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正面碰撞事故中大客车乘员损伤影响因素分析
2020-07-23 00:34:46· 来源：中国安全生产科学技术
正面碰撞事故中大客车乘员损伤影响因素分析作者：司俊德1，崔崇桢2，李建平2，张坤1单位：1.河南工业大学 ; 2.郑州宇通股份有限公司摘要：为研究乘客在大客车正
正面碰撞事故中大客车乘员损伤影响因素分析
作者：司俊德1，崔崇桢2，李建平2，张坤1
单位：1.河南工业大学 ; 2.郑州宇通股份有限公司
摘要：为研究乘客在大客车正面碰撞事故中的损伤机理，建立某全承载大客车有限元模型，并通过试验验证有限元模型的仿真精度。基于验证模型对不同碰撞速度条件下大客车车身结构力学响应、生存空间、座椅固定件强度、乘员运动响应和损伤等进行 综合分析及评价。结果表明: 高速碰撞条件下，驾驶员生存空间容易被侵入，座椅固定件强度存在失效的风险; 乘员头部、颈部和胸部的损伤值受碰撞速度、安全带类型和乘员位置影响较大; 三点式安全带保护效果明显优于两点式安全带。
关键词：全承载大客车; 被动安全性; 正面碰撞; 仿真分析; 乘员损伤
00、引言
大客车具有载客量大、运输效率高等优点，是公路 客运的主要交通工具，其安全性尤为重要［1 － 2］。据统计，我国与大客车相关的交通事故占全部道路交通事故 的 40% ～ 50% ，其中 50% ～ 60% 的大客车交通事故是正面碰撞事故［3 － 4］。如陕西安康“8． 10 ”和江苏长深 “9． 28”等特别重大道路交通事故，均为正面碰撞事故，造成严重的乘员伤亡和财产损失。因此，开展对大客车 正面碰撞事故中乘员损伤影响因素的研究，对提升道路 交通安全和改善大客车安全性能具有重要意义。
我国《客车座椅及其车辆固定件的强度》( GB 13057—2014) 规定了座椅台车以 30 km / h 碰撞速度和给定加速度条件下乘员的损伤值和座椅及其固定件强度［5］，但由陕西安康“8． 10”事故调查报告可知涉事大客车以 80 km / h 左右的速度正面碰撞秦岭隧道端墙，前部结构发生严重变形，车内座椅除最后一排外全部脱落并叠加在一起。驾驶区空间被完全侵入，乘客多因座椅脱落挤压致死［6］。国家标准要求与实际事故工况存在较大差异。
目前国内外鲜有针对大客车正面碰撞的试验方法和评价标准。奔驰大客车 Steinmetz G 通过整车以 25 km / h 碰撞速度 100% 重叠撞击刚性壁障的试验方法对多款大客车前碰撞结构安全性能进行验证［7］。美国NHTSA 对长 13． 7 m 的大客车进行 48 km / h 正面碰撞试验，驾驶区被完全压溃，该实验主要考核座椅结构和其不同位置对乘客安全的影响［8］。我国自 2014 年开始， 由重庆车辆检测研究院牵头，联合国内主流客车企业和检测机构开展包括 8 台大客车和 4 台轻型客车正面碰撞试验研究，采用的试验方法为整车以 30 km / h 碰撞速度 100% 重叠碰撞刚性壁障［9］。
本文建立某 12 m 全承载大客车整车正面碰撞有限元模型，并进行 30 km / h 正面碰撞刚性壁障仿真分析和实车 30 km / h 碰撞试验。通过仿真和试验结果对比，验证整车正面碰撞有限元模型的有效性，并基于验证模型开展不同碰撞速度条件下乘员损伤影响因素分析。研究结果对于《客车座椅及其车辆固定件的强度》( GB 13057—2014) 的修订和大客车被动安全性改进具有较好的参考价值。
