汽車(chē)緊急制動(dòng)工況下安全帶對(duì)駕駛員約束狀況的

1、汽車(chē)緊急制動(dòng)工況下安全帶對(duì)駕駛員約束狀況的摘 要：基于ANSYS/LS-DYNA 軟件進(jìn)行了汽車(chē)緊急制動(dòng)工況下的計(jì)算機(jī)仿真，重點(diǎn)研究了安全帶對(duì)駕駛員的約束情況。首先，根據(jù)法規(guī)FMVSS572 對(duì)假人的頭部、頸部、胸部、膝部進(jìn)行標(biāo)定，然后將建立好的駕駛室模型導(dǎo)入ANSYS/LS-DYNA 中修改，生成有限元模型；接著，導(dǎo)入假人模型，調(diào)整假人坐姿，建立安全帶有限元模型，設(shè)定控制參數(shù)進(jìn)行求解；最后，從假人的制動(dòng)狀態(tài)、假人各部位的加速度、安全帶對(duì)假人的約束力以及安全帶與假人的內(nèi)能變化等四個(gè)方面對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析，為降低人員的傷害提供了參考。關(guān)鍵詞：緊急制動(dòng)；模擬仿真；Rigid Hybird III

2、；ANSYS/LS-DYNA中圖分類(lèi)號(hào)：U461.911 前言緊急制動(dòng)，是為了避免車(chē)輛與其他車(chē)輛、行人或障礙物等發(fā)生嚴(yán)重的碰撞而采取的保護(hù)措施。駕駛員的制動(dòng)行為是把將會(huì)發(fā)生的碰撞行為轉(zhuǎn)嫁到自身身上，在這個(gè)過(guò)程中，駕駛員與安全帶之間實(shí)際上進(jìn)行著強(qiáng)烈的碰撞，因此研究安全帶性能的可靠性以及汽車(chē)制動(dòng)過(guò)程中駕駛員所受的力顯得尤為重要。本文基于LS-DYNA 顯式有限元法研究了在緊急制動(dòng)工況下駕駛員與安全帶之間的約束關(guān)系，為降低駕駛員的傷害提出了有效的途徑。2 假人模型的標(biāo)定碰撞試驗(yàn)假人是進(jìn)行車(chē)輛碰撞安全性試驗(yàn)的重要設(shè)備之一，無(wú)論是實(shí)車(chē)試驗(yàn)還是計(jì)算機(jī)仿真對(duì)假人的標(biāo)定都是一項(xiàng)非常重要的工作，其生物擬合性好壞

3、直接關(guān)系到車(chē)輛碰撞安全性能是否得到正確的評(píng)估，直接關(guān)系到計(jì)算機(jī)模擬仿真的真實(shí)性1。仿真采用剛性混合第50 百分位（Rigid Hybird III50th%）有限元假人模型。該假人模型的身體的各項(xiàng)指標(biāo)符合美國(guó)第50 百分位成年男子的主要尺寸，重約78 千克。該模型與中國(guó)第50 百分位成年男子有一定的差異，所以使用該假人得出的數(shù)據(jù)行對(duì)中國(guó)人來(lái)說(shuō)會(huì)偏低。參考GB11551-2003和美國(guó)國(guó)家公路安全管理局法規(guī)FMVSS572 對(duì)假人的頭部、頸部、胸部、膝部進(jìn)行標(biāo)定。1.1 頭部模型標(biāo)定如圖2 所示頭部模型標(biāo)定。施加重力加速度讓頭部作自由落體運(yùn)動(dòng)，定義頭部以及頭部與剛性地面之間的接觸，通過(guò)測(cè)定頭部的

