基于車輛-護欄碰撞的乘員風險評價指標相關性分析

時鳳奎

(天津市交通教育培訓中心, 天津 300012)

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基于車輛-護欄碰撞的乘員風險評價指標相關性分析

時鳳奎

(天津市交通教育培訓中心, 天津 300012)

針對車輛護欄碰撞時的乘員安全風險評價，建立了車輛-乘員-護欄碰撞系統(tǒng)有限元模型，并依據(jù)試驗結(jié)果進行了模型有效性驗證。利用HyperMesh和LS-DYNA軟件，選取50,70,100 km/h 和120 km/h等不同碰撞速度，和20°,25°,30°等不同碰撞角度組合，進行了12組車輛護欄碰撞仿真試驗，獲取碰撞過程中車輛質(zhì)心處和乘員頭部縱向、橫向、垂向的加速度數(shù)據(jù)，進而計算分析了乘員加速度傷害指標(ASI)、理論頭部碰撞速度(THIV)、碰撞后頭部減速度(PHD)以及頭部傷害指標(HIC)等乘員風險評價指標值。在此基礎上，采用SPSS統(tǒng)計軟件，分析了各乘員風險評價指標與頭部傷害指標HIC的量化對應關系。研究結(jié)果表明：ASI與HIC具有較好的相關性;ASI與HIC之間用指數(shù)函數(shù)擬合，且擬合度為0.91。

交通工程；評價指標；車輛-護欄碰撞;乘員風險;相關性分析

0 引言

護欄是對失控車輛進行安全防護的重要道路交通基礎設施。據(jù)統(tǒng)計，我國高速公路交通事故中約有30%是由于車輛與路側(cè)護欄碰撞后失控駛離道路導致的，且由此造成的特、重大惡性交通事故占比達到60%以上。因此，如何評價車輛與護欄碰撞過程中的乘員安全風險顯得十分必要和具有現(xiàn)實意義。

實車足尺碰撞試驗是國內(nèi)外通用的交通安全防護設施和車輛本體安全性能評價方法，其關鍵在于乘員安全風險評價。目前我國針對車輛護欄碰撞的乘員安全風險評價指標相關性的研究經(jīng)驗較少。文獻[1]選取了10余組車輛實車碰撞護欄的試驗案例進行了對比，結(jié)果表明，我國現(xiàn)行交通安全防護設施標準規(guī)范的乘員風險評價指標限值偏高。文獻[2]研究發(fā)現(xiàn)車輛重心10 ms平均加速度的變化對頭部和胸部傷害的影響呈較為強烈的線性關系，且對乘員的頭部損傷影響最大。交通安全防護設施和車輛本體安全性能評價目標一致，但二者在相關標準中的評價指標迥異。如何統(tǒng)一量化現(xiàn)行交通安全防護設施的乘員風險評價指標與乘員頭部傷害指標的對應關系問題亟需研究。因此，本文建立車輛-乘員-護欄碰撞系統(tǒng)有限元模型，并依據(jù)試驗結(jié)果進行了模型有效性驗證。借鑒EN 1317，利用Hyper Mesh和LS-DYNA軟件，選取碰撞速度為50，70，100 km/h 和120 km/h，碰撞角度為20°，25°和30°條件下，對12組車輛護欄碰撞試驗進行模擬分析，計算ASI、THIV以及PHD等乘員風險評價指標值。在此基礎上，分析現(xiàn)行交通安全防護設施的乘員風險評價指標與乘員傷害值HIC的量化對應關系。該研究成果將對我國護欄相關標準制、修訂，試驗研究及開發(fā)具有指導意義。

1 基礎理論

乘員風險是指車輛與護欄碰撞過程中乘員受到的傷害程度。乘員風險評價方法分為車輛乘員風險評價方法和防護設施乘員風險評價方法，分別以交通安全防護設施和車輛為對象，其具體評價方法分為歐盟和美國兩大體系。

