《Computers and Electronics in Agriculture》：Evaluation of solid attachment effects on static stability and operator head injury criterion (HIC) in agricultural all-terrain vehicles (ATVs) using finite element modeling (FEM)
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美国消费品安全委员会（CPSC）将全地形车（ATV）定义为具有三个或四个低压轮胎、供操作员跨坐的座椅以及用于转向的车把的越野车辆。ATV在农业中被广泛使用，帮助农场工人收集牲畜、拖拽拖车、运输小型货物以及协助施用农药。ATV在全球范围内是造成死亡和伤害的重要原
美国消费品安全委员会（CPSC）将全地形车（ATV）定义为具有三个或四个低压轮胎、供操作员跨坐的座椅以及用于转向的车把的越野车辆。ATV在农业中被广泛使用，帮助农场工人收集牲畜、拖拽拖车、运输小型货物以及协助施用农药。ATV在全球范围内是造成死亡和伤害的重要原因。ATV本质上不如传统四轮车辆稳定，因为其狭窄的轴距和高重心（CG）使其特别容易发生翻滚，尤其是在陡峭或不平坦的农业地形上。研究人员指出，与娱乐性使用相比，农场工人发生翻滚的比例更高（85%对55%），被ATV压住的可能性更大（68%对30%），发生致命性挤压窒息的风险也更高（42%对11%）。研究表明，给ATV增加负载会显著损害其横向和纵向稳定性，并增加翻滚风险。然而，目前缺乏关于固体附件（数量和位置）对农用ATV静态和动态稳定性影响的实验和数值模拟研究。作为解决方案，可以采用有限元方法（FEM）。头部和颈部损伤是ATV事故中最常见和最严重的后果，约占损伤的59%。在可用的指标中，头部损伤准则（HIC）是使用最广泛的损伤度量标准。本研究旨在识别和量化操作变量（包括轮胎充气压力以及固体附件的数量和位置）如何通过有限元模拟影响ATV的静态翻滚稳定性。本研究假设附件配置的变化，特别是其质量和位置，以及轮胎充气压力，会影响ATV的稳定性并增加翻滚风险。本研究的结果将为确保农用ATV使用者的安全操作条件提供建议。本研究模拟了一款专为工作和娱乐而设计的多功能ATV。研究目标通过以下步骤完成：（a）开发带有固体附件的ATV计算机辅助设计（CAD）模型；（b）开发有限元（FE）模型；（c）模型验证和操作条件评估。在开发ATV模型时，移除了外部组件以便对内部结构进行建模。为了模拟现场测试中的ATV骑手，使用了质量为75公斤、近似身高为165厘米的第50百分位假人。在本研究中，评估了安装在前架、后架和拖车上的各种固体ATV附件对静态稳定性的影响。为所提供的ATV开发了一个多体（MBD）有限元模型，该模型结合了有限元分析和多体动力学。有限元模拟使用Abaqus/CAE 2020进行。为了确定每个ATV车轮上的最小和最大负载，在ATV的静态条件下进行了计算。ATV轮胎在三种不同的充气压力下进行评估，而拖车轮胎在单一推荐充气压力下进行评估。由于轮胎刚度随充气压力变化，对ATV轮胎进行了实验室测试，以测量在不同充气压力和垂直负载组合下的变形。在Abaqus中创建了一个参考点（RP）于轮辋中心，垂直负载通过该点传递。使用罚函数摩擦公式对切向接触属性进行建模，摩擦系数为0.8。基于模拟与实验结果之间垂直位移的比较，估算出的用于在Abaqus中对ATV前后轮胎及拖车轮胎建模的弹性模量值已总结。轮胎是ATV与地面交互的主要部件，因此确定其材料阻尼特性至关重要。为此，开发了一种测试装置来测量轮胎在不同充气条件下的振荡响应。使用瑞利阻尼对动态事件中的能量耗散进行建模。由于轮胎跌落测试中的主频率低于10 Hz，忽略了刚度比例阻尼（β）。