校车正面和侧翻碰撞中儿童乘员动力学响应有限元分析

摘 要：为了研究校车碰撞事故中不同约束条件下儿童乘员的动力学响应及对损伤参数的影响，应用有限元方法建立校车与Hybrid III 6YO儿童假人的有限元分析模型。对比校车侧翻、顶压及儿童座椅试验结果，验证了模型的有效性。研究了在无安全带、两点式安全带、三点式安全带约束条件下，儿童乘员在校车正面碰撞（碰撞速度为20 km/h、30 km/h、40 km/h） 和侧翻工况下的儿童的动力学响应及损伤参数：头部加速度[头部损伤指标（Head Injury Criterion，HIC）]、位移量、胸部合成加速度（胸部损伤指标ThAC）。仿真结果表明，正面碰撞速度对儿童损伤风险的影响显著，在无安全带和两点式安全带约束下的儿童头部加速度比三点式安全带约束下的高，且峰值超出了FMVSS213法规所规定的基准值 784 m/s2。在侧翻碰撞中，碰翻侧的儿童与车身侧围结构发生碰撞导致头部和胸部加速度高，损伤风险较大。研究结果可作为专用校车儿童乘员保护研究的参考依据。

关键词：校车事故；儿童乘员安全性；正面碰撞；侧翻；有限元分析

中图分类号：U467.1+4；U461.91文献标文献标识码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2016.02.05

近年来，校车作为幼龄儿童上下学的交通工具，得到了快速发展[1]。然而，校车事故的频发使校车安全问题日益突出[2-3]。据不完全统计，2010～2011年间发生特大校车交通安全事故29起，死亡人数108人，轻重伤人数358人[4]。因此，研究交通事故过程中校车儿童乘员的动力学响应和损伤风险具有重大意义。

张扬等根据我国校车的新标准（GB 24407―2012）对某长头校车进行了关键承载结构改进设计，有效提高了校车碰撞安全性[5]。王良模等利用有限元方法改进了某专用校车的顶部结构，提高了校车的侧翻安全性[6]。葛如海等对校车正面碰撞过程中三点式安全带的六个参数进行优化，减轻了对儿童乘员的伤害[7]。本文在分析以上研究结果的基础上，针对儿童在不同约束类型下的正面和侧翻碰撞中的动力学响应和损伤参数展开研究。分析使用三种安全带（无安全带、两点式安全带、三点式安全带）在正面碰撞（碰撞速度为20 km/h、30 km/h、40 km/h）和侧翻工况下的动力学响应和头部加速度（头部损伤指标HIC），以及前倾位移量和胸部合成加速度（胸部损伤指标ThAC）[8]。研究结果为评价和改善校车的安全性提供参考依据。

1 仿真模型的建立

1.1 校车-儿童乘员模型

基于真实校车三维几何数据，简化承载结构件后进行网格划分得到校车整车有限元模型[9-10]。整车采用网格大小为10 mm的四边形单元，以及少量三角形壳单元和实体单元进行模拟。如图1所示，校车车身长5 543 mm、宽2 103 mm、高2 831 mm。校车-儿童乘员有限元模型主要由校车车身、校车座椅和儿童乘员模型组成，总单元数为1 738 458，总节点数1 615 697。其中，Hybrid Ⅲ 6YO儿童假人有限元模型由日本名古屋大学水野幸治教授科研室提供[11]。模型由头部、颈部、胸部、上肢和下肢组成，总质量23.99 kg，单元总数40 851个，总节点数34 844个。其中，儿童安全带分析由一维梁单元和二维面单元模拟（图1）。

校车车身和座椅骨架由定制杆件焊接而成，采用Q235和Q345材料定义，儿童座椅靠背采用泡沫海绵材料定义。具体参数见表1。

对校车-儿童乘员模型有效性及可用性的验证，可将模型分解成三部分进行。第一部分是基于校车法规条件对整车骨架进行侧翻试验，对比实车试验与仿真结果验证校车模型的有效性，韩勇等在文献[12]中阐述了校车车身验证结果的有效性。第二部分是基于校车座椅法规要求对座椅进行动态与静态试验，对比试验仿真结果分析校车座椅模型的有效性，文献[13]表明校车座椅模型动态和静态响应与实际试验结果相吻合，模型有效。第三部分是基于校车法规条件对校车-座椅组合模型进行顶部抗压试验，试验结果验证了组合模型的有效性[14]。模型可用于本文的分析。