1.1 車輛乘員風險評價方法

車輛碰撞乘員風險評價方法在美國的《乘員在車內(nèi)碰撞時的保護》(FMVSS 201)、《乘員碰撞保護》(FMVSS 208)及《側(cè)撞保護》(FMVSS 214)等，歐盟的《正撞乘員保護》(ECE R94)、《關于車輛側(cè)面碰撞乘員保護認證的統(tǒng)一規(guī)定》(ECE R95)等均有體現(xiàn)。我國現(xiàn)執(zhí)行的《汽車正面碰撞的乘員保護》(GB 11551)、《汽車側(cè)面碰撞的乘員保護》(GB 20071)，及《乘用車后碰燃油系統(tǒng)安全要求》(GB 20072)，主要來源于歐盟標準體系。

車輛乘員風險評價法是通過在車輛上安裝特定的碰撞試驗假人模擬車輛與護欄碰撞時乘員的運動響應，通過內(nèi)置于假人體內(nèi)關鍵部位的傳感器采集數(shù)據(jù)，進而計算乘員受傷程度，直接評價指標包括頭部傷害指標(HIC)、胸部性能指標(THPC)及腿部性能指標(FPC)等。本文僅考慮頭部傷害指標(HIC)作為乘員風險直接評價指標。

頭部傷害指標(HIC)是用于評價車輛碰撞護欄試驗中乘員頭部傷害程度的重要指標[3]。按式(1)計算：

(1)

式中，a(t)為碰撞過程中假人頭部中心處的合成加速度；t1,t2為碰撞過程中的從初始接觸到最后接觸的任意兩個時刻，t2-t1≤36 ms。在我國現(xiàn)行護欄相關規(guī)范中，規(guī)定頭部傷害指標(HIC)不應超過1 000，即乘員頭部所能承受的傷害極限值。

2.2 交通安全防護設施乘員風險評價方法

交通安全防護設施乘員風險評價方法在歐盟的《道路防護系統(tǒng)》(EN 1317)[4]和美國的《安全設施評價手冊》(MASH)[5]最具代表性，我國現(xiàn)執(zhí)行的《公路護欄安全性能評價標準》(JTG B05—01)就是在此基礎上衍生而來[1]。該評價方法提出了乘員風險模型，如連枷空間模型和加速度嚴重指數(shù)(ASI)，用測量車輛加速度的間接方法，作為車內(nèi)乘員安全性能的替代指標[1]。車輛與護欄碰撞過程中，通過加速度傳感器采集車輛質(zhì)心處縱向、橫向、垂向的三向加、減速度數(shù)據(jù)，進而計算乘員傷害指標值。其評價指標包括加速度嚴重性指數(shù)(ASI)、理論頭部撞擊速度(THIV)及碰撞后頭部減速度(PHD)[6]。

(1)加速度嚴重性指數(shù)(ASI)

加速度嚴重性指數(shù)(ASI)是評價車輛碰撞護欄過程中乘員傷害嚴重程度的指標[7]。按式(2)計算：

(2)

(2)理論頭部碰撞速度(THIV)

頭部碰撞速度(THIV)是乘員頭部和乘員艙內(nèi)部碰撞的瞬間相對速度，用于衡量乘員(頭部)撞擊乘員艙內(nèi)表面的劇烈程度。按式(3)計算：

(3)

式中，Vx(T)和Vy(T)分別為在碰撞瞬間乘員相對于車體坐標系的速度。

(3)碰撞后頭部減速度(PHD)

碰撞后頭部減速度(PHD)是車輛碰撞護欄后，乘員頭部與乘員艙內(nèi)部表面接觸，二者相同的減速度。按式(4)計算：

(4)

表1 乘員風險評價指標

上述兩種乘員風險評價方法均致力于將標準與實際乘員損傷的概率聯(lián)系起來，在實際車輛和交通安全防護設施設計過程中，各方均按照不同評價指標執(zhí)行。我國針對車輛護欄碰撞的乘員安全風險評價指標相關性的研究經(jīng)驗較少。因此，本文研究目的在于利用12組實車足尺碰撞試驗數(shù)據(jù)，探討交通安全防護設施碰撞與車輛耐撞性測試之間乘員風險評價指標的關系。

2 車輛護欄碰撞系統(tǒng)模型建立及驗證

2.1 車輛-乘員-護欄碰撞系統(tǒng)模型建立

利用前處理軟件HyperMesh，導入某乘用車和某半剛性兩波梁護欄模型，建立車輛-乘員-護欄碰撞系統(tǒng)模型[8]。車輛前排座椅安放2個HybridⅢ型假人，并予以配載保證其質(zhì)心高度與實車滿載質(zhì)心高度偏差不超過0.02 m[9]，其基本技術參數(shù)如表2所示。

