文摘

人类的头将不可避免地影响面板造成伤害时由于惯性自动倾卸卡车碰撞或紧急制动。因此,本文旨在分析面板设计参数对乘员头部损伤的影响通过使用有限元(FE)模型模拟人类的头和自卸汽车驾驶舱。特别关注的是应用于了解面板类型(软、硬),填充和帧的弹性模量,和软面板的固定距离会影响头部受伤在head-to-panel影响不同影响条件下的速度和位置(影响)。仿真结果表明,软面板是有利于保护与卡车仪表盘,影响和软面板使用较低的弹性模量,降低框架弹性模量,再固定距离有利于预防头部受伤。研究结果还表明,头部加速度峰值和最大颅骨应力更敏感修复距离比弹性模量和弹性模量的框架填充的面板。此外,这些趋势不受变化的影响冲击速度和冲击位置。本研究的结果表明,头部受伤预防安全面板设计首先应该有一个长期固定的距离,然后使用软填充和框架材料。

1。介绍

自动倾卸卡车被广泛用于运输大型金属矿山、煤矿、水利等效率高和装载能力。然而,自动倾卸卡车的安全更是一个重要的问题,由于复杂的工作。影响头部和仪表板之间的卡车相撞或紧急制动的情况下通常导致更大的威胁自动倾卸卡车的居住者的生活。因此,小组的安全已经成为汽车设计的重要。

目前,面板的研究主要是基于联合国欧洲经济委员会法规数量21 (ECE一下R21 [1])。在这个规定,简化实体模型和刚性材料的身体和乙烯基非线性材料的皮肤,然后撞击器结合在一起。在测试中,头形的直径是165毫米,撞击器的质量是6.8公斤,影响速度为24.1公里/小时。ECE一下R21要求测量加速度响应的形式在规定的测试条件下不应超过80克连续超过3毫秒。使用头形物理冲击试验是研究小组的安全设计的重要方法。刘等人获得球形头部模型的加速度变化基于影响测试的头形和重力撞击器面板(2]。然而,物理冲击试验并不是最优的方法研究小组设计的,因为它是难以控制的因素的测试和冲击试验的参数是不方便改变。此外,物理冲击试验的圆长,成本高。因此,数值模拟使用头形式和汽车安全设计模型被广泛用于面板。Haniffah等人确定适当的面板的材料按照规定的形式从模拟压力变化的预测3]。赵和赵4)和包和齐民(5)优化面板通过改变面板属性参数来减少基于模拟头部加速度。然而,先前的研究小组安全设计主要是基于头形如前所述,不能预测人类的生物力学响应头的碰撞。

因此,本研究的目的是分析不同的面板设计参数的影响乘员头部受伤使用更精确的人头模型通过有限元(FE)模拟。特别是,面板的设计参数类型,弹性模量,框架弹性模量,和长度的面板被认为是。这项工作将为卡车面板的设计提供重要的数据和减少乘员头部损伤的目的在复杂的工作环境16- - - - - -18]。

2。材料和方法

2.1。头部有限元模型

头部有限元模型提取从全身模型开发和用于研究期间胸部损伤的影响在不同的方向12]。头模型改进和验证由毛等人在后面的研究(13),见图1。验证的研究主要集中在评估的生物力学响应头模型加载条件下的下降和生硬的影响在不同速度与尸体测试数据从Yoganandan et al。14,15),验证结果显示良好的协议与实验[13]。因此,头部有限元模型是可靠的分析在当前的研究中。

大脑是一个柔软的生物器官含水量高(接近80%)。它显示了不可压缩性,非线性、各向异性、粘弹性。因此,MAT_VISCOELASTIC LS-DNYA(6 #材料)被选中。脑组织大量的实验表明,大脑的变形组织取决于其剪切模量,所以它的公式如下: 在哪里是短期的剪切模量,是长期的剪切模量,衰减系数。用于头部模型组件的材料参数给出了表1和2。

2.2。自动倾卸卡车驾驶室有限元模型

有限元模型的自动倾卸卡车驾驶室开发使用有限元软件HyperMesh预处理。它由卡车框架,座位,面板,和其他结构在驾驶舱,见图2。自动倾卸卡车驾驶室有限元模型包括1513114节点和1513114的元素。

两个面板类型(软面板和面板)通常用于自卸卡车。软面板主要是由聚氯乙烯(PVC)和聚碳酸酯(ABS),同时努力板通常是塑料做的。软面板,ABS和PVC材料通常用于皮肤和框架,以及聚氨酯(PUR)材料选择文件层减少面板的刚度。表3显示了卡车框架和面板的材料,在DC01低碳钢被选模型的框架自动倾卸卡车和材料模型的软、硬面板定义,分别。表中的数据3从先前的研究提取head-to-panel影响(4]。

2.3。设置影响的模拟

2.3.1。影响位置和速度的影响

位置应包括高攻击性的影响在面板结构,包括脆弱的地方和高刚度的结构。根据这一原则,影响位置选择如图所示的面板3。影响位置的选择也要考虑潜在的接触位置居住者在操作期间。

自动倾卸卡车的工作速度通常不超过40公里/小时,由于糟糕的工作环境。因此,10公里/小时的速度,24.1 km / h, 32 km / h,和40 km / h被用于这项研究的结合考虑ECE一下R21所需的冲击速度(24.1公里/小时)。

2.3.2。参数研究

表4显示了不同的参数研究的信息。首先,进行参数研究面板类型的影响(软与硬)头部损伤通过比较仿真的结果影响的软仪表板从硬面板。然后填充弹性模量的影响(填充E: 200和20 MPa),框架弹性模量(帧E: 0.34和3.4 GPa),和修复距离(L: 450和550和650毫米,见图3)在软面板头部损伤进行了分析,分别。