1.2 试验工况设置

仿真分析中，充分考虑分析的全面性，对不同位置的儿童假人进行编号（图1）。分析了三种不同约束方式（无安全带、佩戴两点式和三点式）对儿童假人的防护性能。同时，分析校车在20 km/h、30 km/h、40 km/h的正面碰撞和侧翻工况条件下的儿童乘员响应。分析了头部加速度、头部前倾位移量及胸部加速度等物理损伤参数。

1.3 人体损伤指标

人体损伤主要由人与车身骨架间的一次碰撞，或人体与车体内部饰物及与其它人体之间的二次碰撞导致。人体在惯性力与接触力的共同作用下承受着很大的机械冲击载荷[15]。本文采用HIC及ThAC对儿童假人损伤进行分析。

HIC与头部合成加速度值的大小和头部损伤程度有直接关系，其计算公式为[16]：

。

。

式中：t1为试验期间时间的任意值，s；t2为试验期间时间的任意值，s；γr为头部合成加速度，m/s2；γl为纵向瞬时加速度，m/s2；γv为垂向瞬时加速度，m/s2；γt为横向瞬时加速度，m/s2。

文献表明[17]，当HIC达到1 000时被认为发生AIS 3级以上的头部损伤风险为24.4%，HIC达到2 000时被认为发生AIS 3级以上的头部损伤风险为93.9%[18]。因此，HIC参考值为1 000，通常的设计阶段认为HIC≤700是安全的。同时，FMVSS213法规[19]中规定头部合成加速度应小于784 m/s2。

ThAC由合成加速度的绝对值和加速度持续时间（ms）确定，根据法规规定ThAC≤588 m/s2（总时间小于3 ms者除外）[20]。

2 儿童乘员动力学响应及损伤分析

2.1 运动学响应

校车正面碰撞过程中，在不同速度同一约束情况下，随着速度的变化，整车加速度也在增加，整车受到的作用力变大，运动程度加剧，乘员损伤风险更大。其中，儿童假人佩戴不同形式安全带其损伤情况是不同的，观察车辆在同一速度下，佩戴不同安全带行驶时儿童假人的动态响应，发现不同位置的儿童假人激烈碰撞过程基本都出现在90～110 ms这一时段内（图2）。

由运动动态图可知，无安全带束缚的儿童假人除与座椅之间的摩擦力外不受任何约束，在碰撞过程中头部、手臂与前座椅靠背撞击。两点式安全带约束下儿童假人的腰部被约束，头部位移达到最大值时，整个儿童假人在惯性力的作用下绕髋部做一定的旋转前倾运动，儿童头部及手臂碰撞前座椅靠背，越靠后的乘员旋转的幅度越大。三点式安全带不仅约束了儿童的下半身，同时，通过肩带也约束了儿童乘员的上半身，很好地防止了儿童假人的头部严重前倾，撞击前座椅靠背，进而降低了儿童假人的损伤风险。

在侧翻的工况条件下，佩戴不同形式安全带的儿童假人动态响应如图3所示（隐藏校车上部顶盖部分），校车车身变形严重时刻主要出现在首次触地碰撞阶段，此时对儿童假人的伤害程度也是最大的，但生存空间并未受到侵入[21]。同时，给校车侧围碰撞侧添加蒙皮及玻璃，防止儿童假人在试验中甩出校车影响结果的真实性，整个侧翻过程持续300 ms。

从侧翻动态运动图中发现，无安全带约束的儿童假人由于初始过程儿童假人与座椅之间的摩擦力作用使假人束缚在座椅上。侧翻中期在车身碰撞大变形的冲击力作用下，2号和4号假人脱离座椅，由于假人的安排固定是按一排，即同侧假人一内一外的形式布置，所以运动情况有所不同。靠近侧翻一侧的1号和3号儿童假人头部与肩部撞击侧围车体结构。后期，2号和4号假人头部垂直撞击到侧围车体部分。两点式安全带约束工况条件下，整个过程2号和4号儿童假人被腰带约束在座椅上，在侧翻运动及自身重力作用下假人上身向下运动。1号假人头部侧向撞击侧围车体结构，3号假人固定在座椅内侧头部竖直撞击侧围车体结构，伤害程度更为严重。在三点式安全带肩带的保护下1号和4号假人上身约束，2号和3号假人肩带与侧翻方向相反，对假人的约束情况不佳，假人上身向下运动，造成一定的伤害。

