某车型正面碰撞乘员膝部滑移伤害研究

刘 伟，冉 丹，李 莉，王元博 Liu Wei，Ran Dan，Li Li，Wang Yuanbo



某车型正面碰撞乘员膝部滑移伤害研究

刘 伟，冉 丹，李 莉，王元博 Liu Wei，Ran Dan，Li Li，Wang Yuanbo

（北京汽车研究总院有限公司，北京 101300）

针对某车型正碰前排乘员侧假人膝部滑移量过高问题，基于有限元法建立正碰约束系统仿真模型，并通过试验结果对模型进行校正。通过对假人腿部运动及受力情况进行分析，引入“乘员脚部止动块”结构，降低假人膝部滑移量。分析和试验结果表明，“脚部止动块”可以有效降低特定原因引起的膝部滑移量过高问题。

正面碰撞；约束系统分析；假人膝部滑移；脚部止动块

0 引 言

汽车碰撞安全性能作为当今汽车工程领域的研究热点，得到了消费者、汽车主机厂、相关政府部门的高度重视。汽车发生碰撞事故后，不仅给车辆本身造成损坏，更重要的是会造成乘员受伤，甚至死亡。在汽车发生碰撞事故时，车内人员下肢损伤发生频率仅次于头部[1]。虽然不是导致死亡的主要原因，但由于发生率高，治疗困难，且下肢截肢比例高，会导致永久性致残，给社会带来巨大负担。为了减少在碰撞事故中乘员受到韧带断裂、下肢瘫痪等严重伤害，各国汽车法规和新车评价规程（New Car Assessment Program，NCAP）都设定了评估假人大腿损伤程度的指标[2]。在中国新车评价规程（C-NCAP）正面碰撞和正面偏置碰撞工况中，假人大腿伤害评价指标包括大腿压缩力和膝盖滑移量，其中膝盖滑移量主要用来判断车辆在发生碰撞事故时对乘员膝盖部位的保护效果[3]。

某车型C-NCAP正面碰撞试验工况中，前排乘员侧假人左、右膝部滑移量分别为7 mm和11 mm，超出评估体系中该部位高性能6 mm限值；左、右腿的大腿力峰值分别为5.1 kN和4.1 kN，造成失分。此问题不仅影响该车型在C-NCAP评价规程中的得分，而且增加车型量产后客户在交通事故中腿部受伤的风险，因此需要找到有效方案将问题解决。在实车试验中，高速摄像机无法直接记录试验过程中假人腿部的运动情况以及腿部与汽车内饰接触情况，这对查找膝部滑移过大的原因造成困难。随着CAE建模技术以及高性能并行计算硬件资源的不断提升，有限元分析法已经成为汽车碰撞安全性能开发过程中一个不可或缺的工具，尤其在试验问题查找和觖决方案初步验证方面，采用有限元法可以节省大量时间、成本。

针对试验中出现的问题，基于有限元法建立正面碰撞约束系统分析模型，并使用LS-DYNA求解器进行求解。对假人腿部运动及受力情况进行分析，结合50百分位混合Ⅲ型假人膝部结构特点，找出膝部滑移过高的原因，并引入脚部止动块设计方案，不仅有效解决试验中假人膝部滑移过高的问题，同时为解决汽车正面碰撞中假人腿部伤害问题提供了新的思路。

1 有限元模型建立与对标

1.1 建立约束系统有限元模型

乘员约束系统主要由安全带、安全气囊、仪表板、座椅、转向系统等组成，其中安全带和安全气囊的主要作用是约束车内乘员的运动，使人体避免与驾驶室内饰件发生二次碰撞；优化座椅、吸能式转向管柱、仪表板、内饰组件等的目的是当人体各部位与之发生二次碰撞时，能够最大限度降低人体所受到的伤害。

使用Hypermesh前处理软件建立约束系统有限元模型，如图1所示。为减少模型计算时间，车身截取前排乘员所在的A柱至B柱之间的部分，并在乘员脚部与地板接触区域建立地毯模型，同时为模拟乘员侧气囊真实展开状态，建立前风挡模型，并简化车顶区域。

图1 约束系统有限元模型

前排座椅采用细化单元建立骨架、座垫，使用预压紧方法下压座垫泡沫至与假人贴合，以确保假人的运动姿态与试验一致。座垫泡沫材料使用LS-DYNA中的*MAT_LOW_DENSITY_ FOAM材料模型。为防止计算过程中泡沫体单元出现负体积，在座垫单元表层包裹空壳单元。安全带采用1D SEATBELT单元与2D壳单元相结和的方式，与假人接触的部分使用2D壳单元，其余部分使用1D SEATBELT单元。安全气囊选用LS-DYNA气囊模型中的WANG_NEFSKE类型，使用膜单元建立，气体发生器参数根据试验参数设定，点火时间为16 ms。

