车辆碰撞中驾驶员手部主动响应对人体损伤的特性.pdf
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1、ISSN 1674-8484CN 11-5904/U汽车安全与节能学报,第14 卷 第 5 期,2023 年J Automotive Safety and Energy,Vol.14 No.5,2023车辆碰撞中驾驶员手部主动响应对人体损伤的特性杨 欣1,4,秦豪毅1,3,马 帅*2,3,宋家锋2,3,5,6,朱 勇3,王瑞祥1,3,许述财*2,3(1.河北农业大学 机电工程学院,保定 071001,中国;2.汽车安全与节能国家重点实验室,清华大学,北京 100084,中国;3.清华大学苏州汽车研究院(相城),苏州 215134,中国;4.河北省智慧农业装备技术创新中心,保定 071001,中
2、国;5.工程仿生教育部重点实验室,吉林大学,长春 130022,中国;6.运输车辆检测、诊断与维修技术交通行业重点实验室,济南 250357,中国)摘 要:研究了车辆碰撞环境下驾驶员手部在方向盘上的主动响应及对人体损伤的影响,以便对于人体损伤标准完善及车辆安全防护设计,提供参考数据。将假人手部结构重建,使手部具备抓握能力。利用关节约束力矩模拟抓握力,设置手部具有抓握力及抓握方向盘不同位置的仿真模型,计算获得假人各部位损伤数值,与标准假人损伤对比。结果显示:抓握状态下,头部伤害指标(HIC)峰值增加37.5%,颈部伸张力矩最大值减少22.3%,胸部压缩量最大值减少3%,大腿压缩力峰值减少36.5
3、%。将方向盘划分为表盘的位置方位,手部位置在11点和 4点方位时,头部HIC 峰值最大;手部位置在8点和4点方位时,胸部压缩量和大腿压缩力峰值最大。碰撞中驾驶员手部主动响应对人体损伤影响较大。关键词:汽车碰撞;中国体征假人;手部主动响应;人体损伤;头部伤害指标(HIC);胸部压缩量;大腿压缩力中图分类号:U 467.14 文献标识码:A DOI:10.3969/j.issn.1674-8484.2023.05.003Characteristics on the active response of drivers hand on the human injury in vehicle cras
4、hesYANG Xin1,4,QIN Haoyi1,3,MA Shuai*2,3,SONG Jiafeng2,3,5,6,ZHU Yong3,WANG Ruixiang1,3,XU Shucai*2,3(1.College of Mechanical and Electrical Engineering,Hebei Agricultural University,Baoding 071001,China;2.State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy,Tsinghua University,Beijing 100084,China;
5、3.Tsinghua University Suzhou Automobile Research Institute,Suzhou 215134,China;4.Technology Innovation Center of Intelligent Agricultural Equipment,Baoding 071001,China;5.The Key Laboratory of Bionic Engineering(Ministry of Education),Jilin University,Changchun130022,China;6.Key Laboratory of Transp
6、ortation Industry for Transport Vehicle Detection,Diagnosis and Maintenance Technology,Jinan 250357,China)Abstract:The active response of the drivers hand on the steering wheel in a vehicle crash environment and the effect on human injury were investigated to provide reference data for the improveme
