客车因其具有载客量大和机动性好的特点，成为了中国公路旅客运输的主要工具。客车安全问题已经引起了人们的充分重视。侧翻事故是客车交通事故的主要形式之一。美国高速公路交通管理局(National Highway Traffic Safety Administration,NHTSA)的数据表明，侧翻事故约占所有交通事故中的10%，但其伤亡率却高达52%^[1]。客车一旦发生侧翻事故，乘员有可能被完全抛出车外、部分抛出车外或者生存空间受到挤压，从而造成极大的危害^[2]。为了降低客车侧翻事故的伤亡率，许多国家制定了关于客车侧翻碰撞安全性的法规，其中最具代表性的是欧洲的法规ECE R66^[3]。中国的法规GB/T17598、澳大利亚的法规ADR59/00和南非的法规SANS 1563均引用了ECE R66阐述的内容。

由于ECE R66未对乘员损伤指标提出要求，国内外的学者针对如何提高客车侧翻碰撞安全性能进行了深入的研究^{[4, 5, 6]}，但对于客车侧翻碰撞乘员损伤研究较少。Belingardi等^[7]采用MADYMO软件建立客车车身段多刚体模型，并进行EuroSID假人损伤分析，但其未能考虑整车骨架及乘员间的相互影响。Guler等^[8]和陈吉清等^[9]利用LS_DYNA软件对Hybrid Ⅲ 50%男性假人在有无佩戴安全带时假人头部和颈部的损伤进行研究，但其模拟分析从客车接触地面开始计算，未能考虑客车在接触地面前的乘员损伤情况。曹立波等^[10]利用MADYMO软件建立客车局部车身段的侧翻有限元与多刚体混合模型，分析碰撞侧两个Euro SID-I假人损伤情况，但未能进行非碰撞侧乘员损伤分析。文中基于ECE R66法规，利用LS_DYNA软件分析客车同一排座椅4名乘员在无安全带约束、佩戴两点式安全带和佩戴三点式安全带3种情况下的损伤机理。研究结果对客车乘员保护有积极的意义。

欧洲法规ECE R66的主要目的是防止客车在侧翻事故中，车身骨架结构侵入乘客乘坐空间而造成人员伤亡。因此,ECE R66规定了乘员生存空间，以检测车身骨架侵入乘员生存空间的情况。

客车横向生存空间如图 1(a)所示,座椅参考点S_R位于椅背前方，距离地板高度为500 mm，距离内侧墙面150 mm，生存空间上边端点位于下边端点内侧150 mm处。客车纵向安全生存空间如图 1(b)所示,客车前排司机座位的安全生存空间为其座椅参考点S_R前方600 mm的垂直平面，最后排的生存空间为其座椅参考点S_R后方200 mm的垂直平面，若后方墙面小于200 mm，则以墙面为垂直平面。

图 1(Figure 1)

图 1 生存空间示意图(单位：mm) Fig. 1 Residual space (Unit of measurement distance: mm)

ECE R66法规并未对客车侧翻碰撞中的乘员损伤指标作具体规定，国际上也没有提出专门针对客车侧翻碰撞的乘员损伤指标。参照美国FMVSS 208乘员碰撞保护标准中提及的Hybrid Ⅲ 50%男性假人损伤指标对客车侧翻碰撞乘员损伤情况进行研究，所涉及的乘员损伤部位包括头部、颈部和胸部。

头部损伤指标HIC最早由Versace^[11]提出，并由美国NHTSA进行修正，已成为碰撞安全法规头部损伤的基准。其计算公式为

美国FMVSS 208乘员碰撞保护标准规定Hybrid Ⅲ 50%男性假人HIC₃₆限值为1 000。

颈部损伤预测参数N_ij考虑了颈部轴向力和绕枕骨力矩的影响。其计算公式为

式中：F_z为颈部轴向拉力或压力；M_ocy为颈部弯矩；F_zc为临界拉力；M_yc为临界弯矩。

美国FMVSS 208规定:对于Hybrid III 50%男性假人，当F_z为轴向拉力时，F_zc=6 806 N；当F_z为轴向压力时，F_zc=6 160 N；当M_ocy为弯曲力矩时，M_yc=310 N·m；当M_ocy为伸张力矩时，M_yc=135 N·m。N_ij有4个组合值，分别是:N_te、N_tf、N_ce和N_cf。N_ij值越大，颈部损伤越严重，其耐受限度为1.0。