假人模型使用LSTC公司“Hybrid Ⅲ 50th Percentile Male”，将假人按照试验位置进行摆放。假人膝盖滑移是研究重点，参照试验物理假人腿部结构对有限元假人进行修正，增加膝部前向滑移限位结构，如图2所示。

图2 膝部前向滑移限位结构

根据C-NCAP正面碰撞试验规则设置模型边界条件，车体和假人初始速度为50 km/h，同时为车体加载与碰撞试验等同的减速度。

1.2 有限元模型对标

为确保所建立有限元模型的准确性以及优化结果的可信性，将有限元模型与试验结果进行对标。对标内容主要包括：（1）前排乘员侧假人骨盆加速度；（2）前排乘员侧假人安全带肩带力与腹带力；（3）前排乘员侧假人左、右膝部位移；（4）前排乘员侧假人左、右大腿力。具体见表1。

表1 有限元模型调整内容与试验对标项目

对比有限元分析结果与实车碰撞试验结果，对有限元模型进行细化。调整安全带与假人胸部、腹部的相对位置，使其与试验状态一致；调整假人腿部、脚部姿态，使其与试验状态一致。由于手套箱、仪表板下护板在碰撞过程中与假人膝盖、小腿发生接触，其材料参数直接影响假人腿部伤害。因此，进行手套箱与仪表板下护板材料拉伸试验，将试验结果作为有限元模型材料参数，提高模型精度。

通过上述对标工作，得到最终调整后的有限元模型计算结果。如图3、4所示，对标后假人骨盆向、向加速度曲线与实车碰撞试验测量数据基本吻合；安全带肩带力、腹带力加载过程、峰值与试验测量值一致。表明在有限元模型中，假人躯干的运动情况与试验过程接近。

图3 骨盆加速度与试验对比曲线

图4 安全带拉力与试验对比曲线

如图5、6所示，对标后，前排乘员左膝部滑移曲线与试验结果相近，右膝部滑移曲线比试验结果略窄，但峰值与试验曲线接近。如图7所示，假人左、右大腿力波形与试验结果相似，表明假人腿部运动以及与假人腿部接触区域的零部件刚度均与实车试验相当，由此可以确定对标后有限元模型的准确性与可信性。

图5 乘员假人左膝部滑移与试验对比曲线

图6 乘员假人右膝部滑移与试验对比曲线

图7 乘员假人左、右大腿力与试验对比曲线

2 假人膝部滑移失分原因分析

2.1 假人膝部滑移产生的机理及影响因素

2.1.1 假人膝部滑移产生的机理

正面碰撞试验采用Hybrid Ⅲ 50百分位男性假人。大腿的伤害包括膝盖滑移量和大腿压缩力两项指标，通过位移传感器和力传感器测量。当小腿受到外力作用时，大腿相对于小腿产生相对滑动，膝部位移滑块运动带动拉线传感器运动，拉线的拉出长度表征膝盖位移，拉出越长，假人膝盖的伤害值越大。

2.1.2 影响假人膝部滑移的因素分析

对假人膝部滑移产生机理分析可知，可能影响假人膝部受力的因素很多，包括：仪表板造型、膝部与仪表板冲击接触区域的刚度、约束系统配置、座椅强度、假人位置与坐姿、车身加速度等，而与假人腿部接触的区域主要是仪表板[4]。在正面碰撞试验中，假人大腿的伤害主要来自于假人膝部撞击手套箱、小腿撞击仪表板下护板产生的大腿压缩力和膝盖滑移量。碰撞过程中，假人腿部与仪表板的接触位置直接影响膝盖的滑移量：若假人膝部先与仪表板接触，大腿压缩力一般较高，膝部滑移量较低；若假人小腿先与仪表板接触，膝盖滑移量一般会超标[5]。

2.2 某车型正面碰撞假人膝部失分原因分析

为确定某车型正面碰撞假人膝部失分原因，在有限元模型分析结果动画中观察前排乘员腿部与仪表板手套箱、下护板的接触情况。在碰撞过程中，车身做减速运动，假人胸、腹部因受安全带约束随车身减速，而假人小腿由于惯性向前运动。由某车型仪表板造型截面可以看出，该车仪表板下护板内布置了空调箱，为适应空调箱尺寸，下护板向外部凸出，且其拐角处沿空调箱形状产生棱角，如图8所示。

