汽車正面碰撞乘員非正常坐姿下的損傷研究

顏伏伍

摘要：為研究汽車正面碰撞時副駕駛乘員非正常坐姿對其損傷的影響，根據實車碰撞試驗數據，建立車輛約束系統的MADYMO多剛體仿真模型。利用整車有限元仿真模型開展車速為56km/h的100%正面剛性壁碰撞，將假人定位并調整其參數。將提取相關參數并導入MADYMO多剛體仿真模型，分析乘員碰撞前的2種大幅度姿態對其碰撞后損傷風險的影響，并對比頭部損傷指數（HIC）、頸部彎矩、胸部加速度、胸部壓縮量以及腿部的受力情況。結果表明，碰撞時副駕駛乘員的坐姿對身體各個區域的損傷風險有較大影響。

關鍵詞：100%正面碰撞;乘員坐姿;損傷風險

0 ?引言

據交通事故統計，正碰在所有汽車事故中占比最高且乘員損傷比例也最高[1]。在汽車正面碰撞事故中，乘員約束系統對人體的保護起著關鍵性作用。約束系統設計都是依靠法規或行業標準進行設計[2][3]。Adam等[4]表明在某些交通事故中標準設計的約束系統會增加乘員的損傷風險。文獻[5]對車輛正面碰撞人體損傷風險敏感性進行了研究，結果表明駕駛人坐姿是影響整體損傷風險最顯著的因數。鞠海蒙等[6]研究了車輛正碰時假人上軀干傾角變化對人體頭、胸部傷害的影響，結果表明安全氣囊的保護效果隨著上軀干傾角的改變而變化。綜上所述，汽車正面碰撞下駕駛人坐姿對約束系統的保護效果有較大影響。

多數研究是汽車正面碰撞駕駛人小幅度的非正常坐姿對損傷風險的影響[4-7]。而相對于駕駛側，副駕駛側的空間更大。乘員為了獲得更好的舒適性，坐姿通常隨意非標準化，可能會翹起小腿或更大角度的后放座椅后背，非正常坐姿幅度更大。在汽車發生正面碰撞時，副駕駛乘員的損傷風險可能會更大。因此，本文通過使用多剛體動力學軟件MADYMO建立副駕駛室正面碰撞模型，以假人頭部傷害指數（HIC）、頸部彎曲力矩（My）、胸部加速度、胸部變形量、大腿壓縮力（Fz）及小腿壓縮力（Fz）等參數，利用仿真模型分析坐姿對副駕駛乘員傷害的影響，為汽車自適應約束的設計提供理論依據。

1 ?模型的建立

在MADYMO軟件中固定好假人H點，調整假人處于正常坐姿。基于假人正常坐姿模型，通過對假人鉸鏈及座椅靠背傾角的調節，實現2種非正常坐姿姿態。一種是假人翹腿坐姿（圖1a），另一種是后仰坐姿（圖1b）。

2 ?結果

由圖2a可以看出，翹腿姿態頭部合成加速度峰值以及響應時刻與正常坐姿基本一致。而后仰姿態假人頭部合成加速度相應時刻延遲，最大數值為849.4m/s2（@95ms）;其次是翹腿坐姿假人頭部合成加速度，數值為730.9m/s2（@89ms）;正常坐姿假人頭部合成加速度最小，數值為726.1m/s2（@76ms）。翹腿姿態假人HIC36峰值為1041.4;正常坐姿假人HIC36峰值為927.7，翹腿坐姿假人HIC36峰值為670.5。

從圖2b可以看出，翹腿和后仰兩種坐姿下產生的頸部前屈彎矩和后仰彎矩都要比正常坐姿的大。后仰坐姿假人頸部最大前屈彎矩和后仰彎矩分別為90.1Nm（@72ms）和56.8Nm（@107ms）;翹腿坐姿假人頸部最大前屈彎矩和后仰彎矩分別為61.7Nm（@83ms）和88.0Nm（@103ms）;正常坐姿假人頸部最大前屈彎矩和后仰彎矩值分別為21.9 Nm（@64ms）和26.9Nm（@78ms）。

從圖3b可以看出，翹腿坐姿下假人胸部最大壓縮量為45.0mm（@75ms）;正常坐姿假人胸部最大壓縮量為36.5mm（@63ms）;后仰坐姿假人胸部最大壓縮量為18.2mm（@64ms）。而后仰坐姿假人胸部最大加速度數值為515.7m/s2（@70ms）;翹腿坐姿假人胸部最大加速度為439.2m/s2（@61ms），正常坐姿假人胸部最大加速度為423.5m/s2（@59ms）。

3 ?討論與結果

從圖2a分析可知，翹腿姿態假人在碰撞后去頭部加速度出現二次峰值，這是由于假人頭部在碰撞后期發生偏轉，從氣囊右側滑下撞擊到翹起的右腿導致的。后仰坐姿假人頭部加速度響應時刻延遲，假人的“飛行”時間增加，肩帶滑落不能起到很好地約束作用，安全帶吸收的能量較少，氣囊則吸收了較多的能量，從而導致了后仰坐姿假人頭部加速度增加。

從圖2b分析可知，在碰撞69ms以后，頸部后仰彎矩急劇增大;而前屈彎矩增加，這是由于碰撞后期翹腿坐姿假人頭部沒有得到良好的支撐。后仰坐姿假人頸部后仰彎矩在碰撞過程中急劇增大，這是由于在碰撞中期肩帶滑落至假人頸部，導致假人頸部產生很大的后仰彎矩。

從圖3中分析可知，翹腿坐姿假人胸部壓縮量有所增加，這是由于翹腿坐姿假人在碰撞后期頭部發生偏轉從氣囊右側滑出，氣囊沒有很好地支撐假人胸部造成的。后仰坐姿假人在碰撞中，肩帶滑落沒有對假人起到很好地約束，則胸部變形量略小，胸部加速度加大。

綜合可得，汽車發生正面碰撞時，非正常坐姿乘員損傷風險提高，主要是由于特定設計標準下的約束系統無法滿足非標準坐姿下的約束能力。比如乘員大幅度后仰，離氣囊的距離增加，若氣囊按設定時間起爆，將無法滿足原設計接觸剛度。可以通過傳感器或攝像頭等設備設計一款乘員坐姿識別系統，且設計相關算法時刻改變約束系統相關參數（氣囊剛度、氣囊起爆時間、安全帶預緊等），或對乘員坐姿進行分類并設計相對應的約束系統參數。在乘員不同坐姿碰撞下自適應的改變約束系統參數，對乘員實施最優的保護效果。

參考文獻：

[1]公安部交通管理科學研究所.中華人民共和國道路交通事故統計年報（2015年度）[R].2016，6.

[2]Federal motor vehicle safety standard 208 [S].2015.

[3]GB11551—2014，汽車正面碰撞的乘員保護[S].

[4]Adam T ， Untaroiu C D . Identification of occupant posture using a Bayesian classification methodology to reduce the risk of injury in a collision[J]. Transportation Research Part C Emerging Technologies， 2011， 19（6）：1078-1094.

[5]Bose D ， Crandall J R ， Untaroiu C D ， et al. Influence of pre-collision occupant parameters on injury outcome in a frontal collision[J]. Accident Analysis and Prevention， 2010， 42（4）：1398-1407.

[6]鞠海蒙，沈輝，孫亞，等.汽車正面碰撞中人體坐姿對駕駛員傷害的分析[J].機械工程與自動化，2015（5）.

[7]唐燦，李平飛，黃海波，等.汽車正面碰撞中駕駛人坐姿對其損傷影響研究[J].中國安全科學學報，2017（3）.