乘員下潛傾向判斷準則的研究*

唐 亮，劉晉浩，程朋樂，周 青，王青春

(1.北京林業(yè)大學工學院，北京 100083; 2.清華大學，汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室，北京 100084)

前言

安全帶的使用大大降低了乘員在碰撞事故中的傷亡［1］。安全帶正確的作用位置為乘員的肩部、胸部和髖部。但若在碰撞過程中乘員安全帶的腰帶滑離乘員的髖骨，直接作用于腹部和內臟器官;安全帶的肩帶滑離并直接作用于乘員的頸部等，這種現(xiàn)象稱為下潛［2－3］。下潛是碰撞事故中非常危險的一種現(xiàn)象，可能對乘員造成嚴重的傷害。

現(xiàn)有關于下潛的研究主要分為3類:(1)下潛的定義和表征［4－7］;(2)下潛的測量［8－10］;(3)下潛的預防［11－13］。雖然對下潛發(fā)生的判斷比較清楚，但實際上，不同工況下發(fā)生下潛的可能性或傾向并不相同，目前關于乘員下潛傾向判斷準則的研究較少。

據(jù)此，作者在前期關于乘員下潛機理的理論研究中初步提出了幾個乘員下潛傾向的判斷準則［14－15］。本文中進一步分析和完善了其中兩個較為合理有效的準則，并將其中一個應用到安全帶腰帶走向對下潛傾向的影響分析中。首先，基于安全帶腰帶與骨盆間的相對運動理論提出了兩個能有效判斷正面碰撞中下潛傾向的準則;然后，采用混III 5百分位女性假人正面碰撞的有限元模型對下潛傾向判斷準則進行了驗證;最后，應用所驗證的下潛判斷準則，評估安全帶腰帶水平角度對乘員下潛傾向的影響。

1 下潛傾向判斷準則

提出兩個下潛傾向的判斷準則:(1)安全帶腰帶在骨盆上的相對位置(lap belt position on pelvis，LBOP);(2)髂骨傳感器的力矩與力的比值(iliac wing moment-to-force ratio，IMFR)，以量化下潛傾向，進行乘員約束系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化計算或敏感性分析，從而指導乘員約束系統(tǒng)的防下潛設計。

1.1 安全帶腰帶在骨盆上的相對位置

圖1為美國第一技術公司(FTSS)開發(fā)的混III 5百分位女性假人髖部有限元模型的側視圖［16］，其中p表示髂骨支撐的髖部皮膚的高度，也可近似作為大腿到腹部的距離，q表示髂骨傳感器的高度。對于混III 5百分位女性假人，p和q的值分別為40和50mm;對于混III 50百分位男性假人，分別為76.3和95.3mm。由于小身材的假人更容易發(fā)生下潛［2］，本文中選擇5百分位女性假人為研究對象。

定義ΔL為安全帶織帶的下端到大腿的距離，如圖2所示。在碰撞過程中，當ΔL＞p時，表明安全帶腰帶已經(jīng)完全滑離骨盆，直接作用在腹部軟組織上，即發(fā)生了下潛。當腰帶尚未完全滑離骨盆，ΔL的數(shù)值也可以作為衡量下潛傾向的參數(shù)，即ΔL值越大，下潛的傾向也越大。

為方便不同尺寸假人之間的比較，前面已定義一個無量綱參數(shù)LBOP指標來判斷下潛的傾向和下潛的發(fā)生，即

式中:LBOPL和LBOPR分別為乘員左側和右側的下潛傾向判斷指標。作為下潛傾向的衡量指標，如果LBOP值的變化范圍在－1～0之間，則有LBOP值越大，下潛傾向越大;如果LBOP大于或等于0表明下潛已經(jīng)發(fā)生。

1.2 髂骨傳感器的力矩與力的比值

在碰撞試驗中，安全帶相對于骨盆的瞬時位置可能難以測得，但通過髂骨力傳感器輸出的安全帶作用下的瞬時力與力矩，可間接估算得到安全帶相對于骨盆的位置。

混III 5百分位女性假人髂骨左右兩翼的傳感器，如圖3所示，可分別測量髂骨左右兩翼的力FL、FR與力矩ML、MR(只考慮安全帶腰帶對髂骨的作用力，其余可能作用于髂骨的力和力矩可以忽略不計)。力和力矩的正方向定義見圖3。安全帶相對于髂骨兩翼的位置可用前面已定義的IMFR來表示，即