7、nt of human injury 收稿日期/Received:2023-04-02。修回日期/Revised:2023-06-19。基金项目/Supported by:国家重点研发计划项目(2018YFE0204302);国家自然科学基金(51305223);国家现代农业产业技术体系建设专项(CARS-27);工程仿生教育部重点实验室开放基金(K202208);运输车辆检测、诊断与维修技术交通行业重点实验室开放课题(JTZL2102);河北省教育厅在读研究生创新能力培养项目(CXZZBS2023080)。第一作者/First author:杨欣(1974),男(汉),河北,教授。E-mai
8、l:。*通讯作者/Corresponding author:许述财,副研究员.E-mail:。3/13544 554545杨欣,等:车辆碰撞中驾驶员手部主动响应对人体损伤的特性standards and the design of vehicle safety protection.The hand structure of the dummy was reconstructed so that the hand had the ability to grasp.Using the joint constraint moment to simulate the gripping force,r
9、esearchers set up the simulation model of the hand with gripping force and different positions of the steering wheel,and calculated the damage values of each part of the dummy,and compared them with the damage of the standard dummy.The results show that in the gripping condition,the peak value of he
10、ad injury criterion(HIC)increases by 37.5%,the maximum value of neck extension moment decreases by 22.3%,the maximum value of chest compression decreases by 3%,and the peak value of thigh compression force decreases by 36.5%.Dividing the steering wheel into positional azimuths of the dial,the peak h
11、ead HIC is greatest when the hand position is in the 11 oclock and 4 oclock azimuth,and the peak chest compression and thigh compression forces are greatest when the hand position is in the 8 oclock and 4 oclock azimuth.The active response of the drivers hand in a collision is a major influence on h
12、uman damage.Key words:car collisions;Chinese physical dummies;active response of drivers hand;human injury;head injury criterion(HIC);chest compression;thigh compression force汽车行业是我国的主导产业之一1,交通事故随汽车销量增长日益增多。在汽车碰撞事故中,发生正面碰撞的概率为 59%,侧面碰撞的发生概率为 27%2。正面碰撞工况下的车辆行驶安全是汽车制造与安全测试研究中尤为重要的课题。在汽车被动安全领域,假人常被用来作为