4、加速度驗(yàn)證頭部模型是否合格，若不合格可以調(diào)整頭骨與皮膚之間的摩擦系數(shù)，最終達(dá)到法規(guī)要求2。圖1 Hybrid男性第50 百分位假人模型-2-圖2Hybird III 假人頭部模型標(biāo)定 圖3 擺臂剛與吸能塊碰撞時(shí)標(biāo)定模型1.2 頸部模型標(biāo)定頸部模型標(biāo)定包括彎曲標(biāo)定和拉伸標(biāo)定，標(biāo)定時(shí)將假人頭頸固定在擺臂上，然后通過(guò)拉伸裝置將擺臂提升到滿足碰撞速度要求的高度再釋放，碰撞處需要放置滿足要求的吸能塊。給整個(gè)模型施加重力加速度，使整個(gè)模型在重力作用下繞上懸掛點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)需要定義擺臂與吸能塊間的接觸；測(cè)量擺臂與吸能塊碰撞時(shí)的沖擊力。通過(guò)調(diào)節(jié)頸部上端鉸鏈的阻尼，保證最大峰值力距不超過(guò)FMVSS572 的要求：

5、52934N.mm80079N.mm2。1.3 胸部模型標(biāo)定在車(chē)輛的正面碰撞中，胸部主要受汽車(chē)方向盤(pán)、安全帶、安全氣囊的的沖擊力作用，胸腔受擠壓而變形。胸部是緊急制動(dòng)工況下承受安全帶約束力的主要部位，因此胸部模型生理特性的好壞直接影響到仿真結(jié)果的真實(shí)性。假人胸部模型標(biāo)定如圖4 所示，采用具有一定質(zhì)量的面狀、鈍性沖擊物撞擊假人上胸肋骨位置。設(shè)定整個(gè)模型的重力加速度、撞擊物的速度以及撞擊物與假人胸部的接觸。輸出假人胸部的壓縮量，保證壓縮量在FMVSS572 標(biāo)準(zhǔn)的63.5mm72.7mm 范圍之內(nèi)2。圖4 胸部模型標(biāo)定 圖5 膝部模型的標(biāo)定1.4 膝部模型的標(biāo)定如圖5 所示膝部模型標(biāo)定，采用鈍性沖

6、擊塊撞擊假人膝部，固定大腿一側(cè)，設(shè)定模型的-3-重力加速度、撞擊物的初始速度、撞擊物與膝部的接觸，輸出撞擊物剛與膝部接觸時(shí)的沖擊力，通過(guò)調(diào)整該部的材料模型、沙漏控制、單元算法來(lái)解決求解過(guò)程中可能出現(xiàn)的負(fù)體積問(wèn)題。通過(guò)調(diào)整膝部彈簧單元的剛度保證膝部的沖力力不超過(guò)FMVSS572 標(biāo)準(zhǔn)的10KN2。2 有限元模型的建立及求解2.1 建立有限元模型分析緊急制動(dòng)工況下安全帶對(duì)駕駛員約束情況,重點(diǎn)是建立安全帶模型、假人坐姿的確定、假人與座椅地板的接觸。如圖6 所示有限元模型。在CATIA 中建立除假人以外的所有模型，將汽車(chē)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化只保留駕駛室內(nèi)座椅靠背、地板，其他部件用質(zhì)量塊代替。將建立好的簡(jiǎn)單模型

7、和標(biāo)定好的假人模型導(dǎo)入ANSYS /LS-DYNA中進(jìn)行前處理。根據(jù)座椅R 點(diǎn)調(diào)整假人的坐姿3。為節(jié)省求解時(shí)間質(zhì)量塊采用SOLID164 單元，材料為不變形剛性體，另外在質(zhì)量塊的質(zhì)心位置定義質(zhì)量單元MASS166，通過(guò)質(zhì)量單元補(bǔ)償整車(chē)質(zhì)量，保證整車(chē)總質(zhì)量全部施加在質(zhì)量塊和質(zhì)量單元處。座椅、靠背、地板采用SHELL 163 單元，其中靠背與質(zhì)量塊采用點(diǎn)焊固聯(lián)。安全帶選擇連續(xù)三點(diǎn)式，即兩點(diǎn)式腰帶和肩帶合二為一的復(fù)合式，采用彈簧與阻尼單元COMBI165,材料為非線性彈性材料模型。劃分網(wǎng)格，對(duì)安全帶、假人模型網(wǎng)格可以密些，質(zhì)量塊、地板、靠背座椅可以疏一些。2.2 設(shè)定求解參數(shù)并進(jìn)行計(jì)算 定義表面接觸

