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对具有高安全防护屏障的小型汽车碰撞过程中驾驶员头部动力学的初步研究

M Anghileri *, G Borsani* and L-M L Castelletti *

米兰理工大学航空航天工程系等20156 34，马萨，米兰，意大利

摘要：对于一辆具有高安全防护屏障的小型汽车碰撞测试结果中，司机的头部是可以打破的横向窗口的和防护屏障的。当这种情况的发生时，对于驾驶员可能是致命的，不能通过欧洲安全规范保障的认可。本文用一种模拟汽车驾驶员头部运动空间方法对安全屏障的影响进行了介绍。我们进行了超过一百多次TB11模拟试验。使用这些模拟的结果创建的限制表面是一个有用的工具，以开发更安全的高安全屏障。

关键词：道路安全护栏，驾驶员安全，试点试验，非线性有限元分析

缩略词

ATD 仿真假人

CEN 欧洲标准化委员会（法国）

FE 有限元

THIV 理论压头冲击速度

VCDI 车辆驾驶舱变形指数

1.简介

路边的安全防护栏是被动安全装置，为了增加这些设备安装在道路上的安全性。安全防护栏被广泛推广，近年来，因为显着增加的车流量和平均车速，他们的重要性已经十分突出。更高行驶速度的车辆冲撞的安全防护栏，就更加需求具有更高的吸能的现代安全防护栏和最佳的碰撞行为，即小负荷转移到车辆，小的加速度和负载的占用。在道路上安装的安全防护栏模型通常取决于安装障碍物的位置、尺寸、平均速度和在该街道上行驶的车辆的数量。为了匹配不同的要求，不同的模型已经开发出来了，其特征在于拥有不同的吸能能力和碰撞性能。标准的路边安全防护栏分为2个不同的类别：混凝土防护栏和金属防护栏。这2类的防护栏使用的材料是完全不同的，需要完全不同的设计方法，于是，混凝土和金属防护栏有一个完全不同的几何形状和工作方式。关于金属的防护栏，他们的设计最近已发展到包含大型车辆。其结果是，现代高遏制金属壁垒比过去高，能吸收大量的冲击能量。因此，目前的金属防护栏不仅用于重型车辆，也可能是非常危险的小型车。对于一辆具有高安全防护屏障的小型汽车碰撞测试结果中，司机的头部是可以打破的横向窗口。驾驶员身体的上半部分可能抛出车厢，头部可能打破防护设施。这种情况的发生对于司机可能是致命的，在一般情况下，欧洲规范对驾驶员的头部的动态运动安全性有所参考，CEN prEN1317 ^{[1, 2]}。在规范中，假设的初始速度保持不变以头部动力学简化目标，直到头部撞到汽车车厢建立模型（建模为一个刚体）。

在本文中，以驾驶员的头部在横向冲击的所有位置点占用的前沿定义为极限表面与安全性防护的引入。开始，我们对欧洲街道上安装的安全障碍进行了数据采集并对超过一百个实验进行了分析。在这些测试中，进行了一个欧洲研究项目，旨在改善路边安全设备，小型车安全防护的冲撞的结果进行了调查。冲撞测试场地是在en1317-2 TB11。在TB11试验中，以速度为100公里/小时和20°的安全防护测试角的小型车（900公斤）和拟人试验装置（ATD）进行测试。在LSTC LS-DYNA ^{[ 5 ]}框架中，用一个数值模型来模拟一个真实的小型车的有限元模型（铃木乔美罗^{[ 4 ]}），他影响安全屏障的开发和实验证据的验证。规定在TB11测试中，在车内放置ATD来代表司机。特别是，第三混合有限元模型第五十^{[ 7 ]}的使用。以上述TB11试验进行模拟。在模拟中得到的侧窗驾驶员头部的最大位移是用来创建头部位置的极限面。因此，得到的极限表面有可靠的实验基础，和数值计算。此外，正在进行的实际测试中进行的各种障碍模型，目前在欧洲，所获得的限制表面可以被视为一个衡量欧洲的护栏的安全性标准。对极限表面的可靠性进行了验证，即在高速摄影下，该驾驶员的头走出车厢。特别注意的是专门的测试中，驾驶员的头部走出车厢因为驾驶员的头部在模拟出口反映了一个真正的事故模拟。同时，以测量获得使用ATD评估损伤的严重程度来代表那些司机会在事故中受伤程度。

