基于客車乘員損傷的尖頂?shù)刃Х讲▍?shù)研究*

吳長風(fēng)，張君媛，那景新，蘇 亮，藍(lán)平輝，盧琳兆

（1.吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022； 2.廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司，廈門 361023）

前言

近年來，客車已然成為旅游、出行的主要交通工具之一［1-2］。以客車為肇事主體與其它道路車輛或障礙物發(fā)生正面碰撞的交通事件頻頻出現(xiàn)，旅客的生命安全備受社會各界的高度關(guān)注。客車的正面碰撞是一個復(fù)雜的動力學(xué)過程，國內(nèi)外就客車正面碰撞方面的研究和試驗法規(guī)剛剛起步［3-4］，對于其碰撞加速度波形與乘員傷害的研究也較少。因此，對客車正面碰撞開展深入研究進(jìn)而減小乘員損傷風(fēng)險具有重要意義。

客車發(fā)生正面碰撞時，碰撞初始動能經(jīng)過車身變形吸收，并傳遞到后部作用于乘員區(qū)域，導(dǎo)致乘員向前運(yùn)動與客車內(nèi)飾造成二次碰撞傷害。研究表明［5-9］，客車碰撞加速度曲線與乘員的傷害具有緊密關(guān)系。但直接從客車車體中導(dǎo)出的碰撞加速度-時間曲線由多個不規(guī)則的峰值組成，分析較為復(fù)雜，無法用于指導(dǎo)乘員損傷的相關(guān)研究，此外也沒有資料表明局部加速度峰值與乘員傷害的峰值有直接的關(guān)系。因此，有必要根據(jù)碰撞加速度-時間曲線的波形特點在保留應(yīng)有特征參數(shù)前提下進(jìn)行簡化。簡化后的加速度波形仍可獲得與原加速度波形一致或相近的車輛位移和速度，同時，可從本質(zhì)上表征碰撞響應(yīng)和乘員損傷規(guī)律。

尖頂?shù)刃Х讲ǎ╰ipped equivalent square wave，TESW）是工程實踐中較為常用的波形擬合方式，具有簡單、直觀的特點［10-11］。同時，可以較好地表征碰撞加速度-時間曲線的特征參數(shù)。本文中以尖頂?shù)刃Х讲ɡ碚摓榛A(chǔ)，以客車座椅滑車系統(tǒng)為研究對象，采用可能出現(xiàn)的3種（上升型、平穩(wěn)型和下降型）常用尖頂?shù)刃Рㄐ危═ESW）為輸入條件，對比探究波形形式對乘員損傷的影響情況，同時，在特定形式的尖頂?shù)刃Х讲顟B(tài)下研究波形參數(shù)與乘員損傷的聯(lián)系規(guī)律，并尋找有利于客車乘員保護(hù)的波形參數(shù)特點，為后續(xù)客車整車設(shè)計開發(fā)與乘員保護(hù)提供重要指導(dǎo)。

1 尖頂?shù)刃Х讲ê喕椒?/h2>

1.1 尖頂?shù)刃Х讲ê喕?/h3>

將某12 m客車以50 km／h速度做正面碰撞時乘員區(qū)第一排座椅處加速度曲線提取出來，并進(jìn)行等效簡化成尖頂?shù)刃Рㄐ危鐖D1所示。

圖1 尖頂?shù)刃Рㄐ魏喕?/p>

尖頂?shù)刃Х讲ㄅc原加速度-時間曲線具有相同的碰撞變形量C和速度減為0時的時間歷程tm。同時，對尖頂?shù)刃Х讲ㄟM(jìn)行積分可以得到等效后的速度-時間曲線，如圖2所示，再次積分可以得到等效后的位移-時間曲線，如圖3所示。從圖中可得到tm為0.107 s，C值為0.687 m。

圖2 速度-時間曲線

圖3 位移-時間曲線

從圖2和圖3可以看出，對原加速度-時間模型轉(zhuǎn)化后可較好地保持原碰撞速度與位移參數(shù)特征。根據(jù)文獻(xiàn)［12］中所述，尖頂?shù)刃Х讲ǖ哪Ｐ突瘏?shù)可以通過下式計算獲得。

式中：C為車輛碰撞最大變形量，m；v0為車輛碰撞初速度，m／s；vr為車輛反彈速度，m／s；tc為加速階段加速度曲線與橫坐標(biāo)所圍成圖形的形心位置對應(yīng)時刻，s；tm為車輛減速階段時間或車輛反彈時刻，s；tr為車輛碰撞總時間，s；a（0）為車輛減速階段初加速度，m／s2；a（tm）為車輛減速階段的末加速度，m／s2；β為加速度放大因子。