表2 車輛-乘員-護欄碰撞系統(tǒng)參數(shù)

利用LS-DYNA軟件，車輛與護欄以碰撞速度100 km/h、碰撞角度20°進行碰撞仿真。將輪胎與地面、車身與護欄、假人與車輛內(nèi)飾件，及假人與安全帶設置成自動接觸，車輛與護欄間的摩擦系數(shù)取0.1，輪胎與地面間的摩擦系數(shù)取0.7。車輛-乘員-護欄碰撞系統(tǒng)有限元模型如圖1所示。

圖1 車輛護欄碰撞系統(tǒng)模型Fig.1 Vehicle-guardrail impact system model

2.2 模型有效性驗證

按照前述車輛-乘員-護欄系統(tǒng)仿真碰撞試驗條件，準備相應實車護欄碰撞試驗。車輛-乘員-護欄系統(tǒng)碰撞過程，如圖2所示。將實車碰撞試驗采集的車身質(zhì)心處加速度與相應的仿真結(jié)果對比見圖3，二者的線形和值域基本吻合，從而驗證了車輛-乘員-護欄碰撞系統(tǒng)有限元模型的有效性。

圖2 實車碰撞試驗Fig.2 Real vehicle impact test

圖3 質(zhì)心處加速度值Fig.3 Acceleration values at centroid

3 車輛碰撞護欄的動態(tài)響應分析

車輛與護欄碰撞過程是復雜的動力學過程，碰撞結(jié)果與護欄結(jié)構形式、車輛總質(zhì)量、碰撞速度、碰撞角度、車輛質(zhì)心高度以及車輛幾何尺寸等諸多因素有關[10]。在前述車輛-乘員-護欄碰撞系統(tǒng)基礎上，本文選取了碰撞速度分別為50,70,100 km/h 和 120 km/h，碰撞角度分別為20°,25°和30°情況下，共計12組車輛與護欄碰撞試驗進行模擬分析。

3.1 車輛運動軌跡與姿態(tài)

車輛碰撞護欄后的運動軌跡和姿態(tài)對乘員損傷嚴重程度有著很大影響。通過12組仿真碰撞試驗，其最大俯仰角、最大側(cè)傾角以及駛出角見表3。

表3 最大俯仰角、最大側(cè)傾角以及駛出角

碰撞過程中車輛的運行狀態(tài)各不相同。仿真結(jié)果表明：除碰撞角度30°且碰撞速度120 km/h時，車輛的最大側(cè)傾角到30.9°，其他最大俯仰角和最大側(cè)傾角均非常小。碰撞后車輛與護欄未出現(xiàn)阻絆、橫轉(zhuǎn)、掉頭等現(xiàn)象，其駛出角均小于碰撞角度的60%[11]。

3.2 乘員風險間接評價指標3.2.1 理論頭部碰撞速度(THIV)與碰撞后頭部減速度(PHD)

車輛碰撞護欄理論頭部碰撞速度(THIV)與碰撞后頭部減速度(PHD)，見表4。仿真分析結(jié)果表明：由于波形護欄橫向發(fā)生彎曲變形吸能，理論頭部碰撞速度(THIV)與碰撞后頭部減速度(PHD)均未超過評價指標閾值，符合EN 1317有關規(guī)定。

表4 車輛碰撞護欄理論頭部碰撞速度與碰撞后頭部減速度

3.2.2 加速度嚴重性指數(shù)(ASI)

通常加速度嚴重性指數(shù)(ASI)達到C級屬于高危險情況[12]。仿真試驗結(jié)果加速度嚴重性指數(shù)，見表5。仿真分析結(jié)果表明：當車輛碰撞速度達到120 km/h 時，車輛與護欄碰撞具有較高的危險性。

表5 加速度嚴重性指數(shù)

3.3 頭部傷害指標(HIC)

試驗假人HIC值見表6。通過碰撞仿真試驗可知，隨著碰撞速度增加，HIC值呈遞增趨勢；隨著碰撞碰撞角度增加，HIC值亦呈遞增趨勢。在碰撞速度120 km/h且碰撞角度30°時，試驗假人HIC值超過標準范圍值1 000。其主要由于車輛與護欄碰撞時，試驗假人頭部與車門發(fā)生二次碰撞，導致其HIC值達到1 529，對乘員安全造成威脅。