通过试错法校准阻尼参数（α），直到模拟振荡响应与实验结果紧密匹配。前后减震器均单独测试，以确定静态条件下的弹簧刚度。在动态测试中，施加了1087 N的预载荷，随后是峰峰振幅为10 mm的正弦位移输入。损耗模量（K″）对角的频率（ω）作图，线性回归模型的斜率即为阻尼系数。尽管所提供的ATV的CAD模型关于纵向垂直平面对称，但真实ATV的重心（CG）是通过倾斜台上的静态测试按ISO 16231-2中描述的方法实验确定的。HIC的测量代表了FE模型开发中最具挑战性的方面之一。在FE模拟中，假人头部和地面表面均被建模为刚体。为了考虑这些影响，使用TRIAX Touch E-Missile冲击测试系统对三种不同表面类型进行了一系列实验冲击测试。轮胎充气压力是本研究的自变量，影响轮胎变形，从而影响倾斜台比率（TTR）。使用FE模型评估ATV的横向和纵向稳定性角，以考虑不同的装载场景。在确定每个前后架附件配置的ATV在每个翻滚方向上的静态稳定性角或TTR后，进行翻滚测试。假人的整个身体和地面表面被建模为刚体。在头部重心处定义了一个RP，用于计算每个时间步的加速度，特别是在地面冲击时刻。头部加速度数据进一步用于计算HIC。结果表明，将时间步长减小到0.001 s以下不会显著影响结果，同时会大幅增加CPU时间。因此，选择0.001 s的时间步长用于有限元模拟。CG位置随着附件和假人骑手的添加而改变。因此，为多种ATV配置计算了CG。静态稳定性通过倾斜台测试进行评估，包括前倾、后倾和侧翻条件，分别代表下坡、上坡和横坡场景。使用RStudio 2023.12.1进行统计分析。进行了双因素方差分析（ANOVA），以评估附件配置和轮胎充气压力对前倾、后倾和侧翻测试中TTR的影响。在前倾倾斜台测试中，前轮被锁定到轮毂轴承座上，导致绕前轮胎与地面之间的接触补丁发生翻滚。在前倾条件下，配备假人骑手和后部附件且在60 kPa充气压力下实现了最大稳定性角。相反，最小稳定性角出现在配备假人骑手和前部附件且在欠充气轮胎条件（15 kPa）下。结果表明，重心的后移增加了前倾稳定性，而前移则降低了稳定性。因此，最稳定和最不稳定配置之间的稳定性角差异高达16.27%。前倾TTR，以及因此的ATV稳定性，随着轮胎充气压力的升高而略有增加。所有计算的TTR值都超过1。前倾条件下的双因素方差分析表明，附件配置和轮胎充气压力均显著影响ATV稳定性，其中附件配置起主导作用。后架配置产生的TTR最高，前架配置最低。侧翻验收要求至少一个上坡侧的支撑轮胎保持与表面接触。相应地，在测试结果中，记录了两个上坡轮胎从倾斜台脱离时刻的翻滚角。当假人骑手和固体附件同时添加到前后架时，观察到ATV稳定性的最大降幅。与基线ATV相比，此配置在欠充气轮胎压力条件（15 kPa）下导致TTR下降31.32%。实验与FE模型TTR结果的比较得出APE在2.01%至10.02%之间。双因素方差分析显示，附件配置对TTR有显著的主效应，轮胎充气压力也有显著的主效应，并且两者之间存在显著的交互作用。后倾是ATV在上坡行驶时可能发生的情景。对于后架装载以及前后架组合装载的配置，观察到了最低的TTR值，因为这些条件使重心向后移动。仅包含骑手（无额外附件）使后倾TTR降低了26.89%。当增加后架负载时，在60 kPa充气压力下，降幅增加到44.83%。相比之下，装载前架在后倾期间产生了轻微的TTR增加。FE模型表现出强大的预测能力，所有场景的APE值在0.27%至4.49%之间。双因素方差分析显示，附件配置对后倾TTR有高度显著的影响，而轮胎充气压力也显示出统计显著但较小的影响，并且两者之间存在显著的交互作用。为评估拖车对ATV-拖车系统静态稳定性的影响，同时考虑了ATV单独稳定性和ATV与连接拖车的组合稳定性。由于倾斜台设备的物理限制，ATV-拖车配置无法进行实验评估。