13、评估汽车安全性能以及各种保护成员设备性能的工具。利用数字假人以及物理假人代替真人做测试试验,通过分析汽车碰撞时假人所承载的力、加速度、位移等物理量来量化人体的伤害程度,因此,碰撞试验假人成为汽车安全性能测试中的核心技术3-6。在事故发生前即预碰撞阶段,人的大脑发出生物信号,使身体各部位迅速做出响应动作,不同驾驶员在碰撞前的驾驶行为对交通事故的影响较大7,手部抓握方向盘是十分常见的应急响应。然而,目前大多数汽车安全试验中假人被安装在固定位置,在当前碰撞测试中忽略了 人的主观意识行为,假人的手放在方向盘上处于自由姿态没有考虑驾驶员在面对事故发生前的应急反应。基于此问题国内外学者开展了相关的研究,例
14、如李锵强8等人利用 Madymo 软件建立大客车与假人模型,建立大客车驾驶员手部有无抓握力的正面碰撞模拟仿真环境,研究得出手部存在抓握力状态下假人的损伤程度小于手部没有抓握力状态下的假人。魏玉钊9等人利用 LS-PREPOST 和 Oasys PRIMER 软件建立手部具有抓握力的数字假人并对在自由状态下以及手部抓握顶棚扶手状态下的假人损伤程度进行对比分析,仿真结果表明存在手部抓握力状态下假人主要部位的损伤不同程度的小于自由坐姿姿态下的假人。H.Morvan10等人基于模拟驾驶器分析碰撞前驾驶员手部的行为,利用 Madymo 软件搭建驾驶员手部处于不同位置姿态下的仿真模型分析仿真结果得出结论,
15、手部处于不同位置姿态下假人头部以及颈部的损害程度存在差异。因此,驾驶员手部对方向盘的抓握和保持能力对于人体损伤评价是不可忽视的一个重要因素,但以上研究未能全面准确的反映碰撞测试中人的主观意识行为以及在碰撞环境下手部的反射反应对人体损伤程度的影响。为了探究手部抓握方向盘以及不同抓握位置姿态与人体碰撞损伤之间的关系,本文基于现有的假人模型重构手部结构模型,使其各关节具有一定的自由度,实现对方向盘的抓握,并通过相关软件对各关节设计铰链实现手部抓握保持力和不同抓握位置姿态的调节,进一步研究碰撞时驾驶员手部主动响应对人体损伤特性的影响,从而与手部在自由状态下的人体损伤进行对比分析。研究结果将对完善人体损
16、伤评价标准和车辆安全防护设计具有重要的参考意义。1 中国体征假人有限元模型本实验所使用的碰撞假人模型如图1 所示,该模型是根据中国人体特征尺寸数据11(GB10000-88)所建立的。1.1 假人上肢模型建立假人上肢有限元模型,需参考人体真实的上肢结构。各骨骼间的运动是由各上肢关节决定的,由于实际的人体上肢组织结构复杂,在建立上肢的有限汽车安全与节能学报546第 14 卷 第 5 期 2023 年元模型时往往将其进行简化。关节处通过铰链定义运动,由于上肢各部分的基本属性不同,所以在导入HyperMesh 2019 后,需要对各部分进行不同的有限元划分处理12-13。原有假人的手部结构经过简化后
17、,忽略了手指关节运动影响,仅仅保留了手部某个形态,如图 2 所示,在仿真试验中手部无法发生动作,往往处于被动运动状态,很容易与方向盘脱离。一体成型结构图 2 上肢有限元模型结构1.2 手部模型重建设计手部总体的结构,从而实现在碰撞过程中能够抓握方向盘的功能需要参考人手的骨骼结构、运动机理以及主要功能。由于人手非常灵活,约 21 个自由度14,且骨骼复杂,所以根据仿真实验环境,对手部结构设计进行简化。因为人手的灵活性是通过手腕和手之间的相互配合来实现的,所以手部的抓握功能需要分析抓握过程中手部与腕部作用,手对应的功能是抓握,而手腕对应的作用是手部在执行抓握运动时对手部姿态进行调整。基于对人手的运
18、动研究,仅保留各指节间的转动以及大拇指翻转共 15 个自由度。根据中国体征假人手部模型,对各指节数据进行测量,详细的数据如表 1 所示。指节的运动状态都可近似看作一个自由度,可以由一个旋转铰链进行模拟。根据中国男性飞行员人体尺寸(GJB4856-2003)15提取的手指数据,并利用 SolidWorks 软件,建立三维模型;利用有限元前处理软件 HyperMesh,对手指各部分进行网格划分,并利用 HyperMesh 1D 面板中的fejoints,建立铰链模型。手的材料为*MAT7 橡胶材料,设置密度=0.9 g/cm3,剪切模量设置为 0.19 GPa。结构模型和处理完成的有限元模型如图
19、3 所示。(b)有限元模型远指节中指节近指节腕指节(a)结构模型图 3 重建的手部模型图 1 中国体征假人有限元模型表 1 手指各指节长度和转角表手指部位 尺寸/mm转角/()近指节长度近指节直径中指节长度中指节直径远指节长度远指节直径腕指关节近指关节中指关节远指关节拇指2328262035170900600100食指2819211623150900100085中指3020261823170900100085无名指2618241724160900100085小指2116161522140900100085(a)侧视图(b)正视图(c)轴测图547杨欣,等:车辆碰撞中驾驶员手部主动响应对人体损伤