式中:IMFRL和IMFRR分別為髂骨左翼和右翼傳感器的力矩與力的比值。為使IMFR指標與LBOP指標對下潛傾向的判斷一致，在式(2)的定義中添加了一個負號，可以使IMFR值越大，下潛傾向越大。若IMFR為正值，則表示安全帶在相對應的髂骨傳感器中軸線的上方;若IMFR為負值，則表示在該中軸線的下方。IMFR判斷指標與LBOP判斷指標的關系為

IMFR值反映了安全帶相對于髂骨傳感器中軸線的位置。作為下潛傾向的判斷指標，對于混III 5百分位女性假人，IMFR值應在－15～25mm之間。當IMFR值大于q/2時，表明下潛已經(jīng)發(fā)生。例如，對于混III 5百分位女性假人，當IMFR＞25mm時，下潛發(fā)生。

2 下潛傾向判斷準則的驗證

在LS-DYNA平臺上，用混III 5百分位女性假人進行了48km/h臺車正面碰撞試驗的有限元模擬，來驗證LBOP和IMFR下潛傾向判斷準則的有效性。臺車碰撞加速度波形的時間歷程曲線如圖4所示。乘員約束系統(tǒng)的設置均滿足FMVSS法規(guī)的要求［17］。安全帶與假人之間的間隙定義為100mm，其中肩帶間隙為70mm，腰帶間隙為30mm。為表述方便，定義此模型為基準模型。

在基準模型中，將座椅靠背角度δ設置為25°，座椅椅墊角度α設置為10°，安全帶與碰撞假人間的滑動摩擦因數(shù)設置為0.3(記之為:Back_25°模型)，模型的初始構型如圖5所示。Back_25°模型的碰撞模擬動畫如圖6所示，在整個碰撞過程中，安全帶腰帶始終作用在骨盆上，沒有發(fā)生下潛。

在Back_25°模型的基礎上設置并運算另外兩個模型，一個模型在安全帶鎖扣端加裝預緊器(記之為:BucklePre_25°)，另一個模型在安全帶錨點端加裝預緊器和安全帶單向鎖止器(記之為:AnchorPre_25°)。通常情況下，安全帶被鎖扣劃分為肩帶和腰帶部分，安全帶肩帶和腰帶可以在鎖扣處雙向竄動。單向鎖止器允許安全帶腰帶滑向肩帶，阻止安全帶的肩帶滑向腰帶。兩個模型中的安全帶預緊器的最大預緊行程均定義為50mm，預緊器的觸發(fā)時間定義為碰撞發(fā)生后的10ms。

圖7和圖8分別為 BucklePre_25°模型和AnchorPre_25°模型在碰撞過程中的模擬動畫。由圖可見，BucklePre_25°和 AnchorPre_25°兩個模型在碰撞過程中都沒有發(fā)生下潛現(xiàn)象。使用鎖扣預緊器可以很快地在碰撞初始時刻消除安全帶與假人之間的間隙，從而提供更有效的骨盆約束力，以減小下潛傾向;使用錨點預緊器和單向鎖止器可以更大程度地減小下潛傾向，錨點預緊器消除了腰帶和假人骨盆之間的間隙，同時安全帶單向鎖止器可在整個碰撞過程中有效阻止安全帶肩帶進入腰帶部分，防止增加腰帶與假人之間的間隙。這些措施都可為假人骨盆提供有效的約束力，從而減小下潛的傾向。

下面分別用上述3個模型評價LBOP和IMFR準則預測下潛傾向的有效性。

2.1 LBOP準則的驗證

計算仿真可以輸出安全帶腰帶在骨盆上的滑動距離ΔL，由式(1)計算得到對應的LBOP值，表1列出了LBOP峰值。3個模型的LBOP峰值均為負，根據(jù)LBOP下潛判斷準則可以得出下潛均未發(fā)生;進而根據(jù)LBOP值列出3個模型的下潛傾向的排序。