因此，此分析中呈现的与拖车相关的结果完全基于使用先前已针对实验倾斜台测量进行验证的ATV模型进行的FE模拟。由于ATV与拖车之间的牵引连接允许有限的相对运动，在某些情况下观察到两个ATV车轮失去地面接触但未导致组合系统完全翻滚。因此，为分析定义了两个翻滚标准：（1）两个ATV侧车轮脱离地面，和（2）包括拖车在内的所有侧车轮脱离。由于拖车轨道宽度大于ATV，拖车轮胎的离地发生在比ATV更大的倾斜角下。因此，空载和满载拖车配置的TTR值均高于单独ATV。对于前倾场景，当负载附加到两个架上时，观察到最高的HIC15值。总体而言，前倾翻滚模式在评估了所有三个翻滚方向的配置中产生了最高的HIC15值。与后倾和侧翻场景相比，前倾的HIC15范围在364至1095之间，而后倾和侧翻场景的范围分别在168-495和240-435之间。HIC15值为700通常用作成年乘员的损伤评估准则。在静态翻滚模拟中获得的大多数校准HIC15值低于此参考值。本研究对农用ATV在固体附件和拖车配置影响下的静态稳定性进行了全面的实验和计算研究。开发了一个经过验证的多体有限元模型，以评估附件位置、轮胎充气压力和骑手存在如何影响翻滚稳定性，并预测HIC15作为潜在头部损伤严重程度的指标。结果证实，附件配置是影响静态稳定性的主导因素。后架装载和前后架组合装载导致TTR的最大降幅，特别是在后倾和侧翻场景中。骑手的存在显著增加了CG高度并降低了侧向稳定性。轮胎充气压力具有显著但依赖于附件配置的影响。前倾翻滚通常产生最高的HIC15值，最大观测值出现在配备前后架的ATV上。尽管存在差异，几乎所有预测的HIC15值都保持在通常引用的700阈值以下。总体而言，这项研究表明，操作因素，特别是附件位置、负载大小和轮胎充气压力，显著影响ATV的静态稳定性，并可能影响翻滚期间预测的HIC15响应。
**论文解读：基于有限元建模的农用全地形车固体附件对静态稳定性及操作员头部损伤准则（HIC）影响的系统研究**
**1. 研究背景与问题提出**
全地形车（ATV）在全球农业领域应用广泛，用于集畜、牵引、运输及植保作业，但其安全性问题日益突出。美国消费品安全委员会（CPSC）数据显示，1982年至2018年间，美国因ATV事故死亡人数达15,744人。相较于娱乐性使用，农业作业中的ATV翻滚事故比例更高（85% vs. 55%），操作员被车辆压住（68% vs. 30%）及发生致命性挤压窒息（42% vs. 11%）的风险显著增加。ATV因其窄轮距与高重心（CG）的固有设计特性，在陡峭或不平的农业地形上极易发生翻滚。
在农业作业中，ATV常搭载各种固体附件（如草捆、牲畜、液罐等），这些负载会进一步降低车辆的稳定性。然而，现有研究多集中于娱乐性ATV，针对农用条件下附件（数量与位置）及轮胎充气压力对静态和动态稳定性影响的实验与数值模拟研究相对匮乏。实车测试成本高、耗时长，部分参数难以精确测量。同时，头部损伤是ATV事故中最常见且最严重的伤害类型，约占59%。因此，亟需一种高效、精确的计算方法，以量化评估操作变量对农用ATV翻滚稳定性及操作员头部损伤风险的影响。该研究正是基于此背景，旨在利用有限元建模（FEM）技术，系统评估固体附件配置和轮胎充气压力对ATV静态翻滚稳定性及头部损伤准则（HIC）的影响。
**2. 关键技术方法概述**
研究人员开发并验证了一个多体有限元（FE）模型，以模拟ATV在不同负载和翻滚条件下的响应。研究中首先基于精确的部件测量，在SolidWorks 2023中构建了包含底盘、悬架、轮胎、转向系统、第50百分位骑手假人、固体附件及拖车在内的详细CAD模型。随后，在Abaqus/CAE 2020环境中，将CAD模型转化为FE模型，通过定义耦合、铰链、MPC连接、 Tie约束及轴向连接器等各类约束来模拟部件间的相互作用。试验中，通过MTS伺服液压试验机测量了不同充气压力下轮胎的载荷-变形关系，并基于试错法反求轮胎的弹性模量；开发专用测试装置测量轮胎的阻尼特性（α）；通过静态和动态试验获取了减震器的弹簧刚度和阻尼系数。为了精确模拟HIC，研究人员利用符合ASTM标准的TRIAX Touch E-Missile冲击测试系统，在三种不同减震表面上进行了不同落高的冲击试验，并基于19 mm E-Layer表面的试验数据，建立了FE预测HIC15值与实验测量值之间的线性回归校正方程（HIC