1.2 尖頂?shù)刃Х讲尚行则炞C

通過以上計算公式可將客車碰撞加速度時間曲線轉(zhuǎn)化成特定的尖頂?shù)刃Х讲??；谕换囎文Ｐ停▓D 4），分別加載原加速度波形和等效方波，其他邊界條件保持不變，進(jìn)行仿真。

圖4 滑車系統(tǒng)模型

圖5 乘員損傷結(jié)果

仿真后輸出左右側(cè)乘員頭部、胸部和頸部等部位損傷結(jié)果，如圖5和表1所示。從圖5和表1可以看出，采用尖頂?shù)刃Х讲ㄌ娲鲎布铀俣惹€，在工程允許的誤差范圍內(nèi)，整個碰撞過程中乘員的動態(tài)響應(yīng)和乘員的損傷曲線吻合較好，說明等效方波可替代原碰撞加速度曲線來進(jìn)行客車正面碰撞的相關(guān)研究。

由 1.1節(jié)所述，尖頂?shù)刃Х讲ㄖ饕桑?，a（0）），（tm，a（tm））和（tr，0）3個點組成，改變減速歷程tm值調(diào)整a（0）與a（tm）的相對位置，客車正面碰撞過程的尖頂?shù)刃Х讲煞殖缮仙汀⑺叫秃拖陆敌?種，如圖6所示。

3種尖頂?shù)刃Х讲óa(chǎn)生的碰撞能量對后部乘員區(qū)帶來損傷風(fēng)險存在差異，因此，有必要將3種波形作為輸入，研究乘員的損傷風(fēng)險，通過對比獲得一種有利于客車乘員保護(hù)的方波形式。

2 尖頂?shù)刃Х讲?乘員損傷分析

2.1 3種TESW損傷分析

采用上述座椅滑車系統(tǒng)模型作為乘員損傷研究的基礎(chǔ)模型，3種尖頂?shù)刃Х讲榧铀俣容斎耄渌麠l件不變，按照《中國客車安全評價規(guī)程》［13］（簡稱C-SCAP）中座椅子項目試驗方法進(jìn)行仿真分析，按照加權(quán)傷害準(zhǔn)則（weighted injury criterion，WIC）［14-15］綜合評價乘員頭部 HIC36、胸部合成加速度Achest和左右腿最大受力Fmax3個傳統(tǒng)部位損傷情況，具體WICt表達(dá)式為

根據(jù)C-SCAP中關(guān)于座椅動態(tài)試驗后乘員損傷評價，增加了乘員頸部損傷方面要求，結(jié)合Viano等［14］關(guān)于WIC乘員各部位損傷權(quán)重因子的研究，對WICt進(jìn)行修正，可以得到新的WICn評價表達(dá)式，即

式中：Nij為頸部損傷準(zhǔn)則；Fint與Mint為臨界截距值，可以從相關(guān)文獻(xiàn)［14］和文獻(xiàn)［15］中查閱。同時，為便于數(shù)據(jù)規(guī)律總結(jié)，計算完成后仍輸出右側(cè)乘員損傷結(jié)果（表2），作為數(shù)據(jù)分析依據(jù)。

表1 乘員損傷匯總表

圖6 3種形式的TESW

表2 3種TESW損傷結(jié)果匯總表

從表2可以發(fā)現(xiàn)，對于客車，下降型尖頂?shù)刃Рㄐ螌蟛砍藛T造成的綜合損傷明顯小于另外兩種波形。因此，下降型的尖頂?shù)刃Х讲梢宰鳛楹罄m(xù)的客車設(shè)計開發(fā)的參考性波形。

2.2 下降型TESW參數(shù)與WIC的關(guān)系分析

由上節(jié)分析結(jié)果得知，下降型TESW曲線可以減小后部乘員的損傷風(fēng)險。為進(jìn)一步細(xì)化分析下降型TESW的參數(shù)對乘員損傷的影響，以期獲得綜合損傷WIC與TESW參數(shù)tm之間的關(guān)系，為后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計和乘員損傷提供依據(jù)，在tm∈（0.099～0.140 s）內(nèi)選取11個數(shù)值，間隔為0.004 1 s，取v0＝13.8889 m／s，C＝0.687 m和 tr＝0.140 s且保持不變。根據(jù)式（1）～式（3）可算得 TESW曲線主要參數(shù) a（0），a（tm）和β等，得到11組數(shù)據(jù)和對應(yīng)的11條下降型曲線，分別如表3和圖7所示，作為滑車加速度加載輸入條件。