01、大客车正面碰撞有限元模型的建立
利用 CATIA 软件建立某 12 m 全承载大客车三维模型，通过 stp 格式导入 Hypermesh 软件进行网格划分和参数设置，建立全承载大客车正面碰撞有限元模型，如图 1 所示。
为提高计算效率，截取部分侧围骨架和地板骨架、地板和乘客座椅，放置有限元假人模型和安全带模型， 形成座椅台车碰撞有限元仿真模型，如图 2 所示。
车身骨架材料大部分采用 Q235 － B，部分重要立柱横梁采用 HC700 和 510L，底盘骨架材料大部分采用 QSTE700TM 和 HC700，车身外饰材料除玻璃外均为钢材和铝材。仿真模型所用材料参数见表 1。
02、有限元模型验证
整车模型以 30 km / h 初速度正面碰撞刚性壁障，计算时间为 200 ms。从整车碰撞仿真结果中提取第 2 排乘客座椅加速度曲线，输入座椅台车碰撞有限元模型， 计算整车碰撞过程中假人动态响应。同时，开展整车实 车 30 km / h 正面碰撞刚性壁障试验
整体变形对比分析
大客车整体变形仿真和试验结果对比如图 3 所示。由图 3 可知，车身变形集中在整车前段，包括前乘客门、前围蒙皮、车架前段。整车最大变形的仿真和试验结果分别为 318 mm 和 310 mm，误差 2． 5% 。由于碰撞壁障高 2． 5 m，低于整车高度 3． 7 m，导致上风挡变形和仿真存在一定差异，但仿真和试验结果的整体变形趋势基本 一致。
乘员损伤对比分析
第 2 排座椅放置 2 个假人，靠近窗侧假人系两点式安全带，靠近过道侧假人系三点式安全带，仿真和试验结果如图4 ～ 5 所示。碰撞后，座椅未出现固定点或侧挂点失效，座椅靠背正常。三点安全带假人未碰到前排靠背，但两点安全带假人向前的位移较大，头部、膝部与前排靠背发生碰撞。乘员损伤值仿真和试验对比见表2。
由表2 可知，假人头部、颈部、胸部和腿部的损伤指标均满足《客车座椅及其车辆固定件的强度》( GB13057—2014) 相应要求。但比较系两点安全带和三点安全带的假人损伤值可知，系两点安全带的假人头部HIC、颈部弯矩和腿部力均比三点安全带高。主要是因为两点安全带对假人的约束不足，假人与前排座椅碰撞所致。仿真结果和试验结果整体趋势基本相似。
03、乘员损伤影响因素仿真分析
基于大客车正面碰撞事故调查数据和国内外学者围绕大客车正面碰撞研究成果［10 － 14］，归纳导致乘员死亡原因主要为: 1) 乘员生存空间被车身变形严重侵入，因挤压伤害导致伤亡; 2) 座椅与车身连接失效，乘员被座椅挤压导致伤亡; 3) 乘员与车厢内部直接发生严重碰撞，导致伤亡。
基于已验证的有限元模型，对不同碰撞速度条件下大客车车身结构力学响应、生存空间、座椅固定件强度、乘员运动响应和损伤等进行综合分析及评价。
驾驶员生存空间分析
大客车正面碰撞时，驾驶员主要伤害原因为生存空间被侵入。采用已验证的仿真模型进行整车40， 50 km/h正面碰撞刚性壁障仿真分析，对比不同碰撞速度条件下，驾驶员生存空间侵入变化情况，如图6 所示。由图6可知，方向盘被前部结构压溃变形后挤压侵入驾驶员生存空间，同时驾驶员后侧乘客区地板骨架向前变形，挤压驾驶员座椅向前侵入驾驶员生存空间，且驾驶员生存空间被侵入程度随着碰撞速度的增大而增大。
不同碰撞速度条件下，大客车前部结构变形随时间变化曲线如图7 所示。由图7 可知，当碰撞速度为30km/h 条件下，最大变形约为318 mm，出现在0．15 s; 当碰撞速度为40 km/h 时，最大变形约为752 mm，出现在0．2 s; 当碰撞速度为50 km/h 时，最大变形为941 mm，出现在0．18 s。整车最大变形随着碰撞动能的增大而变大。