表6 試驗假人HIC值

4 乘員損傷相關性分析

在前述研究基礎上，采用SPSS統(tǒng)計軟件擬合計算，得到假人頭部傷害指標(HIC)與乘員加速度嚴重性指數(shù)(ASI)、理論頭部碰撞速度(THIV)及碰撞后頭部減速度(PHD)等乘員風險間接評價指標的關系。擬合度R2是判斷回歸模型擬合程度優(yōu)劣最常用的數(shù)量指標。擬合度R2越大，模型擬合程度越高。

(1)ASI與HIC相關性

經(jīng)計算，假人頭部傷害指標(HIC)與乘員加速度嚴重性指數(shù)(ASI)的回歸模型見式(5)，該回歸模型的擬合度R2為0.92，該模型擬合度較好。

(5)

式中，HIC為乘員頭部傷害指標;ASI為乘員加速度嚴重性指數(shù)。二者關系曲線如圖4所示。

圖4 ASI和HIC關系圖Fig.4 Relation between ASI and HIC

(2)THIV與HIC相關性

經(jīng)計算，假人頭部傷害指標(HIC)與理論頭部碰撞速度(THIV)的回歸模型見式(6)，該回歸模型的擬合度R2為0.53，該模型擬合度弱，很難說明二者間具依賴關系。

HIC=0.005·THIV3.95，

(6)

式中，HIC為乘員頭部傷害指標；THIV為理論頭部碰撞速度。二者關系曲線如圖5所示。

圖5 THIV和HIC關系圖Fig.5 Relation between THIV and HIC

(3)PHD與HIC相關性

經(jīng)計算，假人頭部傷害指標(HIC)與碰撞后頭部減速度(PHD)的回歸模型見式(7)，該回歸模型的擬合度R2為0.66，該模型擬合度較弱。

(7)

式中，HIC為乘員頭部傷害指標；PHD為乘員加速度傷害指標。二者關系曲線如圖6所示。

圖6 PHD和HIC關系圖Fig.6 Relation between PHD and HIC

5 結(jié)論

研究表明：車輛與護欄碰撞過程中，乘員加速度傷害指標(ASI)與頭部傷害指標(HIC)之間具有較好的相關性。乘員加速度傷害指標(ASI)與頭部傷害指標(HIC)采用指數(shù)函數(shù)擬合，且擬合度為0.91。該研究成果將有助于車輛和交通安全防護設施在設計過程中乘員安全風險評價指標的統(tǒng)一，對我國車輛和護欄相關標準制、修訂，試驗研究及開發(fā)具有指導意義。

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Correlation Analysis on Occupant Risk Evaluation Indexes Based on Vehicle-guardrail Impact

SHI Feng-kui

(Tianjin Traffic Education Trainning Center, Tianjin 300012, China)

For the assessment of occupant safety risk under vehicle-guardrail impact, a finite element model of vehicle-occupant-guardrail impact system is established, and the effectiveness of the model is verified based on the test result. Selecting the combinations of different impact speeds such as 50 km/h, 70 km/h, 100 km/h, 120 km/h and different impact angles such as 20°, 25°, 30°, 12 groups of vehicle-guardrail impact simulation test are conducted by HyperMesh and LS-DYNA softwares. The acceleration severity index (ASI), theoretical head impact velocity (THIV), post-impact head deceleration (PHD) and head injury criterion (HIC) of occupants are analyzed according to the longitudinal, transverse and vertical acceleration data of vehicle centroid and occupant head obtained from the impact process. On this basis, the corresponding quantitative relations of occupant risk assessment indexes with HIC are analyzed by SPSS statistical software. The research result shows that (1) there is a good correlation betweenASIandHIC; (2)ASIandHICshould be fitted with exponential function, and the fitting degree is 0.91.

traffic engineering; evaluation index; vehicle-guardrail impact; occupant risk; correlation analysis

2016-01-12

時鳳奎(1958-)，男，天津人，碩士，高級工程師.(shfk2016@126.com)

10.3969/j.issn.1002-0268.2016.09.023

U467.14

A

1002-0268(2016)09-0148-06