2.2 头部合成加速度分析

为了对比一前一后、一内一外不同位置儿童假人在正面碰撞的三种约束工况条件下，假人的头部合成加速度曲线变化规律，选择2号和3号假人的头部合成加速度曲线进行分析（图4）。观察两个儿童假人的头部合成加速度曲线，发现在两点式安全带保护下的头部加速度峰值比无安全带保护下的头部加速度峰值有所滞后，原因在于腰带的束缚力使假人具有一定的绕髋部旋转而不同于无安全带情况的直接撞向前座椅靠背，这给儿童假人提供了一定的缓冲时间，减小了对假人的伤害。三点式安全带保护下的儿童假人，头部受的机械冲击力较小，也较为平缓，假人受到较好的保护。

对四个假人的头部合成加速度曲线图进行分析，得到如表3所示的损伤结果。

由表3可知，佩带两点式安全带的儿童假人头部合成加速度值（ah）和HIC36值明显为无安全带情况下的1/3～1/2左右，佩带三点式安全带的儿童假人ah和HIC36值为佩带两点式安全带的儿童假人的1/3～1/2左右。

同时，按照法规标准对儿童ah的要求，无安全带保护下的儿童乘员ah远远超过784 m/s2的范围，对儿童乘员的伤害是巨大的。两点式安全带保护下的儿童假人唯有1号和3号假人的HIC36值未超过700这一安全标准。三点式安全带约束的假人的ah与HIC36均未超过标准要求，儿童假人受到较好的保护，损伤较轻。

在侧翻工况条件下不仅要考虑乘员因前后、内外位置不同在侧翻中的影响，同时也要考虑靠近侧翻侧的头部损伤情况，选择1号和3号儿童假人的头部合成加速度曲线进行分析，如图5所示。由图5可知，靠近侧翻侧的假人曲线变化峰值较多，尤其是无安全带保护下的儿童假人头部多次受到加大的机械冲击力作用，损伤较为严重。远离侧翻侧的儿童假人，在三点式安全带的保护作用下，受到较为平缓的小机械载荷冲击作用，与侧翻侧的假人相比得到了更好的保护。

对侧翻时四个假人的头部合成加速曲线图进行分析，得到的损伤结果见表4。从表中可以发现，靠近侧翻一侧（1号和3号假人）的安全带保护作用没有远离侧翻一侧（2号和4号假人）的保护作用显著。靠近侧翻一侧的1号和3号假人在无安全带保护和两点式安全带保护下的ah最大值均超过784 m/s2，从HIC36值对比发现两点式安全带并未对侧翻侧假人起到太大保护作用，三点式安全带保护下的儿童假人HIC36值均在损伤线以下。远离侧翻一侧的2号和4号儿童假人除无安全带保护情况下ah超过784 m/s2外，两点式、三点式安全带均较好地保护了假人，其ah值均小于784 m/s2，头部HIC36值在安全范围内。原因在于靠近侧翻一侧的儿童假人，距离车身侧围结构近，即使在两点式安全带的约束作用下，其头部也会快速撞击到车身侧围结构，甚至会因为腰带的旋转作用而更加剧烈地撞击车身侧围结构，如3号儿童假人。三点式安全带的肩带对保护儿童免受巨大损伤具有关键作用，尤其是靠近侧翻一侧的儿童乘员，佩戴与侧翻方向相同的肩带，明显地减小了冲击力对儿童乘员的伤害，如3号儿童假人。

2.3 胸部加速度分析

图6为三种正面碰撞工况条件下，2号和3号儿童假人胸部合成加速度的对比曲线。从曲线中可以发现，在三点式安全带的约束作用下，胸部合成加速度变化趋势较两点式和无安全带缓和，胸部受到较小的机械外力冲击，受到较好的保护。靠后部的3号假人在两点式安全带的约束作用下，受到较短暂但比无安全带大的机械冲击，假人可能受到更大伤害。

