駕駛人乘坐姿態與頭部損傷的相關性分析

張進杰，錢宇彬，王婉秋*，李 威

(1. 上海工程技術大學機械與汽車工程學院，上海 201620；2. 司法鑒定科學研究院上海市司法鑒定專業技術服務平臺，上海 200063)

1 引言

隨著汽車保有量的持續增長，我國道路交通事故發生數量也高居不下，據國家統計局發布的《中國統計年鑒》顯示，2010-2019年間我國交通事故死亡人數總體上呈現出下降的趨勢，但數量依然較大，其中2019年我國道路交通死亡人數為52388人[1]。交通事故中的致傷方式有很多，其中顱腦損傷是汽車碰撞事故中人員傷亡的主要原因之一。世界衛生組織(World Health Organization，WHO)發布的《2018年全球道路交通安全形勢分析報告》指出，在道路交通事故中，四輪汽車司機死亡人數占總死亡人數的36%，居于首位。

隨著計算機技術的日益發展和完善，國內外學者利用仿真分析在人體損傷領域取得了重大的突破和成果。Takhounts[2]等給出了基于腦組織最大主應變(MPS)對應的簡明創傷(AIS)等級顱腦損傷風險曲線，當腦組織最大主應變達到0.45時，發生輕度腦損傷的概率為50%。Kleiven[3]通過重建分析了58起國家美式橄欖球聯盟案例，將計算研究結果通過回歸風險曲線進行數據統計和分析，得出輕度創傷性腦損傷的腦組織應變、應變率、von Mises應力達到6～11kPa時會發生腦挫傷。Willinger[4]等通過分析22例國家美式橄欖球聯盟案例得出，當腦組織von Mises應力達到18kPa時有50%的概率會導致腦震蕩。韓勇等人運用了蒙特卡洛不確定性分析方法對電動二輪車事故進行車速和人員損傷的評價分析，并驗證了其有效性。朱鮮飛[6]等利用計算機仿真研究了不同速度下水平沖擊對于假人頭部傷害的研究。以上的研究均為駕駛人處于正常坐姿條件下開展的，然而實際駕駛環境中，駕駛人的坐姿受駕駛人個人習慣和喜好影響，座椅角度的改變也引起駕駛人坐姿的變化，同時，碰撞前駕駛人可能的離位狀況也不容忽視。因此，有必要針對駕駛人的坐姿的不確定性研究駕駛人坐姿對駕駛人頭部損傷的影響及程度。

本文選取50百分位的Hybrid Ⅲ型假人模型，將假人座椅的角度設置為5種狀態，模擬在不同坐姿條件下，假人在佩戴安全帶及安全氣囊爆開工況下駕駛人的力學指標，分析假人力學指標受假人坐姿的影響及程度，給出駕駛人推薦的坐姿，最后基于國家車輛事故深度調查體系(National Automobile Accident In-depth Investigation System，NAIS)中的真實案例驗證了仿真的有效性。

2 材料與方法

目前我國關于車輛制動階段的仿真研究并沒有統一的假人模型，其中主要應用的有LSTC公司的研發的Hybrid Ⅲ假人模型、豐田開發的THUMS假人模型和AHM主動人體模型。本文采用的是50百分位的Hybrid Ⅲ型男性假人模型以及美國國家碰撞分析中心(National Crash Analysis Center，NCAC)根據2010年款Yaris車型所建立的整車有限元模型。

2.1 安全氣囊工作原理

當撞擊感知器感受到撞擊時，相關的控制系統會根據撞車程度做出判斷并決定是否需要啟動充氣裝置，傳感器發出的信號傳遞到電子控制系統，在電子控制系統的處理之后判斷有必要打開氣袋時，氣體發生器收到由觸發裝置發出的點火信號后會立即觸發，然后產生大量的氣體充滿整個氣袋。由于撞擊過程持續很短，一般氣囊由啟動至完成充氣這個過程大約25-35毫秒。安全氣囊的工作原理如圖1所示。

圖1 安全氣囊工作原理

安全氣囊模型的建立首先進行氣囊的有限元劃分以及氣囊的折疊結構設計，然后進行安全氣囊的參數設置：體積比例因子Vsca和壓力比例因子Psca設置為1，氣體流入阻尼因素D設置為0.05，定容熱容值為設置850J/(kg·K)，定壓熱容值設置為1140J/(kg·K)，輸入氣體溫度設置為756℃，排氣孔系數C23設置為1，泄氣孔面積A23設置為1592mm2，重力轉換系數設置為1。