2.实验测试

任何分析的出发点是参考规范的研究。本研究工作的起点是欧洲的标准，特别是，CEN1317标准 ^{[ 1，2 ]}。CEN1317框架只为间接的对路边的安全屏障危险性的影响进行评价，通过加速度分析汽车驾乘者沿着三个轴和横摆角速度（其他的角速度可以忽略）一点接近汽车的质心测量。小型车，一个拟人化的测试设备的使用（ATD）是必需的，但只有一个非固定的车内质量的冲击动力学的影响评价。驾驶员的加速度和位移则不考虑。在冲击过程中，驾驶员头部对障碍物可能产生的影响是被忽略的。另一方面，以欧洲发生的事故统计数据显示，一个具有高安全性障碍的小汽车的影响的结果，司机的头部极有可能碰撞到护栏^{[ 11 ]}。一个不太可能的混凝土高遏制护栏与新泽西设计，第一次碰撞后，转向车辆，避免进一步的汽车和司机之间的相互作用。

2006至2003年间，欧洲研究项目名为“实际可行的[ 4 ]研究的开发方案，以提高护栏安全性。在这个范围内，进行了大量的全面测试。特别是，测试研究的混凝土和金属护栏碰撞行为，目前在欧洲已经进行使用了。上述测试的很大一部分是用小型车与ATD对一系列不同的势垒模型小车的影响后果进行研究以及评价方法的可靠性进行了欧洲规范建议（简要回顾前）对车内乘员的人身危险性影响进行评价。

根据测试的结果显示，它是可能的，以加深对事件的认识，并得出重要结论的风险相关的小型车对传统的安全护栏的影响。当它影响到车厢内的侧窗或障碍物时，其头部的速度取决于试验中所用的障碍物的模型及其控制能力和尺寸。理论的头部撞击速度，THIV，提供的驾驶员头部撞击侧窗时速度的估计值。因此，该撞击速度被用来判断驾驶员的头部有可能打破侧窗和出车厢的最重要的参数。特别是对试验进行大量的项目，在撞击速度对两类安全护栏的影响结果显示，它是可能的。

1。安全影响。在一个撞击速度小于26公里/小时的试验中，侧窗不破，头部保持车厢内。2。不安全的影响。在一个撞击速度大于28.4公里/小时的试验中，侧窗被打破，随后驾驶员的头部可能冲出车厢。

关于二级的测试，应该注意的是，在大量的测试项目中，大多数的测试都是以一个小的垂直维度（如图1所示）来进行的。在这种情况下，即使驾驶员头部从车厢中冲出，也不会影响到护栏。这并不意味着头部和护栏之间没有碰撞的风险，但问题是高垂直尺寸的护栏。此外，根据测试的高速照片分析显示，如果撞击速度大于28.4公里/小时，小型汽车对一个安全护栏的影响是一个实际的威胁，独立为金属或混凝土护栏（新泽西设计混凝土护栏除外）。

图1。在TRL 进行TB11实验 ^{[ 4 ]}。

3.数值模型

为了创建一个极限面，进行模拟TB11试验 ^{[ 4 ]}。一个可靠的数值模型，使用乔美罗车有限元模型获得完整的典型小型车（完整的典型内部的一个小的车）和混合三个第五十个百分位有限元模型。

3.1.碰撞场景

TB11试验^{[ 2 ]}需要一个采样频率大于某一最小值–即10000HZ获得的加速度和角速度。当模拟测试进行的大量的项目，这种情况下，可以重建精确的影响场景的测试。鉴于汽车可以跟踪汽车的实际运动，因此驾驶员头部运动在初始位置。当考虑到撞击金属护栏或反对简单的混凝土护栏，新泽西的设计可以跟踪汽车运动只知道三分量加速度和横摆角速度。其他角速度（通常不需要）可以忽略，此外，可以忽略响驾驶员的头部运动的影响。