8、信息進(jìn)入LS-DYNA Option 定義表面接觸信息。接觸用來(lái)定義剛性體之間以及剛性體與有限元模型之間的作用關(guān)系，接觸有單面接觸、點(diǎn)面接觸和面面接觸三類(lèi)。仿真涉及到的接觸主要是假人和座椅、靠背之間的點(diǎn)面接觸，安全帶與假人之間的面面接觸，其余可能的接觸全定義為單面接觸。另外通過(guò)接觸界面控制選項(xiàng)設(shè)置控制參數(shù)，消除初始穿透，其對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵字為*CONTROL_CONTACT4。 設(shè)定初始條件,施加載荷設(shè)所有模型的初速度為14.8m/s，即車(chē)體和假人先以相同的除速度運(yùn)動(dòng)。圖6 車(chē)體有限元模型圖7 減速度曲線-4-加載如圖7 所示減速曲線，該減速曲線是汽車(chē)發(fā)生碰撞前，駕駛員緊急制動(dòng)，測(cè)量駕駛艙地板的減速

9、度獲得的，將該減速載荷施加在除假人和安全帶以外的全部實(shí)體上。從而模擬緊急制動(dòng)時(shí)假人和安全帶之間的約束情況。曲線所示為加速曲線，設(shè)定剛體或節(jié)點(diǎn)組運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵字*BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION_SET 中的載荷曲線比例因子SF=-1,即可變?yōu)闇p速曲線4。 分析選項(xiàng)設(shè)置根據(jù)減速曲線設(shè)定求解時(shí)間為0.14 秒。設(shè)置能量控制選項(xiàng)，定義輸出節(jié)點(diǎn)信息：位移速度、加速度等。生成K 文件，對(duì)部分K 文件修改，遞交求解。3 計(jì)算結(jié)果分析3.1 駕駛員制動(dòng)狀態(tài)分析圖8 為各制動(dòng)時(shí)刻駕駛員的狀態(tài)t=0.01 秒 t=0.02 秒 t=0.05 秒t=0.07 秒 t=0.09 秒 t=0.1 秒t

10、=0.12 秒 t=0.13 秒 t=0.14 秒圖8 各制動(dòng)時(shí)刻駕駛員狀態(tài)緊急制動(dòng)過(guò)程中駕駛員由于慣性，制動(dòng)過(guò)程在時(shí)間上具有滯后性。圖中所示各時(shí)刻的制動(dòng)狀態(tài)均為汽車(chē)行駛方向上駕駛員相對(duì)于座椅以及靠背的位移量。可以看出頭頸部、腰部、腳和小腿部先后發(fā)生位移，先是頭部在慣性作用下向前移動(dòng)，接著腰部由于受到腰帶的約束-5-向下發(fā)生滑移，肩帶對(duì)胸部的束縛作用迫使頭部向后移動(dòng)及頭部產(chǎn)生二次沖擊。3.2 加速度分析加速度是評(píng)價(jià)碰撞時(shí)人體所受傷害程度的重要指標(biāo)。國(guó)際上采用加速度衡量人體損傷的主要有頭部損傷標(biāo)準(zhǔn)(HIC)和胸部3 毫秒準(zhǔn)則5。A：頭部加速度曲線 B：頸部加速度曲線C：胸部加速度曲線 D：腹部加