2.2 頭部損傷標準

頭部主要的損傷形式主要是由于慣性力的影響而造成的腦結構不和或者腦組織脫離頭骨。

頭部損傷耐受度的計算公式如下

(1)

式中：a(t)為頭部撞擊總加速度隨時間的關系曲線(a用g的倍數表示)；t2-t1為HIC取得一個最大值時的時間間隔，在實際發展應用中一般選取的時間間隔為36ms，本文選用的也是HIC36[7]。

目前國際上大都采用AIS(Abbreviated Injury Scale)傷害等級來評價人員所受到的傷害程度。其中，AIS1～2級屬于比較輕的傷害，AIS3～5級屬于比較嚴重的傷害，AIS6級及其以上就會有致死的風險。表1所示的是HIC值與AIS傷害等級之間的關系。

表1 HIC值與AIS代碼的相關性[8]

2.3 有限元約束系統

本文采用的基礎的整車模型如圖2所示，該模型共包含1488581個節點，940個零件。將該模型的正面碰撞試驗仿真結果與美國國家高速公路安全管理局(National Highway Traffic Safety Administration，NHTSA)進行的實車試驗結果進行比較，如圖3所示，可知該實車試驗與仿真結果一致性較好，證明了該整車模型具有良好的可靠性。本文為計算方便，已將約束系統簡化。

圖2 2010年款Yaris有限元模型

圖3 正面碰撞試驗與仿真結果對比

2.4 50百分位的Hybrid Ⅲ型假人模型

根據試驗的要求，本文使用的是Hybrid Ⅲ型第50百分位男性假人，如圖4所示，其具有良好的重現精度和測量精度，這是一種中等體型的假人，其具體參數如表2所示。

圖4 Hybrid Ⅲ型第50百分位男性假人模型

表2 美國第50百分位與中國各百分位成年男子人體尺寸比較[9]

Hybrid Ⅲ型假人頭部由鑄鋁制成，皮膚由可拆卸的乙烯基橡膠制成，頸部由分段橡膠和中空鋁制框架制成，可以適當模擬假人頭部的彎曲和伸長。胸腔由高強度鋼和聚合體減震材料組成，它可以真實地反應人體胸部的彎曲特性。頸部和胸部之間的角度可以通過支架調節。傳感器安裝在支架內，安全帶的壓力可以由肩胛骨和鎖骨上的傳感器測量。腰椎由橡膠制成，它可以模擬人的坐姿。大腿骨和脛骨可以測量肌腱的張力并預測骨折的發生。

目前試驗中的假人模型主要是LSTC公司的研發制作的，本次研究使用的也是LSTC公司的有限元假人模型，這個模型是根據美國第50百分位成年男性的體型制作的，與1988年我國成年男子人體尺寸有所差異，但如今我國各方面發展迅猛，國民身體素質也有所提高，所以該模型對于我國也具有很好的參考意義。

3 試驗分析

3.1 試驗條件

為了研究駕駛人在正確使用安全帶的條件下氣囊點爆與頭部碰撞的過程，并考慮不同個體的行為習慣和存在離位等情況，將假人身體傾斜的角度設置為80°，90°，100°，110°，120°共五種姿態，如圖5所示。根據現行美國法規標準，將試驗條件設置為車速為48km/h的正面碰撞。使用LS-DYNA進行仿真計算，時間為120ms，并查看其各項力學特性曲線，研究其損傷規律。

圖5 五種乘坐姿態

3.2 仿真過程

在LS-PrePost中查看氣囊點爆的過程動畫，圖6為假人在不同時刻的運動學響應過程。其中假人的頭部是無約束的狀態，由于安全氣囊的拉帶長度是一定的，隨著假人坐姿的改變，假人頭部與安全氣囊之間的距離也會發生變化，顱腦相應的參數也會發生變化。在仿真動畫中分別選取了t=0ms碰撞初始時刻，t=20ms安全氣囊剛剛沖開內飾蓋的時刻，t=25ms氣囊展開并與假人胸部接觸的時刻，t=30ms氣囊與假人頭部接觸時刻，t=65ms氣囊完全展開的時刻以及t=120ms碰撞結束時刻。

圖6 氣囊點爆過程

4 討論

當假人的乘坐姿態不同時，假人頭部與安全氣囊之間的距離就會改變，由于安全氣囊的拉帶長度是一定的，隨著假人乘坐姿態的不同，氣囊彈出時對假人頭部造成的傷害也會有所變化。取假人頭部的損傷值(本文默認為假人頭部的加速度)作為性能評價指標，加速度峰值越小，則說明損傷越小，加速度峰值越大，則說明頭部的損傷就越大。為了后續敘述的方便，本研究規定座椅角度(即假人身體傾斜角度)為80°時為第一種乘坐姿態，座椅角度為90°時為第二種乘坐姿態，座椅角度為100°時為第三種乘坐姿態，座椅角度為110°時為第四種乘坐姿態，座椅角度為120°時為第五種乘坐姿態。