图8 某车型仪表板造型特征及布置

由于下护板的凸出设计，当假人腿部与仪表板接触时，假人膝盖与小腿几乎同时与仪表板的手套箱和下护板发生接触。此时，假人大腿受到手套箱的撞击力手阻止假人大腿继续向前运动，小腿中间位置受到下护板的撞击力护以及地板对脚部的支撑力地方向相反，使小腿与大腿之间产生明显的剪切效果，从而造成膝部滑移过大，如图9所示。

图9 原方案假人腿部受力

通过以上分析，可以确定某车型正碰乘员侧假人膝部失分的主要原因为假人小腿与下护板撞击力过大，使小腿与大腿之间产生较大的剪切力矩。因此，解决问题的方法可以分为两种：

1）减小假人小腿与下护板撞击强度，从而降低护；

2）改变护的受力位置，降低护对膝部滑移块的力矩。

3 假人膝部滑移伤害优化分析

3.1 脚部止动块方案设计

根据上文对假人腿部的受力分析，若改变假人小腿受到下护板撞击力护的位置，将其下移至假人脚部，则小腿与大腿的运动趋势会由“剪切”变为“旋转”，膝部位移滑块受到的剪切力减小，膝部滑移量会随之降低。因此，在车身前围板适当位置增加脚部止动块，碰撞过程中，当假人脚部向前运动时与脚部止动块发生接触，产生接触力止。止阻止小腿继续向前运动，减小或消除小腿与下护板的撞击力护。与此同时，止使小腿与大腿之间形成绕膝部转动的运动，从而降低假人膝部滑移伤害，如图10所示。

图10 增加止动块后假人腿部受力

3.2 脚部止动块方案验证

3.2.1 脚部止动块方案有限元分析验证

约束系统分析模型增加脚部止动块后进行计算，对比两次计算结果中假人腿部的运动情况。如图11所示，在增加止动块的模型中，假人脚尖踢到止动块，使小腿并未与仪表板下护板发生强烈撞击，小腿相对大腿绕膝部转动，并撬动大腿向上运动，减轻大腿与手套箱的撞击力。

图11 假人腿部运动对比

增加止动块后，乘员侧假人左腿膝部滑移量减小至0.5 mm，右腿膝部滑移量减小至3.77 mm，均低于C-NCAP评价体系中该部位高性能6 mm限值。另外，由于脚部向前运动受到止动块限制，假人小腿与大腿之间产生转动趋势，撬动大腿向上运动，大腿与手套箱之间的撞击力随之降低。因此，增加止动块后左、右大腿压缩力分别降至1.56 kN和0.68 kN。

3.2.2 脚部止动块方案实车试验验证

为验证脚部止动块方案有效性，在某车型OTS样车上安装手工制作的止动块进行C-NCAP正面碰撞试验，试验结果显示，假人左、右腿膝部滑移量分别为0.84 mm和0.98 mm，左、右大腿压缩力峰值分别为1.27 kN和2.16 kN，均低于C-NCAP评价体系中该部位高性能限值，乘员侧假人大腿得分为满分。

4 结束语

通过有限元法对某车型正面碰撞中前排乘员侧假人膝部滑移失分问题进行分析，找出膝部滑移失分问题原因，并利用脚部止动块结构改变假人腿部受力来解决问题，最终通过实车试验验证方案的有效性。通过研究可以得出：

1）汽车仪表板造型，尤其是手套箱和下护板等部位在碰撞时会直接影响乘员腿部伤害，因此，在造型设计阶段，应尽量将下护板作圆滑处理，避免局部凸出和棱角，且膝部距仪表板距离应小于小腿距仪表板距离；

2）因仪表板造型造成乘员膝部滑移伤害较高时，可以尝试使用脚部止动块结构减轻小腿与下护板撞击强度，从而降低膝部滑移伤害。

[1]Dan Pattimore，Edmund Ward，Pete Thomas，et al. The Nature and Cause of Lower Limb Injuries in Car Crashes[C]//Stapp Car Crash Conference，35th，1991，San Diego，California，USA，1991.

[2]Morgan RM，Eppinger R H，Hennessey BC. Ankle Joint Injury Mechanism for Adults in Frontal Automotive Impact[C]//Stapp Car Crash Conference，35th，1991，San Diego，California，USA，1991.

[3]潘如杨，张海洋，卢冬梅，等. 小膝部空间车型驾驶员膝部伤害及优化[J]. 汽车工程师，2015（3）：23-26.

[4]杨笠，顾玉龙. 正面偏置碰撞中降低假人膝盖滑动位移的结构优化[J].汽车安全与节能学报，2014（4）：367-370.

[5]刘珍海. 正面碰撞中假人大腿的伤害[J]. 汽车工程师，2012（10）：39-43.

2017-10-10

U461.91

A

1002-4581（2018）01-0012-05

10.14175/j.issn.1002-4581.2018.01.004