3.2．有限元模型。

数值模拟中使用小型车的模型来自乔美罗车模型的有限元模型验证在大量的项目^{[ 6 ]}。原有的有限元模型，完成了内部（方向盘、仪表板和座椅），约束系统，和假人。

变形和刚性的汽车模型进行了初步的模拟验证，可靠性的数值模型表明，如果汽车速度和加速度是已知的，它是可以模拟汽车底盘作为一个刚体运动与规定的运动。测试认为，这种近似是由车辆驾驶舱变形指标的分析支持（VCDI）是车厢的实际变形指数。在所有的试验中考虑的VCDI相当小。刚体车模型是由所有的底盘乔美罗有限元模型的元素定义为刚性^{[ 4 ]}。此外，它不可能与ATD进行零件互换而被淘汰。最终，简化的模型允许减少15%的中央处理器时间，这是不多的视图中模拟进行的一百多个测试。另一方面，汽车内部，转向盘，约束系统，首先，司机的座椅进行了详细的建模与典型的几何形状和机械性能，并对转向盘和仪表盘的方向盘和仪表板等些零件进行了检查，检查这些零件和驾驶员的头部之间的碰撞，因此，有限元模型并没有特别详细。采用固体壳外形。驾驶员座椅具有典型的小型车座椅结构。它由三部分组成：垫，背部及头枕。这三个部分是连接在一起，并与汽车底盘使用刚性接头。为了减少数值模型的复杂性和模拟的计算工作量，座椅的框架被建模为一个刚体。仿真结果表明，这是一个可以接受的近似值。在制造汽车座椅上使用的材料的机械性能，用于填充的填充物建模为低密度泡沫材料^{[ 5 ]}。ATD应对冲击载荷取决于约束系统。为了使一个假人头部运动尽可能接近实际，汽车的约束系统模型创建为一个类似于现代的小型车的一个系统。约束系统由三部分组成：一个三点式安全带、牵引器和预紧器。所有这三个部分进行了详细的模型使用专用的部分^{[ 4 ]}。安全带（胸部和腰带）为蓝本，采用单、双维模块。安全带圈固定在被建模为一个刚体汽车底盘上。特性曲线对拉钩/预紧器激活的标准均来自实际组件部分^{[ 10，11]}，从具体的测试进行最后的实验室小型汽车约束系统。约束系统的末端刚性固定于汽车底盘上。在原始乔美罗有限元模型^{[ 6 ]}的横向窗口也存在的横向窗口。模拟仿真是一个相当艰巨的任务–由于复杂的本构关系和侧窗的材料在冲击载荷作用下的破坏机理。另一方面，实验测试表明，常见的横向窗口对驾驶员的头部动力学有一个小的影响^{[ 8 ]}。侧窗头出口减缓，但无法阻止它。因此，为了减少复杂的数值模型，司机的头部和横向窗口之间的相互作用是根本没有确定。

3.3．汽车乘员

用于在汽车司机将试验假人模型使用一个可靠的Hybrid III模型开发和验证，参考前人研究工作^{[ 7 ]}。一个大的注意力放在ATD定位是司机的初始位置在头部动力学从而对极限曲面形状的深刻影响。对于模拟进行验证的整体数值，具体对ATD响应定位的影响测试进行评价。此外，在基准测试模拟测试的摄影文献进行分析，实现正确定位和接近ATD数值试验的相关性。

4．数值模拟

对先前描述的用于模拟参考TB11试验进行了数值模型验证。监测驾驶员头部位移，以提供一个数据库的创建驾驶员头部位置的限制表面。

4.1．数值模型验证

对数值模型的有效性和参照的变形车进行的数值模拟实验验证。实际运动的汽车在模拟测试中强加给刚性的汽车，因此，在冲击动力学方面得到了一个良好的数值实验的相关性。因为司机的头是隐藏的车厢里不可能只使用仪器配备ATD跟踪头部位置，因此头部运动方面的直接比较是困难的。另一方面，由三轴加速度计放置在ATD头部测量加速度的位置允许的ATD头占有不确定（不定位）的影响。最后，在基准测试中的估计值接近的模拟中得到的测量值。为了使所有同一辆车的安全护栏的影响直接比较，用刚性和可变形的汽车模型模拟了在CEN1317 [ 2 ]进行的TB11试验。刚性的汽车模拟的结果与使用变形的汽车（图2）获得的那些结果相比。在变形模拟汽车模型中，在大量金属护栏的测试项目[ 4 ]验证了有限元模型。H2是一个单刀片双波形护栏-氮气遏制策略。对影响ATD头位置进行跟踪，最终，利用刚性和可变形的汽车模型提供了类似的效果模拟。

图2。用变形的H2碰撞（左）和刚性（右）汽车模型。

4.2．模拟

从TB11测试进行的鲁棒项目测试项目中，所有实验数据用数值重现。特别是，110个测试进行了使用各种模型的金属护栏。在测试中所用的各种护栏被认为是最终创建的一种限制表面，因为它允许获得一个限制表面代表的广泛的护栏，因此他是一个相当普遍的设计工具。对测试过程中收集的数据进行了分析，处理和适应数值模型。为了实施正确的边界条件，在测试到一个规定的刚性模型车运动时专用MATLAB ^{[ 9 ]}功能实现自动变换加速度和横摆角速度测量。专用MATLAB函数也被用于完成各种测试。给定一个基准测试，功能寻找初始时所有采集的信号，消除了漂移（如存在），滤波后的信号与CFC 600滤波器的信号，转换的加速度和整个（固定）轴的速度，验证了信号的质量，最后选择了最初的时间以加速度和速度。一旦影响场景重建，模拟运行。另一个MATLAB函数读取输出文件和评估外部侧窗面头最大侧向位移。

5．驾驶员头部位置的限位

驾驶员的头部对一个安全护栏的影响，该部位的极限面的创建插值参考TB11试验模拟假人的极限侧位置。

5.1．极限曲面创建

在模拟头部位置的110 TB11测定中。没有考虑头部的运动轨迹。注意的焦点集中在头部的初始位置的最大横向位移。从窗

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