汽车小偏置正面碰撞对驾驶员小腿伤害的分析

丁成 陈伟刚

（北京汽车股份有限公司研究院）

随着汽车保有量的不断增加，交通事故呈现逐步增长趋势，消费者对汽车安全性能更加关注。在汽车碰撞过程中，正面碰撞是汽车发生碰撞事故的主要形式。其中小偏置正面碰撞约占正面碰撞死亡事故的1/5[1]。因此，美国公路安全保险协会（IIHS）于2012-08正式颁布了汽车小偏置正面碰撞的试验规范和评估标准[2]，根据IIHS制定的标准进行小偏置碰撞试验过程中，发现通常驾驶员左侧小腿在碰撞过程中损伤严重，是主要失分项。为此，文章根据汽车小偏置碰撞试验的特点及约束系统匹配原则，对汽车小偏置碰撞中驾驶员小腿伤害情况进行分析，优化小腿得分，提出相应的解决方法。

1 小偏置碰撞试验规范[3]

IIHS定义的小偏置正面碰撞试验工况，如图1所示。被测试车以64 km/h的初始速度正面撞击特制的小偏置刚体壁障，车体前部与壁障重叠部分为车体宽度的25%。其中，特制的小偏置刚体壁障与车体接触处有一个半径为150 mm的倒角，同时该壁障需要被固定在一个巨大的刚体墙上。

图1 美国公路安全保险协会(IIHS)定义的小偏置正面碰撞试验工况示意图

2 假人小腿评价指标和伤害机理

根据IIHS制定的小偏置正面碰撞的评估标准[4]，小腿的评价指标有Mx（小腿绕X轴的弯矩）、My（小腿绕Y轴的弯矩）及Fz（小腿轴向压缩力）。

碰撞假人与真人的人体生物特性吻合程度直接影响正确评价汽车对乘员的保护能力[5]。目前在汽车安全碰撞过程中所使用的HybridⅢ50百分位试验假人能够很好地满足人体力学结构的相关性能，保证了在碰撞过程中能够准确地预测身体各部位的伤害程度[6]。小腿骨上下两端分别安装有传感器，用于采集小腿在碰撞过程中的上下胫骨所受Mx，My及Fz的情况。图2示出HybridⅢ50百分位假人小腿结构示意图。

图2 HybridⅢ50百分位假人小腿结构示意图

3 LSDYNA仿真模型的建立

文章基于LSDYNA建立的有限元模型，比以往的MADYMO模型对小腿的仿真伤害精度更高。该模型采用SUB-MODEL建模方法，使用LSDYNA中的关键字interface_component_node提取所需要的点（防火墙、油门踏板、玻璃、护膝板横梁、座椅及安全带固定点等所有与假人运动相关点）的运动信息，并设置为点集合（Nodes Set），然后将这些点的运动信息输入给子模型，作为其运动的边界条件。该方法的优点是节省计算时间。最后通过调整模型参数，将仿真模型与试验假人伤害曲线对标，保证该模型进行仿真优化分析的准确性。图3示出LSDYNA有限元模型。

图3 汽车小偏置正面碰撞LSDYNA有限元模型图

4 小腿得分影响因素分析

为了提高小腿得分，降低小腿伤害程度，对小腿伤害有影响的外界因素逐一进行分析。

4.1 护膝板造型的影响

护膝板造型与假人腿部接触表面要求尽量平直，否则会对小腿产生较大的伤害，图4示出某车型护膝板与小腿截面图。从图4中可以看出，该造型面对小腿上胫骨有硬点冲击影响，是导致小腿上胫骨Fz和My增大的原因之一，因此对护膝板造型沿黑色线所示位置进行修改，保证小腿与护膝板平滑面接触，降低小腿上胫骨的碰撞伤害。文章优化出2种改进方案，以便后续进行组合优化分析。

图4 某车型护膝板与小腿截面示意图

4.2 安全带限力的影响分析

在假人小腿伤害分析过程中发现，如果能够很好地限制乘员向前移动的位移，就可以很好地解决小腿伤害的问题，这需要对乘员的安全带限力等级进行调整，但从模拟仿真结果显示（表1）可以看出，随着安全带限力等级的提高，假人胸部压缩量将在一定程度上增加，过高的限力等级会导致假人胸部压缩量直接超标10分，根据该车型初步选定2.5 kN和3 kN 2种安全带限力与后续因素进行组合优化分析。

表1 汽车25%小偏置碰撞假人伤害参数表

4.3 歇脚板角度对小腿的影响

驾驶员左脚放在歇脚板上，歇脚板的角度直接影响在碰撞过程中左小腿受到My的情况，目前该车型歇脚板与水平面成60°，如图5所示。根据该车前地板造型情况，对歇脚板角度进行65，60，55，50°4个角度的优化分析，在仿真模型中对驾驶员侧歇脚板进行角度变化模拟分析，评估歇脚板角度在小偏置碰撞过程中对小腿胫骨指数的影响。

图5 歇脚板角度结构示意图

4.4 护膝板内部结构的影响分析

在进行小偏置碰撞仿真动画中发现，在碰撞运动过程中，驾驶员向左偏转特别严重，导致左小腿直接碰撞到护膝板的最左侧边缘，护膝板左侧边缘内部是刚性的横梁支撑架结构，碰撞直接造成护膝板与左小腿发生刚性接触，导致小腿伤害，因此需要对护膝板内部的支撑结构进行优化，图6示出护膝板内部结构示意图。文章所采取的措施是对护膝板内部支架蓝色件进行材料厚度的优化，经过和内饰设计人员的沟通，该支架材料厚度最低要求是保证护膝板护板支撑强度的要求，且如果支架厚度太薄，对小腿无法起到支撑作用，也会导致假人前移量过多，造成胸部伤害值增大。目前，该支架材料厚度为 1.8 mm，因此对 1.8，1.6，1.4，1.2 mm 4个厚度进行仿真优化，评估其对小腿的影响。

图6 护膝板内部结构示意图

5 小腿仿真优化分析及试验验证

根据以上对小腿伤害因素的分析，进而对影响小腿伤害因素进行组合分析。影响小腿伤害的因素汇总，如表2所示。

表2 影响小腿伤害因素汇总表

通过对影响因素进行排列组合共64个方案的优化分析，发现方案14效果最优，即采用护膝板造型1，安全带限力等级为3.0 kN，歇脚板角度为55°，支架厚度为1.4 mm的参数组合。优化方案14与基础模型的左小腿伤害曲线对比图，如图7所示。从图7可以看出，方案14对左小腿的伤害指标有明显的改善，且对大腿和胸部等其他部位伤害情况影响不大，因此采用方案14进行试验验证。试验结果显示，小腿伤害得到了明显改善，达到了预期的开发目标。

图7 优化方案14与基础模型左小腿伤害曲线对比图

6 结论

文章针对64 km/h的小偏置正面碰撞中小腿损伤严重的情况，分别从护膝板造型、安全带限力等级、歇脚板角度及护膝板护板内部结构等因素进行分析，通过建立LSDYNA有限元仿真模型，对以上因素进行仿真优化，降低了小腿的伤害情况，使小腿得分得到了改善。文章为降低小腿伤害提供了影响因素的优化方向，对以后的建模仿真优化有一定的指导意义。