11、速度曲線圖9 加速度曲線 頭部損傷標(biāo)準(zhǔn)(HICHead Injury Criterion)HIC 由頭部合成的加速度響應(yīng)在一定時(shí)間內(nèi)積分得到，其計(jì)算公式如下5：( ) 20 1 22.51 2 12 1max 1 ( )EtT t t T tHIC R t dt t t t t = (1)式中：R（t）為T(mén)0tTE 期間，頭部質(zhì)心處的合成線性加速度，單位： g；T0 為碰撞起始時(shí)間，單位：s；TE 為碰撞結(jié)束時(shí)間，單位：s；t1、t2 為使HIC 達(dá)到最大值的時(shí)間段的起始和終止時(shí)間。 胸部3 毫秒準(zhǔn)則胸部是繼頭部后最應(yīng)受保護(hù)的器官，該準(zhǔn)則指作用在上胸部重心處的作用時(shí)間為3ms或更長(zhǎng)時(shí)間的線性加

12、速度最大值為60g5。圖9 所示為頭部、頸部、胸部和腹部加速度曲線。頭部和頸部的加速度峰值均出現(xiàn)在制動(dòng)后的0.1 秒左右，兩者的加速度曲線變化趨勢(shì)一致，但頭部加速度的變化幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于頸部。因此在緊急制動(dòng)中如何控制頭部加速度值，使其HIC 值不超過(guò)人體的生理極限就成為非常重要的研究?jī)?nèi)容。胸部和腹部由于受安全帶的直接約束，加速度變化幅度沒(méi)有頭部的大。其中腹部加速度在整個(gè)制動(dòng)過(guò)程中都比較平緩，而胸部加速度值在0.09 秒左右出現(xiàn)峰值。另外四個(gè)部位的加速度均在0.06 秒左右出現(xiàn)峰值。3.3 約束力分析駕駛員的速度能夠降下來(lái),就是靠安全帶的約束了作用,承受約束力的主要部位就是人的-6-胸部和腹部。安全

13、帶的肩帶和腰帶在制動(dòng)的不同時(shí)刻先后對(duì)胸部和腹部約束力作用如圖10所示。A:肩帶對(duì)胸部的約束力 B:腰帶對(duì)腹部的約束力C:腰帶邊緣對(duì)肋骨的約束力 D:肩帶對(duì)腹部的約束力圖10 安全帶對(duì)身體各部位的約束力由圖可知安全帶對(duì)人體的約束作用主要發(fā)生在0.02s0.09s 之間。肩帶對(duì)胸部的約束作用最早，而且在整個(gè)制動(dòng)過(guò)程中肩帶對(duì)胸部的約束力都非常大，在0.06 秒左右達(dá)到峰值，可見(jiàn)胸部壓縮量主要就是由肩帶的約束力引起；腰帶對(duì)肋骨和腹部的約束作用基本相近，其中腹部受到腰帶的約束稍弱；腹部受到的腰帶和肩帶的約束力變化趨勢(shì)基本相同，其中肩帶對(duì)腹部的約束范圍較大，幅值較小，而腰帶的約束作用則相反；0.09 秒以

14、后，腰部、肋骨和腹部受到的約束力趨于穩(wěn)定。因此在0.02s0.09s 時(shí)間段是人體承受安全帶約束力最大，通過(guò)對(duì)肩帶和腰帶選用不同的材料，保證肩帶對(duì)胸部約束力不至過(guò)大同時(shí)又能將人體約束在一定的空間，是減小人體損傷的有效途徑。3.4 能量分析在制動(dòng)過(guò)程中，系統(tǒng)的總動(dòng)能全部轉(zhuǎn)換為內(nèi)能耗散掉。制動(dòng)過(guò)程遵循能量守恒定定理6，即：2 21 1 2 2 1 2 3 41 12 2M v + M v = E +E +E +E (2)式中：M1、M2 分別為駕駛員和車(chē)體的質(zhì)量；v1、v2 分別為駕駛員與車(chē)體的速度；E1、E2、E3、E4 分別為人體吸收的能量、安全帶吸能、車(chē)體與地面吸能、其他形式的吸能。除去車(chē)輪