表1 LBOP峰值

2.2 IMFR準則的驗證

計算仿真可以輸出髂骨兩翼的力和力矩，表2列出IMFR峰值，由式(2)計算得到3個模型的IMFRL和IMFRR時間歷程曲線，如圖9所示。在碰撞初期和末期，髂骨受到的力和力矩接近零，按式(2)作除法運算會有較大誤差，因此IMFR曲線的計算只包含了髂骨力和力矩相對較大的時間段，對于48km/h的正面碰撞，這個時間段為60－100ms。

表2 IMFR峰值

根據(jù)IMFR準則可知:(1)3個模型的IMFR值均小于25mm，可以判斷這3個工況都沒有發(fā)生下潛;(2)對于 AnchorPre_25°模型，由于 IMFR值為負，可以判斷安全帶腰帶處于髂骨傳感器中軸線的下方，即下潛傾向較小;(3)對于 Back_25°和BucklePre_25°模型，由于IMFR值為正，可以判斷安全帶腰帶處于髖骨兩翼傳感器中軸的上方，即下潛傾向較大。

可見IMFR準則與LBOP準則預測的下潛傾向一致。

3 下潛傾向判斷準則的應用

在臺車碰撞有限元基準模型基礎上，對比了安全帶地板固定點分別在A、B、C 3處時的下潛傾向，如圖10所示。計算模擬中椅背角度δ=30°，椅墊角 度 α =10°。 按 照MVSS210 法 規(guī) 規(guī) 定［18］，在地板固定點處安全帶走向的水平角β應為30°～75°。圖 10中安全帶地板固定點A、B、C分別對應的安全帶水平角β為 73°、52°、45°，均 在MVSS 210法規(guī)規(guī)定的范圍內。

針對不同的安全帶地板固定點的工況進行碰撞模擬，表3列出這3種工況下表征乘員下潛傾向的參數(shù)值，3個工況的LBOP時間歷程曲線如圖11所示。當 β 為45°時，LBOPL和 LBOPR峰值大于0，基于LBOP準則可知，此工況發(fā)生了下潛;當β為73°和52°時，LBOPL和 LBOPR峰值小于 0，即沒有發(fā)生下潛現(xiàn)象;同時，隨著β的增大，LBOPL和LBOPR減小，根據(jù)LBOP下潛傾向判斷準則可以得出，β越大，下潛傾向越小。

表3 不同β角的下潛參數(shù)和下潛判斷

3個工況的碰撞模擬動畫如圖12所示。由圖可見:β為73°和52°時，在碰撞過程中下潛沒有發(fā)生;β為45°時，在85ms時，安全帶腰帶侵入腹部，即下潛發(fā)生。碰撞模擬動畫進一步驗證了LBOP指標對下潛傾向的判斷。

從力學機理上進一步分析，安全帶腰帶與水平方向角度對乘員下潛傾向的影響實際上可以歸結于安全帶張力對髖部力矩的影響。髖部力矩理論［10］表明，假人髖部的逆時針轉動(按圖10的視角)的傾向可以降低假人的下潛傾向。作用于髖部質心處的合力矩主要由以下幾個力和力矩貢獻:安全帶腰帶張力、假人上體在腰椎處對髖部產生的力和力矩、座椅坐墊對髖部的垂直和水平作用力、大腿給髖部的作用力等。其中安全帶腰帶張力對髖部產生力矩的方向(順時針還是逆時針)取決于腰帶的角度β。當β較大時(如圖10中固定點A位置)，腰帶的走向通過髖部質心的下方，腰帶張力對髖部產生逆時針方向的力矩，可降低假人的下潛傾向;當β較小時(如圖10中固定點C位置)，腰帶的走向通過髖部質心的上方，腰帶張力對髖部產生順時針力矩，增加假人的下潛傾向。綜上所述，下潛判斷準則的預測結果與下潛產生的力學機理分析結果一致。

4 結論

在乘員約束系統(tǒng)設計中須考慮如何避免乘員下潛的發(fā)生。判斷下潛發(fā)生與否只須判斷安全帶腰帶是否完全滑離髖部并侵入腹部，但是，在下潛不發(fā)生的情況下，不同的約束系統(tǒng)設計和在不同碰撞工況下發(fā)生下潛的傾向不同。判斷發(fā)生下潛的傾向需要一個量化的指標和準則。本文中提出了兩個判斷下潛傾向的準則，即LBOP準則和IMFR準則，并用臺車正面碰撞的有限元模型驗證了這兩個準則的有效性。最后應用LBOP準則，評估了安全帶腰帶水平角度對乘員下潛傾向的影響，結果表明，隨著安全帶腰帶與水平方向夾角的增大，下潛傾向會降低。