采用胸部3 ms合成加速度值对假人胸部损伤情况进行评价，美国FMVSS 208规定：Hybrid Ⅲ 50%男性假人胸部3 ms合成加速度(Clip)限值为60g。

客车全长12 m，整车质量11.6 t，可乘坐57人(含司机)。客车车身骨架采用整体式“U”型梁客车车身结构^[12]，将多个独立的“U”型横梁在纵向分别由纵梁连接成一个封闭的外框架整体。采用PreSys软件建立客车有限元模型。客车车身骨架采用大小为10 mm的壳单元进行模拟。壳单元采用4节点Belytschko-Tsay算法，在壳单元厚度方向上有3个积分点。客车悬架系统采用刚性单元进行模拟，仿真分析未考虑玻璃破损的情况。

根据ECE R66的要求，进行客车侧翻试验，并利用显式非线性有限元求解器LS_DYNA对客车侧翻过程进行仿真模拟。客车侧翻试验与仿真模拟结果如图 2所示。表 1列出了客车右侧窗立柱到生存空间上端点的距离，侧窗立柱序号参见图 3所示。

图 2(Figure 2)

图 2 基于ECE R66的客车侧翻试验与仿真模拟结果 Fig. 2 Test and simulation results of bus rollover

表 1(Table 1)

表 1 侧窗立柱到生存空间上边端点的距离Table 1 The distance from side wall pillar to the top edge of residual space 立柱序号 A B C D E F 实车试验 286.0 267.0 264.0 240.0 237.0 223.0 整车仿真 284.1 258.8 245.2 229.6 230.4 211.0

表 1 侧窗立柱到生存空间上边端点的距离 Table 1 The distance from side wall pillar to the top edge of residual space

图 3(Figure 3)

图 3 假人位置图 Fig. 3 Position of dummies in the bus

由图 2和表 1可知，客车侧翻试验和仿真分析结果相似，说明客车有限元模型具有较高的精度；侧窗立柱均未侵入生存空间，且留有较大的余量。变形量最大的侧窗立柱所在车身段(即立柱E与立柱F之间)将放置假人模型，以进行乘员头部损伤研究。

由于缺乏专用翻滚碰撞假人模型，采用Hybrid Ⅲ 50%男性假人有限元模型进行乘员头部损伤研究。依据ECE R80法规中的假人定位要求，将4个Hybrid Ⅲ 50%男性假人模型放置在客车侧翻试验中最薄弱的车身段的座椅上，如图 3所示。假人序号从左到右分别为M₁、M₂、M₃和M₄。客车上其余位置乘员采用mass单元进行模拟。2点式安全带乘员约束系统模型如图 4所示。

图 4(Figure 4)

图 4 2点式安全带乘员约束系统模型 Fig. 4 Model of the dummies with two-point seatbelt

客车座椅作为客车的重要的安全部件，在各种类型客车碰撞事故中都将很大程度上影响到乘员的安全。 ECE R80法规明确了客车座椅动态试验和评价方法^[13]。法规要求试验台车速度为30~32 km/h，平均减速度在6.5~8.5 g之间，乘员头部损伤指标HIC₃₆ < 500。图 5(a)为依据ECE R80法规要求进行的客车座椅动态试验实物图，刚性平台上安装两排座椅，后排座椅上的两个Hybrid Ⅲ 50%男性假人模型均佩戴2点式安全带，前排座椅空置；试验滑车减速度曲线见图 5(b)所示。

图 5(Figure 5)

图 5 客车座椅动态试验 Fig. 5 Dynamic test of bus seats

建立客车座椅动态试验有限元模型，采用LS-DYNA求解器对客车座椅动态试验过程进行仿真分析。假人头部合成加速度客车座椅动态试验与仿真分析结果如图 6所示。从图中可看出左右2个位置上的假人头部损伤曲线仿真结果略大于试验结果，但在可接受的范围内，验证了乘员约束系统有限元模型的精度。两个假人的头部合成加速度曲线较为相似，假人头部HIC₃₆值均小于500，满足ECE R80法规的要求。

图 6(Figure 6)

图 6 假人头部合成加速度曲线 Fig. 6 Dynamic test of bus seats

参照ECE R66法规，建立“客车-乘员”侧翻有限元模型。将客车及侧翻平台旋转到侧翻试验中客车侧翻临界位置，客车及侧翻平台的速度设置为零，以此作为客车侧翻仿真的初始条件。利用LS_DYNA软件分别对假人在无安全带约束、佩戴2点式安全带和佩戴3点式安全带3种情况下的客车侧翻过程进行模拟分析，分析计算时间均为2 s。