15、與地面的吸能，其余大部分能量被安全帶和駕駛員吸收，而駕駛員吸收的能量主要是指身體各部位的變形能。因此讓安全帶盡可能吸收更多能量就是安全帶設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。本仿真模型主要考察假人與安全帶內(nèi)能的關(guān)系。圖11、圖12 為制動(dòng)過(guò)程中安全帶和假人內(nèi)能曲線。-7-A：腰帶內(nèi)能 B：肩帶內(nèi)能圖11 安全帶內(nèi)能曲線圖12 假人內(nèi)能曲線比較假人和安全帶在制動(dòng)過(guò)程中的內(nèi)能曲線，發(fā)現(xiàn)安全帶吸收了大部分的能量，特別是肩帶，內(nèi)能變化幅度較大，吸收的能量較大，而腰帶內(nèi)能變化相對(duì)平緩；從時(shí)間上看，0.06秒附近是動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能最大的時(shí)刻，這個(gè)時(shí)候車(chē)體的大部分動(dòng)能被安全帶吸收。從假人內(nèi)能變化曲線可以看出，0.06 秒至0.08 秒

16、也是假人內(nèi)能變化最大的時(shí)刻，而人體吸收的內(nèi)能均以器官的變形能耗散，因此,這段時(shí)間也是胸部或其他部位壓縮量最大的時(shí)候，設(shè)法降低該時(shí)刻人體的內(nèi)能是降低胸部壓縮量的關(guān)鍵。4 總結(jié)緊急制動(dòng)過(guò)程中，安全帶對(duì)駕駛員的約束情況決定著駕駛員的傷害情況。本文對(duì)緊急制動(dòng)工況下安全帶與駕駛員之間的約束關(guān)系進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真，分別從假人模型的狀態(tài)、假人模型各部位的加速度、安全帶對(duì)假人的約束力以及安全帶與假人的內(nèi)能變化等四個(gè)方面進(jìn)行了細(xì)致分析，得出如下結(jié)論： 在制動(dòng)過(guò)程中，頭部、頸部、胸部、腹部、腰部以及下肢具有不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其-8-中頭部和頸部之間運(yùn)動(dòng)的不協(xié)調(diào)是造成頭頸部傷害的主要原因；從各部位的加速度曲線看出頭部和

17、頸部加速度變化差別較大，0.1 秒左右是兩者運(yùn)動(dòng)干涉最激烈的時(shí)刻，同時(shí)也是造成頭頸部傷害最大的時(shí)刻； 安全帶的約束作用是降低人體傷害最有效的方式，從安全帶對(duì)人體各部位的約束力曲線看出，約束作用主要發(fā)生在0.02s0.09s 之間，其中肩帶對(duì)胸部的約束力最大，腰帶對(duì)腹部的約束力相對(duì)較小，而且在制動(dòng)過(guò)程中肩帶的內(nèi)能變化較大，吸能較多。因此為了讓安全帶吸收較大的能量，同時(shí)又能保證人體約束在一定范圍，肩帶可選擇彈性稍小的織帶，腰帶選擇彈性稍大的織帶。參考文獻(xiàn)1 申福林，楊振亮 大客車(chē)后排座椅靠背角度在追尾事故中對(duì)乘員安全性的影響A 2009 年中國(guó)客車(chē)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集 2009.10 西安2 彭宗峰，郭

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19、artment of vehicle engineering Changan University, Xian (710054)AbstractUse CAD models to simulate the vehicle operating condition of emergency braking based onANSYS/LS-DYNA software, and focusing on the constraints of the driver seat belt. First, calibrate thedummys head, neck, chest, knee according to the FMVSS572,and then