参数研究软面板设计参数,要么不同冲击速度(10公里/小时,24.1 km / h, 32 km / h,和40 km / h)或不同的影响位置(A、B和C)被用来考虑自动倾卸卡车的工作环境。对于影响速度变化情况的影响,选择位置B的主要影响区域(主人)的前面。而对于影响位置变化的情况,影响使用速度为24.1公里/小时的要求ECE一下R21(唯一的监管小组安全设计)考虑在内。影响速度和位置的组合并不认为减少计算时间,和影响速度的增加通常会导致更糟糕的情况。

3所示。结果

3.1。影响面板类型的头部受伤

仿真结果为不同的面板类型如图4头骨,包括乘以加速度曲线和应力云图。头部的结果表明,最大加速度是97 g (9.5 ms)附近的面板,和头部加速度超过80 g的时间范围在听到面板是女士从7.6到13女士(女士峰宽= 5.4),见图4(一)。的峰值和持续时间超过需求ECE一下R21, 80 g的最大头部加速度和3 ms的持续时间是有限的。然而,对于软面板,头部的最大加速度是72 g (7.4 ms),满足ECE一下R21的要求。同样,头骨的最大应力的影响很难面板(100 MPa)显著高于软面板(75 MPa)和峰值应力区域对于困难的小组情况也明显比的影响更广泛的软面板。

3.2。软面板设计参数对头部受伤的影响在不同冲击速度

图5显示了模拟头部加速度曲线head-to-soft面板使用不同的设计参数在不同速度的影响。如这个图所示,峰值加速度值填充弹性模块的情况下的头20 MPa明显低于使用填充弹性模块的情况下200 MPa(# 1和# 4:50克和52克,64克和71克,70克和74克,75克和78克10公里/小时,24.1 km / h, 32 km / h,和40 km / h,职责),当其他设计参数保持在同一水平。的最大头部加速度影响的小组使用一个框架弹性模块0.34绩点(48 g, # 2: 63克,67克,69克)也明显低于3.4更严厉的框架弹性模块的GPa(# 2和# 3:48 g和53 g, 63克和72克,67克和82克和69克和89克10公里/小时,24.1 km / h, 32 km / h,和40 km / h,职责),再其他设计参数控制。不同的固定距离(控制其他参数),结果表明,头为450毫米的情况下峰值加速度值是最高的,其次是550毫米和650毫米的情况下(# 4和# 2和# 5:52克与48 g与37克,71 g和63 g和42个g, 74 g和67 g和48 g, g和78 g和69 g和51 10公里/小时,24.1 km / h, 32 km / h,和40 km / h,职责)。

图6显示了一个示例颅骨应力分布的最大应力发生的时间点。这些结果表明,最大应力值的情况下使用填充的头骨弹性模量的20 MPa略低于情况下填充弹性模量为200 MPa当控制其他参数。20 MPa的颅骨应力峰值区域填充弹性模量情况下也小于200 MPa。然而,显著差异最大颅骨应力及其地区观察情况下使用一个框架弹性模量之间的平均绩点0.34和3.4的绩点,的最大颅骨应力前15 MPa(图6 (b))和65 MPa(图6 (c)),后者。最大颅骨应力修正距离的450毫米,550毫米,650毫米20 MPa(图6 (d)15 MPa(图)6 (b)MPa(图),36 (e)),分别。650毫米的情况下最小的峰值应力区头骨比较两种情况。

的压力分布10公里/小时的速度,32 km / h,和40 km / h是这里没有显示,但类似的(24.1 km / h)趋势的最大应力的函数变化的大小观察给定设计参数对其他影响速度(图7)。图中的数据7还表明,最大颅骨应力增加而增加影响速度。

3.3。软面板设计参数对头部受伤的影响在不同位置的影响

数据8和9显示预测头部加速度随时间的变化曲线和最大颅骨应力值模拟使用不同的设计参数在不同位置的影响。很明显从这些数据头部加速度峰值和最大颅骨应力与相对较低的情况下软面板和固定的距离更长。这一趋势是恒定的位置对所有影响,类似于观察到的速度变化的影响。

仿真结果还表明,峰头加速度值和最大头骨骨折的位置和C(数据8和9位置B)比那些(数字5 (b)和9)。

4所示。讨论和结论

的影响不同的面板类型和设计参数的软面板头部受伤指数峰值加速度和最大颅骨应力head-to-truck面板影响使用有限元模拟预测。之间的头部加速度和颅骨应力比较硬和软面板的影响表明,软面板有利于保护,影响卡车仪表盘。这种效应主要是普遍的低刚度的软面板。

详细分析的软面板的不同设计参数如何影响head-to-panel头部损伤的影响,结果表明,较低的弹性模量,降低框架弹性模量,再固定距离头部受伤预防有帮助head-to-panel影响。此外,上述趋势并不影响在某种程度上通过改变位置和速度的影响。结果还表明,头部加速度峰值和最大颅骨应力更敏感的比弹性模量修正距离的灌装。这主要是因为增加了固定距离会导致显著增加head-to-panel面板变形的影响,吸收冲击能量的巨大头部保护。尽管面板变形的差异改变灌装和框架弹性模量小于固定距离的变化。因此,头部受伤预防安全面板设计首先建议还有很长一段固定的距离,然后再用软填充和框架材料。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突的。

确认

作者承认的支持中国的国家自然科学基金(51779092),湖南省教育局研究基金会,中国(16 c0651)、中国博士后科学基金资助项目(2016 m592421),以及中国的湖南省教育委员会(17 a068)。