通过对四个儿童假人的ThAC值进行分析，可以得到如表5所示的损伤结果。

分析表5中的结果可知，在正面碰撞的工况条件下，坐在靠前两排的1号和2号儿童假人，在两点式安全带的束缚下胸部合成加速度值明显比无安全带束缚下的小，靠后排的3号和4号儿童假人，在两点式安全带的束缚下胸部合成加速度值明显比无安全带束缚下的大，而且，越靠后，两点式安全带束缚作用下的胸部加速度比无安全带束缚下的损伤率越大。原因在于校车正面碰撞的工况条件下，车身前部结构撞击壁障的同时，车身后部具有一定的前倾翘起，越靠后部翘起越严重，再考虑儿童假人在两点式安全带的束缚作用下，越靠后儿童髋部的旋转作用也就越为严重。在三点式安全带的约束下，儿童假人的上身绕腰带旋转被阻止，胸部加速度减小，儿童假人的伤害程度也随之下降。

侧翻工况条件下的1号和4号儿童假人，胸部加速度曲线对比如图7所示。由图7可知，靠近侧翻侧的假人胸部受到侧围的机械撞击损伤较远离侧的大。远离侧翻侧的儿童假人在侧翻后期无安全带保护作用下，受到较大的短暂冲击。

对图7中四个儿童假人在侧翻工况条件下的ThAC值进行分析，可以得到如表6所示的结果。

由表6可知，靠近侧翻一侧的儿童假人1号和3号，由于距离车身侧围结构较近，1号假人在翻滚碰撞过程中，在较短时间内受到较大的载荷冲击，此时的安全带约束保护作用基本上没有，甚至可能在绕安全带旋转运动时给儿童假人造成二次伤害，导致胸部合成加速度值增加，伤害假人。在三点式安全带保护下，3号儿童假人的肩带与侧翻方向相反，肩带保护基本不起约束作用。然而，远离侧翻一侧的儿童假人在安全带保护作用下与无安全带对比具有明显的优势，如同侧2号和4号儿童假人，在有安全带保护下的胸部合成加速度值是无安全带保护下的1/4～1/3左右。

2.4 头部前倾最大位移量分析

在正面碰撞的三大约束工况条件下，四个位置的儿童假人头部前倾最大位移量如图8所示。

由以上不同位置四个儿童假人的头部前倾位移量图可知，佩戴两点式安全带和无安全带保护下的儿童假人头部前倾最大值大于佩戴三点式安全带的情况。无安全带约束的儿童假人在碰撞前座椅靠背后，头部具有较大的回弹运动，该运动将对儿童的颈部造成一定的伤害。两点式安全带约束下的儿童假人由于髋部受腰带约束，儿童上身将绕腰带旋转，致使儿童头部向下运动量增加。在三点式安全带的肩带作用下，儿童假人上身前倾运动受阻，头部前倾最大位移量最小，较好地保护了假人因头部严重前倾撞击前座椅靠背及回弹造成的头部、颈部等一系列伤害。

3 结论

本文对四个不同位置的儿童假人在两种事故工况下的仿真研究发现，不同的安全带佩戴方式对儿童假人的保护是不一样的，即使佩戴方式相同，在不同的工况条件下安全带的保护性能也存在一定的差异。针对校车承载儿童假人在正面碰撞及侧面翻转中无安全带、佩戴两点式安全带和三点式安全带的工况条件下，儿童假人的动力学响应及损伤研究，可以得到以下几点结论：

（1）在三种不同速度的正面碰撞中，随着速度的增加，整车加速度增加，运动加剧，乘员受伤风险加大。

（2）儿童乘员乘坐校车，佩戴安全带可以在发生意外事故尤其是正面碰撞时，较好地保护儿童乘员免受事故中产生的巨大机械冲击力的伤害。但是，在正面碰撞中，鉴于车身上翘现象，针对后排儿童乘员建议可否增高坐垫，从而减小因绕安全带旋转带来的胸部损伤。

（3）在侧面翻滚中，儿童乘员佩戴安全带将有效避免儿童乘员在侧翻工况下脱离座椅，同时，三点式安全带的保护效果具有一定的局限性，与肩带方向和侧翻方向有关，二者同向则保护性能较好，反向则保护性能较差。

（4）儿童乘员佩戴三点式安全带的保护性能明显优于佩戴两点式安全带。佩戴两点式安全带与无安全带相比可以大幅减小冲击力带来的伤害。

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