乘员座椅固定件强度分析
座椅与车身固定件连接失效可导致座椅脱落。虽然我国《机动车运行安全技术条件》( GB 7258—2017)规定未设置乘客站立区的大客车所有座椅应标配安全带［15］。但实际上乘客多数不愿系安全带。因此，本文考虑1 种对座椅固定件最严格的使用工况: 前排乘客系三点式安全带，后排乘客不系安全带。被考核座椅受到前排乘客通过安全带传递的拉力、后排乘客撞击力和自身惯性力等同时作用，如图8 所示。
从整车模型中提取不同碰撞速度条件下，第 2 排座椅位置加速度曲线如图 9 所示，并将加速度曲线和相应的碰撞速度作为初始条件输入座椅台车模型，计算不同碰撞速度条件下乘员响应和座椅固定件强度状态如图10 所示。由图 10 可知，当碰撞速度为 30 km / h 和 40 km / h 时，座椅与车身连接牢固，后排未系安全带假人前向运动被前排座椅阻挡; 当碰撞速度为 50 km / h 时，座椅腿与地板连接失效，前排座椅无法阻挡后排未系安全带假人前向运动。
乘员损伤值分析
当乘客生存空间完整、座椅与车身连接牢靠时，乘员损伤主要受碰撞速度、加速度波形以及安全带类型的影响。基于成本考虑，大客车通常第1 排座椅装配三点式安全带，其他座椅装配两点式安全带。因此，本文考虑整车以30 km/h 和40 km/h 等碰撞速度条件下，第1排乘客系三点式安全带，第2 排乘客佩戴不同安全带类型时乘员损伤情况。不同碰撞速度和安全带类型的乘员伤害指标见表3。
由表3 可知，不同碰撞速度条件下，佩戴两点式安全带假人头部和颈部伤害值均明显高于佩戴三点式安全带假人，尤其是佩戴两点式安全带假人颈部伤害值高于标准要求。佩戴三点式安全带的假人头部、颈部和胸 部损伤值随着碰撞速度增大有所提高。佩戴三点式安 全带假人，在相同碰撞速度条件下临近过道的假人头 部、颈部和胸部的伤害值略高于临近窗户的假人相应损伤指标; 但佩戴两点式安全带假人，在相同碰撞速度条件下临近窗户的假人头部、颈部和胸部的伤害值略高于过道假人相应损伤指标。大腿力指标均满足标准要求，且安全带类型、碰撞速度影响和位置等因素对大腿力影响无明显的规律趋势。
碰撞速度为30 km/h 时，佩戴不同类型安全带的乘员运动响应如图11 所示; 碰撞速度为40 km/h 时，佩戴不同类型安全带的乘员运动响应如图12 所示。由图11 ～ 12 可知，三点式安全带能够显著约束假人上肢前向运动，降低与前排座椅靠背的碰撞强度。
04、结论
1) 基于实车碰撞试验验证的某12 m 大客车正面碰撞有限元模型，实现不同速度正面碰撞工况下大客车车身结构力学响应、生存空间、座椅固定件强度、乘员运动响应和损伤的综合分析和评价。
2) 大客车正面碰撞时，驾驶员生存空间同时受到前部结构变形推动方向盘向后挤压以及后侧乘客区地板骨架变形推动驾驶员座椅向前挤压作用，且随碰撞速度增大，驾驶员生存空间被侵入量越大。
3) 当碰撞速度为50 km/h 时，座椅腿与地板连接失效，前排座椅无法阻挡后排未系安全带假人前向运动，乘员可能被脱落座椅挤压导致伤亡。
4) 当乘客生存空间完整、座椅与车身连接牢靠时，乘员头部、颈部和胸部损伤值受碰撞速度、安全带类型和位置影响较大。三点式安全带保护效果明显优于两点式安全带。
参考文献
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