表3 11組下降型TESW損傷結(jié)果匯總表

其中，tm＝0.140 s＝tr時刻為滑車響應(yīng)總歷程時間與反彈歷程時間相等，碰撞出現(xiàn)黏滯停止?fàn)顟B(tài)，在該實際試驗中幾乎不可能出現(xiàn)，所以不考慮斜率最大的tm＝0.140 s的狀態(tài)，可取近似時間tm＝0.139 s替代。

計算完成輸出11組數(shù)據(jù)的右側(cè)乘員損傷結(jié)果，一并列入表3中。

從表3可以看出，tm在下降型TESW取值區(qū)間內(nèi)WIC并非單調(diào)變化，而是隨著tm的增加先降低后升高再稍降，呈勺形變化規(guī)律，如圖8所示。為便于對tm-WIC變化規(guī)律進(jìn)行定量分析，結(jié)合WIC的變化趨勢，對曲線進(jìn)行三次多項式擬合，得到如下擬合方程。

不考慮頸部的傳統(tǒng)WICt擬合得

圖7 11組不同t m值的下降型TESW

圖8 t m-WIC關(guān)系圖

考慮頸部的新WICn擬合得

通過對三次多項式方程求解，傳統(tǒng)WICt曲線在tm＝0.1188 s時，有極小值 0.964；而 WICn曲線在tm＝0.1189 s時，有極小值0.859。由于兩者的極小值點的時刻非常接近，幾乎相同，故可認(rèn)為所研究下降型TESW在 tm＝0.1189 s時有 WIC的最小值0.859。將式（2）和式（3）代入式（5）可得

其中，當(dāng) tm＝0.1189 s時 β＝0.33；客車正面碰撞速度為50 km／h時可得關(guān)系式：

通過對客車下降型TESW波形參數(shù)分析，參數(shù)C與tm的取值決定整個波形變化和影響乘員損傷情況。在客車正面碰撞正向開發(fā)研究時，可以參考上述C與tm關(guān)系，設(shè)定合理的整車變形壓縮量C和減速度歷程時間tm，進(jìn)而減小后部乘員損傷風(fēng)險。

3 結(jié)果討論

針對目前我國客運(yùn)市場典型12 m大客車結(jié)構(gòu)而言，由于客車乘員區(qū)之前參與整車變形的空間較大致使減速度時間（或整車回彈時間）tm較長，結(jié)合本文研究結(jié)果，當(dāng)加速度放大因子β＜1（即TESW下降波形）時，乘員損傷結(jié)果優(yōu)于β≥1的其他（上升和水平型TESW）情況。同時，在β＜1的下降波形中，隨著參數(shù)tm的增加，乘員綜合損傷WIC呈現(xiàn)勺型變化特性，通過擬合曲線獲得勺型特性曲線的最小值，即整車結(jié)構(gòu)基于TESW波形的損傷最小值。至此，通過TESW的簡化公式推導(dǎo)可以反向間接獲得客車整車變形量C與減速度時間歷程tm的關(guān)系式。進(jìn)而，可以得到某款12 m客車滿足后部乘員綜合評價損傷WIC的結(jié)構(gòu)開發(fā)流程，如圖9所示。

圖9 某款12 m客車正面碰撞正向結(jié)構(gòu)開發(fā)流程

通過上述流程，可初步設(shè)定同類型的12 m客車耐撞性的理想目標(biāo)值和參考曲線，并用于指導(dǎo)前部結(jié)構(gòu)設(shè)計，以獲得滿足指定WIC要求的前部結(jié)構(gòu)設(shè)計與改進(jìn)方案。

4 結(jié)論

運(yùn)用尖頂?shù)刃Х讲ǖ南嚓P(guān)理論基礎(chǔ)，以座椅滑車系統(tǒng)為研究對象，針對12 m客車可能出現(xiàn)常用的3種尖頂?shù)刃Х讲檩斎霔l件，分析探究了方波狀態(tài)和組成參數(shù)的變化對乘員損傷的影響規(guī)律。可得出以下結(jié)論：

（1）下降型TESW所造成的后部乘員損傷風(fēng)險小于上升型和水平型TESW；

（2）在下降型TESW中，乘員綜合損傷WIC隨tm的增大，呈勺型變化；

（3）通過對WIC曲線進(jìn)行三次多項式擬合，得到整車WIC最小時刻tm＝0.1189 s時，WICn＝0.859為最小值。

結(jié)合TESW模型簡化推導(dǎo)過程可得到整車碰撞變形量參數(shù)C與減速度歷程時間tm的關(guān)系式，即C＝5.78tm，該規(guī)律可為后續(xù)客車正面碰撞前部結(jié)構(gòu)設(shè)計和乘員保護(hù)開發(fā)提供指導(dǎo)。