4.1 假人頭部加速度分析

在LS-DYNA中對五種姿態進行計算，并查看其頭部加速度曲線，選擇sae將其進行濾波處理，得到的計算結果如圖7所示。

由圖7可知，五種姿態碰撞時假人頭部HIC最大值分別為840.3，464.9，167，167.9，172.6。五種姿態碰撞時假人頭部加速度最大值分別為219.49mm/ms2，58.343mm/ms2，4.4567mm/ms2，9.257mm/ms2，15.321mm/ms2。第一種姿態與后面四種差異較大，其中第一、二種姿態分別可對人體造成嚴重損傷和中度損傷。第三、第四、第五種姿態的HIC值和加速度大小都很接近，因此后面三種姿態對于駕駛員的損傷較小。

4.2 能量變化分析

在LS-DYNA中查看五種姿態的能量變化曲線，如圖8所示，其中A、B、C曲線分別為假人的動能、內能和總能量的變化曲線。

由圖8可知，五種姿態都是在15ms左右能量開始變化，在40ms左右趨于穩定。其中，第一種姿態和第二種姿態的能量變化圖比較相似，它們的總能量最后穩定于800J左右，后面三種姿態的能量變化圖也較為相似，其中第三種姿態的能量變化最小，為553.08J，比較五種姿態的能量變化，第三種姿態即座椅角度為100°時對人體頭部的損傷最小。

4.3 應力應變分析

在Hyperview中查看假人不同乘坐姿態的應力云圖，如圖9所示。

由圖9可知，前兩種姿態中假人頭部的應力比較大，后三種姿態對人體的損傷較小，且后三種姿態的應力相差不大，因此只考慮應力情況，后面三種工況較好。

5 結果驗證

提取國家車輛事故深度調查體系(National Automobile Accident In-depth Investigation System，NAIS)數據庫中的一起蒙迪歐與榮威的側碰事故案例，該事故信息如下：2017年1月，在上海市松江區某路段，唐某駕駛一輛榮威行駛至交叉路口時，與蔣某駕駛的蒙迪歐發生碰撞，兩車的碰撞過程如圖10所示。

圖10 碰撞過程圖

由于沒有視頻資料，根據事故采集情況顯示兩車碰撞關系如圖11所示，榮威的安全氣囊展開情況如圖12所示。事故造成榮威駕駛員受輕傷，副駕駛乘客嚴重受傷，根據數據庫資料，主駕駛座椅角度為100°，副駕駛座椅角度為90°，根據交警資料司法鑒定書顯示，副駕駛乘員受傷原因為輕度腦損傷，初步推測副駕駛乘客在碰撞前已處于離位狀態。

圖11 蒙迪歐與榮威碰撞對應關系

圖12 榮威安全氣囊展開情況

由于榮威車頭右前方撞到了蒙迪歐正前方，榮威副駕駛位受到的沖擊比主駕駛大，副駕駛乘員的離位程度也更大，副駕駛乘員輕度腦損傷，根據表2，可知其HIC在250～750，與本文第二種姿態即座椅角度為90°時的仿真結果正好對應，所以在一定程度上，本文的仿真過程及其結果具有很好的參考價值。

6 結論與展望

采用Hybird Ⅲ型第50百分位男性假人模型，模擬駕駛人在合理使用安全帶情況下改變其乘坐姿態或座椅角度，查看其碰撞后頭部生物力學各項指標的響應變化，得出了以下結論。

1)在本文設置的試驗條件下，隨著駕駛員身體傾斜角度(座椅角度)的增大，頭部受到的線性沖擊力和顱腦的各項生物響應的最大值均呈現出下降的趨勢，并且顱腦損傷程度也會降低。

2)當座椅角度小于90°時，駕駛員的能量波動比較大，碰撞時對駕駛員造成傷害的可能性也增大。

3)當座椅角度大于90°時，駕駛員的能量波動相對較小，為保護乘員安全，建議駕駛員應保持身體傾斜程度(座椅角度)在100°左右。

另外，本文的研究也有不足之處，由于本文在變換假人姿態時未考慮到各個年齡段身體素質的差異問題，也沒有考慮駕駛員的舒適性問題。后續研究會在自動駕駛工況下探討車輛碰撞后人員損傷的問題。