20、的特性2 碰撞仿真模型构建2.1 碰撞驾驶环境为了便于观察假人的运动姿态和缩短仿真计算时间,对车辆模型进行简化,仅保留汽车驾驶室的模型,并将整车其他部分简化成一个质点,将模型的质量以及转动惯量等数值赋予质点。根据假人在正面碰撞情况时损伤部位所接触的模型,简化驾驶室的模型如图 4所示。?图 4 驾驶室模型驾驶室的模型主要有顶棚、车门、前窗、地板、安全带和仪表盘等。根据(China-New Car Assessment Program,C-NCAP)实验规定,提取整车碰撞试验的加速度曲线将模型赋予加速度曲线,来模拟实车碰撞的过程。其加速度曲线如图 5 所示。-2000200400600050100
21、a/(ms-2)t/ms 图 5 碰撞过程加速度2.2 假人手部模型替换在已有中国体征坐姿假人的模型基础上,只对假人的手部进行替换。保持原有的手部和腕部的接触关 系,利用关键 字*CONTACT_TIED_NODES_TO_SURFACE 定义手部和腕部的接触,用旋转铰链定义两者转动关系。为防止碰撞过程中由于速度过高网格出现大变形,赋予整个手部一层 NULL 面,材料为*MAT9,Poisson 比为 0.3。通常在有限元仿真过程中不能出现各 COMPONENT 之间相互穿透以及自穿透,因此根据标准和规范调整手部与方向盘、手部与假人其他部位之间为*CONTACT_TIED_SURFACE_TO
22、_SURFACE。替换前后的假人姿态如图 6 所示。无抓握存在抓握(a)替换前(b)替换后图 6 碰撞测试假人模型与车辆交互2.3 手部抓握保持力设置将划分网格后的人手,导入软件 Primer 11中进行铰链的旋转角度参数设置,根据假人各部位间的连接关系,设置手指和手掌,手掌和手臂之间的子母关系,实现手部抓握方向盘的动作姿态。据密歇根大学的统计,汽车高速状态下人手抓握方向盘的力平均值为189.6 N 16。基于已有研究对此方向的探讨,以坐姿状态下驾驶员手部握紧方向盘的 190 N握力为例。在 HyperMesh 中,通过设置铰链属性利用关键字*JOLINT_STIFFNESS_GENERLIZ
23、ED 对刚度和约束力矩进行调整以此来模拟驾驶员握紧方向盘的保持力8-9。参照相关文献并对照相关方面的数据12,可以确定拇指关节的约束力矩为 53.2 mNm,四指关节约束力矩值为1.143 Nm。2.4 手部抓握位置设置在碰撞过程中,驾驶员手部主要与方向盘进行交互。为便于探究驾驶员抓握方向盘不同位置对人体损伤状况的影响,将方向盘按表盘分布划分成不同方位。参考相关文献对驾驶员驾驶习惯的研究,左手在方向盘上的位置概率如图 7 所示10。由于双手抓握方向盘可以更好的控制车辆,右手的位置分布与左手对称,因此根据图中手部对应的抓握几率,选择 3 种不同的双手抓握位置(如图 8a8c所示)。同时考虑到碰撞
24、过程中,驾驶员的手部会出现应激反应而发生急打方向盘的动作,设置如图 8d 所示手部抓握动作。汽车安全与节能学报548第 14 卷 第 5 期 2023 年4%2%9%9%12%24%12%9%9%6%3%3%图 7 驾驶员左手在方向盘上的方位分布概率(a)姿态 1(10 点和 2 点方位)(c)姿态 3(8 点和 4点方位)(b)姿态 2(9点和 3点方位)(d)姿态 4(11点和 4点方位)图 8 假人模型双手与方向盘交互姿态3 碰撞结果分析对替换手部模型后的中国体征假人有限元模型导入 LS-DYNA SMP 13.0 进行碰撞仿真实验,通过与无手部抓握力碰撞情况下得出的数据进行对比,分析重
25、建模型后驾驶员各部位的损伤数值,同时设置不同驾驶姿态,研究手部在方向盘不同位置时对自身损伤数值的影响。3.1 假人姿态响应对比分析碰撞过程中车内驾驶员在惯性的作用下身体会向前倾,而不同的姿态变化可能会导致安全气囊、安全带等保护装置不能提供驾驶员最有效地保护,从而造成身体各部位损伤程度不同17。仿真试验 2 种状态下的假人运动姿态如图 9 所示,图中、分别表示碰撞中无手部抓握与存在手部抓握情况下假人上下臂之间的夹角。从图 9 可得:碰撞发生后,车体减速,假人身体保持向前运动,受安全带限制,假人的头颈部先于上半身前倾。060 ms 内,2 种状态下的假人运动姿态相同。在 60 ms 时,2 种状态
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