15,Corrected=0.28 HIC
15,FE）。最后，利用经验证的FE模型，模拟了不同附件配置（无附件、前架、后架、前后架、拖车）和轮胎充气压力（15、30、60 kPa）下的静态倾斜台测试及突发翻滚测试。
**3. 研究结果与分析**
**3.1. 重心（CG）位置评估**
研究人员通过实验和模拟对比了不同配置下ATV的CG高度。结果显示，基线配置的CG最低，而当前后架均满载时CG最高。骑手的存在使CG高度增加了23.6%，而满载配置（骑手加前后架附件）相比基线配置，CG高度增加了约40.19%。FE模型预测的CG高度与实验测量值的平均百分比误差（APE）在0.292%至4.669%之间，验证了模型对质量分布模拟的准确性。
**3.2. 固体附件对静态稳定性的影响**
为评估附件配置和轮胎充气压力对倾斜台比率（TTR）的影响，研究人员对前倾、后倾和侧翻三种工况的试验数据进行了双因素方差分析（ANOVA）。
- **前倾**：附件配置（p < 0.001）和轮胎充气压力（p < 0.001）均显著影响ATV稳定性，但两者交互作用不显著（p = 0.365）。后架配置产生最高的TTR，前架配置最低。TTR随充气压力增加而显著增加，这是由于高充气压力减少了轮胎变形，从而降低了导致翻滚的水平力分量。
- **侧翻**：附件配置（p < 0.001）和轮胎充气压力（p = 0.001）对TTR均有显著影响，且存在显著交互作用（p = 0.003）。与基线ATV相比，前后架均加载的配置在15 kPa压力下TTR降低了31.32%。
- **后倾**：附件配置（p < 0.001）有高度显著影响，轮胎充气压力影响较小（p = 0.032），两者交互作用显著（p = 0.003）。后架负载使TTR相比仅骑手状态进一步降低了44.83%（在60 kPa时），而前架负载则略微增加了TTR。
**3.3. 拖车对静态稳定性的影响**
由于实验设备限制，拖车配置仅通过经过验证的FE模型进行模拟。模拟结果表明，由于拖车轨道宽度大于ATV，无论空载还是满载，拖车配置的TTR均高于单独ATV。此外，满载拖车在翻滚时会使假人更早地与ATV分离，导致假人最终被完全压在ATV与地面之间，增加了挤压窒息的风险。
**3.4. HIC15评估**
研究人员通过模拟突发翻滚试验，计算并利用校正方程修正了各配置下的HIC15值。结果显示，前倾翻滚模式普遍产生最高的HIC15值（范围364-1095），其中前后架均加载的配置达到最大值。后倾（168-495）和侧翻（240-435）模式的HIC15值相对较低。尽管几乎所有预测的HIC15值均低于700的参考阈值，但前倾翻滚产生的高HIC15值风险仍需关注。研究还发现，拖车负载会增加HIC15值，但改善静态稳定性并不一定等同于降低头部损伤风险。
**4. 总结与讨论**
研究结论指出，附件配置是影响ATV静态稳定性的主导因素，后架及前后架组合负载会显著增大翻滚风险；轮胎充气压力作用显著但受附件配置影响。虽然大多数预测HIC15值低于安全阈值，但该研究建立的经过实验验证的多体FE模型和HIC校正方法，为评估难以进行实车测试的危险农用ATV配置提供了一个经济高效的计算框架。该框架对于未来制定更安全的负载管理规范、评估头盔及翻滚保护系统等干预措施的有效性具有重要的理论意义和工程应用价值。研究亦存在局限性，如未考虑动态驾驶条件、假人主动响应以及胸部损伤指标，这些将在未来工作中进一步完善。
