基于Madymo 的正面碰撞驾驶员侧约束分析

摘要

选取道路交通事故中比例较高的车辆正面碰撞事故，通过Madymo 仿真软件，建立由车体、假人、安全带和安全气囊4 部分模型组成的驾驶员侧约束系统模型，对国内外不同性别、身高的假人模型进行正面碰撞仿真试验。通过不同假人头部和胸部的伤害程度对比，发现现有驾驶员侧约束系统对中国人中体型较小和体重较轻的人群保护效果较差，该分析为车辆约束系统的设计及优化提供参考依据。

关键词：Madymo; 驾驶员侧; 正面约束系统

汽车道路交通事故已经是世界范围内威胁人类生命安全的重大公害之一，据统计全世界每年有120万左右的人死于交通事故，有600 万人因为交通事故永久残疾［1］。根据美国道路交通管理局的研究，交通碰撞事故中，正面碰撞占49%，追尾碰撞占22%，侧面碰撞占25%，翻滚事故比例不超过3． 1%。在中国，每年发生的交通事故中，车辆正面碰撞所占比例达到72%［2］。

近几年，国内外学者围绕正面碰撞的约束分析进行了诸多研究: 颜萍等［3］结合多刚体动力学和有限元理论建立驾驶乘员约束系统模型，研究不同气囊及正面约束系统优化问题; 美国公路安全保险协会几款热门车型进行正面25%偏置碰撞测试，对车辆安全性问题展开讨论，建议将副驾驶侧的正面25%小区域偏置碰撞测试纳入最高安全评级的考核范围［4 － 5］; 田国红等［6］建立驾驶员侧正面碰撞仿真模型，对仿真结果和实车试验数据进行分析，得出模型的有效性和安全气囊对假人的保护作用; Sun 等［7］通过对10辆车的正面碰撞测试结果进行分析，得出后座乘员头部、胸部和股骨的伤害特征，提出正面碰撞中后座乘员假人伤害的测试方法和评价标准。本文中基于Madymo 建立某车型驾驶员侧的正面碰撞约束系统模型，对不同性别、身高的假人进行正面碰撞仿真试验。通过不同假人头部和胸部损伤的程度分析车辆约束系统对中国不同人群身体安全的保护情况，为车辆约束系统的设计及优化提供参考依据。

1  正面碰撞仿真模型

1.1  建模流程


利用Madymo 软件建立某车辆正面碰撞约束系统模型［8 － 9］，进行仿真试验并对试验结果进行分析。该模型包括车体模型、假人模型、安全带模型和安全气囊模型4个部分。正面碰撞驾驶员侧约束系统仿真模型的建立流程如图1 所示，主要步骤如下:

1) 以某车实际数据建立驾驶员侧的汽车车体模型，包括地板、座椅、挡板和方向盘4 部分;

2) 从Madymo模型数据库中导出假人数据，并按照中国人身高进行比例缩放，将不同性别、身高的假人模型分别导入约束系统，对假人进行调整和定位;

3) 建立安全带与安全气囊模型;

4) 定义各个部件之间相关的接触;

5) 定义各个部件之间的载荷特性和接触、输出特性。

1.2  试验方法

本文中仅研究驾驶员座椅上假人的损伤情况。根据文献［10］的技术要求和试验方法进行正面碰撞试验。在试验车辆中的前排驾驶员座椅安放假人，且按要求调整假人的姿态，车辆以一定的速度撞击由钢筋混凝土制成的壁障，壁障表面应完全铅垂，与碰撞车辆成90°夹角，碰撞示意图如图2 所示。



1.3  假人缩放

Hybrid III 50 百分位假人［11］广泛应用于正面碰撞试验，是评价汽车被动安全性的一个主要数据来源。根据文献［12］， 2012 年我国18 岁及以上成年人中，男性平均身高为167． 1 cm，女性为155． 8 cm。我国男性和女性的身高和体重普遍小于欧美男性和女性，选取相对接近中国人体数据的Hybrid III 50 百分位的假人进行缩放，结合其他数据，综合得出中国Hybrid III 50 百分位人体尺寸的假人模型。

经过研究，中国男性身材与Hybrid III 50 百分位男性假人的主要差别在手臂长度和腿部长度，而手臂长度和腿部长度决定着驾驶员的坐姿，因此对男性假人进行各个部位的精准缩放; 中国女性和欧美女性之间除极端身材外，主要差别在于身高和体重，因此女性进行使用整体比例缩放。

2  碰撞结果分析

2.1  头部

驾驶员车内碰撞过程在100 ms 内完成，碰撞仿真试验计算出100 ms 内各假人模型头部加速度，各假人模型头部加速度高峰时间如表1所示，历程曲线如图3 所示。




假人模型的体重与身高成正比，由表1 可知，男性假人模型随着身高体重的增加，头部碰撞加速度峰值时间延长，即男性假人模型头部和安全气囊的接触延后; 而女性假人模型恰好相反，身高体重越大，峰值出现的越早，即女性假人模型头部和安全气囊的接触提前。这一结果说明在相同约束系统、坐姿的情况下，男性与女性的被动安全保护完全不同，女性的身高体重越小，达到最大加速度的时间越短，导致女性缩放假人模型受到的伤害增大，而女性参考假人模型头部与安全气囊的碰撞时刻正好位于安全气囊完全展开之际，头部加速度峰值降低，表明该约束系统对于女性参考假人已经达到了最优解。

采用头部损伤指标( head injury criterion，HIC) H 对头部损伤进行评价［13 － 14］，HIC 由头部碰撞持续时间与加速度共同决定，H 越小表明头部损伤越大，计算公式为:



式中: a( t) 为头部质心合成加速度，m/s2 ; t2 － t1为碰撞过程中的某一时间段，t2 － t1 = 15 ms。各个假人模型HIC 如表2 所示。



由表2 可知，不论男性还是女性，身高体重越小受到的伤害越大; 由于成年男性身高体重普遍大于女性，所以相同约束条件对于女性保护效果较差。由表1、2 可知: 相同的约束系统对于身高体重大的人的头部保护效果相对较好，一是因为头部质量与头部质心的差异; 二是因为个子偏小的人为了保持最佳坐姿，通常座位比较靠前，与安全气囊之间的距离减小，很有可能在气囊气爆的充气阶段就与气囊接触，此时气囊压力正值上升期，不但起不到缓冲保护作用，甚至会因为气爆的巨大冲击造成头部的巨大伤害。

2.2  胸部

碰撞仿真试验计算出正面碰撞过程中各假人模型胸部所受的加速度，加速度峰值出现时间如表3 所示，各个假人胸部加速度历程曲线如图4 所示。

由表3 可知，男性缩放假人模型的峰值时间滞后于男性参考假人模型，女性缩放假人模型的峰值时间滞后于女性参考假人模型。因此不同性别的假人模型在胸部峰值时间的数据模型存在共同点，即身高体重越小，胸部受到的加速度峰值时间越长。

车辆惯性力、乘员舱挤压和冲击载荷是造成胸部损伤的主要原因。本文中依照国际惯例，采用胸部碰撞时间持续3 ms，胸部合成加速度60gg 为重力加速度) 作为评定胸部损伤的标准。

通过计算得出胸部所受合成加速度，超过60g即意味假人胸部受到严重伤害，如表4 所示。由表4 可知: 随着身高与体重的减少，胸部受到冲击增大; 约束系统相同的情况下，对身高、体重较大的人胸部保护程度比身高体重较小的人要好。

2.3  碰撞分析小结

通过头部与胸部的伤害对比可以看出，约束系统对于与Hybrid III 50 百分位假人身材相近人群的保护效果较好; 对于体型小于Hybrid III 50 百分位假人的人群，身高体重越小，保护效果越差，其中中国女性所受伤害最为严重。

根据本文采用的汽车数据来源显示，现在的汽车对于中国人体的身体尺寸达不到最优解，中国人在这种约束条件下发生的道路交通事故损伤比较大，因此为了合理评价国内汽车碰撞的安全性，研发符合中国人身材的百分位假人非常必要。

3  结语

对不同假人模型的驾驶员侧约束保护情况展进行研究，分析中国人体假人模型身材比例与国际通用Hybrid III 50 百分位假人之间的差异，使用Madymo 假人缩放功能建立了符合中国人体数据的假人模型;建立4 个正面碰撞模型并进行正碰计算，分析对比各个模型之间的头部伤害与胸部伤害。结果表明: 在相同的约束环境下，中国人体假人模型受到的伤害要高出Hybrid III 50 百分位模型，尤其是女性人体假人模型; 身高体重越小，受到约束系统保护的程度越小，损伤风险越大。所以，建立符合中国人体数据的假人模型对研究中国人体的约束系统有一定必要性。

参考文献:

［1］王含玉． 大客车前碰撞中驾驶员约束系统和损伤防护技术研究［D］． 长沙: 湖南大学，2014．
［2］马东杰． 汽车正面碰撞中儿童成员损伤防护技术研究［D］． 武汉: 武汉理工大学，2012．
［3］颜萍，陈靖芯，陈新文，等． 基于MADYMO 的主驾驶正面约束系统模型分析［J］． 农业装备与车辆工程，2019，57( 9) :27 － 31．
［4］张海东． 某SUV 平台翻滚及乘员损伤仿真研究［D］． 重庆: 重庆理工大学，2019．
［5］包崇美． 副驾驶侧安全被轻视: 关注IIHS 副驾驶侧正面25%偏置碰撞测试［J］． 世界汽车，2016( 9) : 86 － 91．
［6］田国红，齐登科，孙立国，等． 基于MADYMO 的正面碰撞驾驶员侧约束系统仿真分析［J］． 时代农机，2015，42 ( 12) :26 － 27．
［7］SUN Zhendong，LIU Yuguang． A study on the injury characteristics of rear seat occupant in vehicle frontal crash test［J］．Automotive Engineering，2011( 8) : 664 － 668．
［8］段敏，石晶，孙万杰，等． 微型汽车乘员约束系统的仿真研究及碰撞损伤防护［J］． 汽车技术，2008( 7) : 7 － 10．
［9］隆旭． 正面碰撞中不同安全带预紧方式对乘员的保护效果研究［D］． 长沙: 湖南大学，2018．
［10］国家质量监督检验检疫总局． 乘用车正面碰撞的乘员保护: GB 11551—2003［S］． 北京: 中国标准出版社，2004．
［11］曹立波，余志刚，白中浩，等． 中国假人模型与Hybrid Ⅲ假人模型碰撞响应的差异［J］． 中国机械工程，2009，20( 3) :370 － 374．
［12］国家卫生和计划生育委员会． 中国居民营养与慢性病状况报告( 2015) ［Ｒ/OL］． ( 2015 － 06 － 30) ［2020 － 02 － 10］．．
［13］王凯，李向荣，朱海涛，等． Hybrid Ⅲ 50 百分位假人胸部低速撞击标定研究［J］． 汽车工程，2009，31( 12) : 1123 － 1125．
［14］廖兴涛． 基于代理模型的汽车碰撞安全性仿真优化研究［D］． 长沙: 湖南大学，2006．