仿真模拟结果如图 7所示。客车在t=1.315 s时开始撞击地面，发生弹塑形变形，并产生滑移。碰撞过程中，车身骨架未侵入乘员生存空间。在无安全带约束的情况下，4个假人均与侧窗玻璃发生碰撞，这可能导致假人被部分或全部抛出车外。2点式和3点式安全带均能有效阻止假人被抛离座椅。

图 7(Figure 7)

图 7 客车侧翻过程仿真时序图 Fig. 7 Sequential pictures of bus rollover simulation

表 2列出了假人在3种约束条件下的头部损伤HIC₃₆值。在无安全带约束的条件下，4个假人头部损伤HIC₃₆值均超过1 000；M₃假人头部先与M₂假人背部发生碰撞，然后撞向侧窗玻璃；距离碰撞侧最远的M₄假人头部伤害值是HIC₃₆限值的8.5倍。2点式安全带可以明显的降低M₃、M₄假人的头部伤害值；由于M₁和M₂假人头部发生碰撞，使得M₁假人的HIC₃₆值比无安全带约束时高出1.7倍。3点式安全带可以有效降低假人的头部损伤风险。

表 2(Table 2)

表 2 假人头部损伤HIC36值Table 2 HIC36values for dummies 假人序号 无安全带 2点式安全带 3点式安全带 HIC36 t/s HIC36 t/s HIC36 t/s M1 1 019 1.323 2 717 1.397 63 1.334 M2 2 404 1.364 888 1.397 56 1.362 M3 1 305 1.389 66 1.371 67 1.362 M4 8 523 1.459 83 1.426 63 1.362

表 2 假人头部损伤HIC36值 Table 2 HIC36values for dummies

3种约束条件下假人颈部损伤预测参数N_ij的最大值见于表 3。无安全带约束时，距离碰撞侧越远的假人颈部伤害值越大，特别是M₄假人的颈部损伤N_ij值远超人体耐受限度。2点式和3点式安全带均能有效降低乘员颈部损伤风险，且差别不大。

表 3(Table 3)

表 3 假人颈部损伤预测参数Nij值Table 3 Nij for dummies 假人序号 无安全带 2点式安全带 3点式安全带 Nij t/s Nij t/s Nij t/s M1 0.34 1.368 0.29 1.401 0.16 1.350 M2 0.73 1.366 0.17 1.413 0.28 1.363 M3 0.90 1.394 0.18 1.422 0.23 1.383 M4 2.64 1.462 0.21 1.444 0.28 1.377

表 3 假人颈部损伤预测参数Nij值 Table 3 Nij for dummies

3种约束条件下假人胸部3 ms合成加速度值A_s如表 4所示。假人在3种约束条件下的胸部3 ms合成加速度值都小于60 g。M₄假人在无安全带约束的情况下的胸部3 ms合成加速度值最大。与2点式安全带相比，3点式安全带在降低乘员胸部损伤方面效果略差,这是由于肩部安全带对胸部的束缚作用引起的。

表 4(Table 4)

表 4 假人胸部3 ms合成加速度值Table 4 The resultant acceleration of chest for dummies 假人序号 无安全带 2点式安全带 3点式安全带 As/g t/s As/g t/s As/g t/s M1 24 1.377 11 1.333 15 1.341 M2 34 1.364 16 1.411 19 1.341 M3 27 1.389 16 1.392 31 1.360 M4 54 1.459 18 1.384 25 1.360

表 4 假人胸部3 ms合成加速度值 Table 4 The resultant acceleration of chest for dummies

通过对客车侧翻过程4个Hybrid Ⅲ 50%男性假人损伤情况的研究，结果表明：

1) 侧翻过程中客车车身骨架未侵入乘员生存空间。

2) 3种约束条件下，假人损伤指标峰值均发生在客车撞击地面后，假人胸部3 ms合成加速度均小于60 g。

3) 无安全带约束时,假人头部和颈部损伤严重。

4) 2点式和3点式安全带在降低乘员颈部和胸部损伤风险方面效果相当。

5) 2点式安全带有效地降低大部分假人的头部损伤风险，但碰撞侧假人头部损伤值仍较高。