本文中采用Euro SID-I假人对客车侧翻乘员损伤机理进行分析研究，损伤指标主要参考欧洲的侧碰法规要求。

(1)头部损伤指标HIC

式中:a为头部合成加速度;t1和t2分别为积分时间间隔内的起始时刻和结束时刻，在这时间间隔内HIC值最大。

(2)胸部损伤指标TTI

式中:GR为肋骨的加速度峰值;GLS为脊柱下端位置处的加速度峰值。

(3)胸部压缩量D

(4)胸部黏性指标VC

侧碰法规规定Euro SID-I假人头部合成加速度HIC36ms＜1 000，胸部压缩量D＜42mm，胸部黏性指标VC＜1.0m/s，腹部合力APF＜2 500N，骨盆峰值力PSPF＜6 000N，背板峰值力Fy＜4 000N。

4.1 单个乘员的损伤分析

将单个Euro SID-I侧碰假人M2放置在碰撞侧靠窗的座椅上，并佩戴两点式安全带，进行客车侧翻碰撞乘员损伤仿真分析，如图10和表2所示。

结果表明，客车在侧翻过程中，尽管侧围变形未侵入生存空间，但TTI却超出了法规限值:胸部损伤指标为281.7g，达到了侧碰法规要求的假人胸部损伤指标的3.13倍。这主要是由于假人M2的肩部与客车侧窗玻璃距离较近，在500ms时，假人左肩部接触到侧围和窗户玻璃，当客车进一步侧翻到与地面发生碰撞时，侧围结构变形弯曲，使假人肩部承受较大的碰撞力，假人M2会承受较大的胸部加速度，导致TTI增大，而由于胸部没有与客车及地面直接接触，胸部压缩量反而很小。因此，在这种情况下仍然会对乘员造成较严重的损伤。

表2 单个假人时的损伤值

4.2 乘员发生相互作用时的损伤分析

将两个Euro SID-I侧碰假人M1和M2并排放置在碰撞侧座椅上，并佩戴两点式安全带，进行客车侧翻乘员损伤仿真分析，如图11和表3所示。

由表3可知，当并排放置假人M1和假人M2在客车碰撞侧座椅上并佩戴两点式安全带时，与未放置假人M1时的假人M2损伤值比，大部分损伤值有所增加。例如，假人M2胸部损伤指标TTI增加了75.9%，腹部合力增加了30%，背板峰值力增加了92.7%，头部损伤指标HIC36ms增加了119%，颈部上端合力增加了80.1%，胸部黏性指标增加了93.3%。但是，胸部压缩量减小了4.6%，这主要是因为假人M2与车窗玻璃的接触主要在肩部，如图12所示，当有两个假人时，假人M1和车窗玻璃对假人M2都有一个挤压作用，虽然肩部挤压明显增加，但由于假人M2的手臂向内旋转，使其胸部并没有直接受力，从而导致假人M2的胸部压缩量减小。这与假人在此局部的生物逼真度不足有一定的关系。同时，由于胸部压缩量较小，在损伤评价时可不作考虑。

结果表明，TTI和腹部合力这两个损伤值比侧碰法规要求的损伤限值大，因此，客车在发生侧翻碰撞时，乘员胸部与腹部会有较大损伤风险。同时，当侧翻侧座椅上乘坐有两名乘员时，靠窗户的乘员承受的损伤会增加，如表3所示。

表3 当放置和未放置假人M1时的假人M2损伤值对比

5 结论

通过计算机仿真分析研究了客车侧翻碰撞过程中乘员的损伤情况和乘员间的相互作用对乘员损伤的影响。结果表明，即使客车结构变形未侵入欧洲ECE R66法规中要求的乘员生存空间，但是乘员胸部和腹部损伤值仍然较大，特别是当相邻两乘员发生相互作用时，乘员的损伤会更严重。在侧翻碰撞中单纯地以是否侵入生存空间为判定标准，不足以保证乘员安全性。该研究对侧翻碰撞法规的进一步完善有一定指导意义。

［1］National Institute of Aviation Research.Mass Transit Crashworthiness Statistical Data Analysis，Report#FTA-002［R］.Kansas 67260 －0093，12 Dec 2005.

［2］Final Publishable Report，ECBOS-Enhanced Coach and Bus Occupant Safety，Project N°:1999-RD.11130［R］.European Commission 5th Framework，2003.

［3］ECE R66 E/ECE/324 Rev.1/Add.65/Rev.1.Uniform Technical Prescriptions Concerning The Approval of Large Passenger Vehicles with Regard to The Strength of Their Superstructure［S］.Untied Nations，2006.

［4］Pankaj S Deshmukh.Rollover and Roof Crush Analysis of Lowfloor Mass Transit Bus［D］.Wichita State University，December 2006.

［5］Belingardi G，Gastaldin D，Martella，et al.Multibody Analysis of M3 Bus Rollover:Structural Behaviour and Passenger Injury Risk［C］.18th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles，ESV，Nagoya，Japan，May，2003.

［6］Mehmet A Guler，Ali O Atahan，et al.Crashworthiness Evaluation of an Intercity Coach Against Rollover Accidents［J］.Int.J.Heavy Vehicle Systems，2011，18(1).