仿真驗證所建立的下潛傾向判斷準則合理有效，有助于進一步研究下潛發(fā)生的機理和設計防止下潛的乘員保護措施。本文中分析了安全帶固定點位置對乘員下潛傾向的影響，除此以外，座椅靠背角度和坐墊角度對下潛和下潛傾向亦有很大影響。這些約束系統(tǒng)參數(shù)對乘員下潛傾向的影響，均可以應用LBOP和IMFR準則進行分析和優(yōu)化，這也是后續(xù)要開展的研究工作。

［1］Klima M E，Toomey D E，Weber M J.Seat Belt Buckle Performance in High Energy Wheel-to-Ground Impacts［C］.SAE Paper 2005－01－1709.

［2］Horsch J D，Hering W E.A Kinematic Analysis of Lap-Belt Submarining in Test Dummies［C］.SAE Paper 892441.

［3］Wiechel J，Bolte J.Response of Reclined Post Mortem Human Subjects to Frontal Impact［C］.SAE Paper 2006 －01 －0674.

［4］Adomeit D，Herger A.Motion Sequence Criteria and Design Proposals for Restraint Devices in Order to Avoid Unfavorable Biomechanic Conditions and Submarining［C］.SAE Paper 751146.

［5］Leung Y C，Tarriere C，F(xiàn)ayon A，et al.A Comparason Between Part 572 Dummy and Human Subject in the Problem of Submarining［C］.SAE Paper 791026.

［6］O'Connor C S，Rao M K.Dynamic Simulations of Belted Occupant with Submarining［C］.SAE Paper 901749.

［7］Deng Y C.Development of a Submarining Model in the CAL3D［C］.SAE Paper 922530.

［8］Rouhana S W，Horsch J D，Kroell C K.Assessment of Lap-Shoulder Belt Restraint Performance in Laboratory Testing［C］.SAE Paper 892439.

［9］Rouhana S W，Viano D C，Jedrzejczak E A，et al.Assessing Submarining and Abdominal Injury Risk in the Hybrid III Family of Dummies［C］.SAE Paper 892440.

［10］Couturier S，F(xiàn)aure J，Satué R，et al.Procedure to Assess Submarining in Frontal Impact［C］.International Conference on Experiential Safety Vehicle(ESV)，2007，Paper number:07 －0481.

［11］Adomeit D.Seat Design-A Significant Factor for Safety Belt Effectiveness［C］.SAE Paper 791004.

［12］Haland Y，Nilson G.Seat Belt Pretensioners to Avoid the Risk of Submarining—A Study of Lap-Belt Slippage Factors［C］.In Proceedings of 13th International Conference on Experiential Safety Vehicle(ESV)，1991.

［13］Song D，Brun-Cassan F，Le Coz J Y，et al.Finite Elements Simulation of the Occupant/Belt Interaction:Chest and Pelvis Deformation，Belt Sliding and Submarining［C］.SAE Paper 933108.

［14］唐亮.汽車座椅靠背后傾工況下的碰撞安全性分析［D］.北京:清華大學汽車工程系，2010.

［15］Tang L，Zhou Q.A Theoretical Study of Submarining Tendency of a Hybrid III 5th Percentile Female Dummy［C］.Proceedings of the ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition 2009，IMECE2009 －12567.Lake Buena Vista，F(xiàn)lorida，USA.November 13 －19，2009.

［16］First Technology Safety Systems.Hybrid III 5th Percentile Female Dummy LS-DYNA Model User Manual［G］.Version V5.1，2005.

［17］Federal Motor Vehicle Safety Standard.“208.”O(jiān)ccupant Crash Protection，CFR 49.571.208［S］.2005.

［18］Motor Vehicle Safety Standard No.210.Seat Belt Assembly Anchorages-Passenger Cars［S］.Multipurpose Passenger Vehicles，Trucks ＆ Buses.July，1998.