基于Thor-AV假人有限元模型的不同坐姿乘員損傷分析

李琨 劉玉濤 周大永,2 王鵬翔 祝賀 呂曉江,2

（1.吉利汽車研究院（寧波）有限公司，寧波 315335；2.湖南大學，汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082）

1 前言

交通事故每年在全球造成近135 萬人死亡，其中汽車使用者的死亡比例高達29%，正確使用安全帶可使駕駛員和前排乘員的死亡風險降低45%～55%，后排乘員死亡和重傷的風險降低25%[1]。

現階段自動駕駛技術匯集了各種新興技術，智能座艙的研究在不斷深入。Martin 等[2-3]研究發現，通過增大靠背角可以實現更舒適的姿態，然而隨著靠背角度的增大，與常規坐姿相比，乘員腰椎位置遭受更大的損傷風險，并通過在滑軌上加裝限力裝置有效減輕了乘員腰部損傷。Lin 等[4]研究發現，大角度坐姿相較于常規坐姿更易使乘員受傷。Reed等[5]通過志愿者試驗建立回歸方程預測坐姿改變所需的安全帶位置的變化，以達到更好的保護效果。李海巖等[6]研究了不同坐姿下的兒童頭部傷害，發現坐姿角度的增大會導致腦組織慣性損傷加劇，但頸部傷害無增大的趨勢。在零重力環境下，人體往往表現出放松及沒有外力作用的特定的姿態，即中位身體姿態（Neutral Body Posture，NBP），Han 等[7]采用多機位的三維測量技術觀察太空飛行中機組成員的身體姿態，得到了更為準確的中位身體姿態。研究人員將這種中位姿態引入汽車座椅開發，提高乘員的安全性和舒適性[8]。

乘員安全是自動駕駛汽車發展的關鍵，新的駕駛工況對車內乘員保護提出了新的挑戰。然而當前汽車乘員安全保護技術開發主要集中在傳統工況下，各國新車評價規程中應用Hybird Ⅲ假人或者Thor 假人對正面碰撞工況進行乘員損傷分析，但并未針對智能駕駛工況下軀干角度較大的碰撞工況進行開發。本文應用為大角度軀干設計的Thor-AV假人，調整副駕駛員側座椅靠背和座墊角度，研究在未來智能駕駛工況下，乘員在不同坐姿角度條件下的傷害情況，以期為智能駕駛工況下的乘員保護提供參考，為零重力座椅的開發提供數據支持。

2 材料與方法

本文的假人有限元模型采用Thor-AV 50M假人，該假人是基于Thor-50M設計的一種新型擬人試驗裝置（Anthropomorphic Test Device，ATD），可以更好地表征碰撞場景中的人體形態，尤其是自動駕駛座椅環境中的人體形態。該模型質量為85.1 kg，具有超過150個數據采集通道，包括加速度、力和彎矩等[9]。

汽車結構及座椅有限元模型采用開發中的某款車型數據，應用Thor-AV 假人模型與汽車座椅有限元模型，根據中國新車評價規程（China New Car Assessment Program，C-NCAP）正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗要求[10]，在有限元前處理軟件ANSA中設置仿真參數，假人位于副駕駛員座椅處，碰撞初始速度為50 km/h，安全帶采用預緊限力安全帶。通過調整座椅座墊、靠背角度以及Thor-AV 有限元模型的姿態，共設置3 組仿真工況，模型搭建如圖1所示，具體參數如表1所示。

表1 仿真工況設置

表2 所示為提取的3 組假人頭部損傷仿真數據，由圖2 可知：在42°靠背角度下，假人的BrIC 為0.88，在3 組仿真中最小；隨著座椅靠背角度的增大，假人頭部BrIC逐步變大，最終穩定在1.10附近。

圖1 不同坐姿仿真設置

3 仿真結果

3.1 假人運動學響應

圖2 所示為碰撞過程中假人運動學響應示意，每10 ms 截取一幀運動圖像，從圖2 中可以看出：骨盆角度增大后，安全帶腰帶不能很好地作用到髂骨翼上，在碰撞過程中隨著靠背角度的增大，假人的下潛現象更加明顯；由于假人初始位置相對靠后，碰撞過程中僅在42°靠背角情況下假人頭部可接觸到安全氣囊，3 組仿真中安全氣囊均未起到保護作用。

圖2 假人運動學響應

3.2 頭部損傷

根據C-NCAP碰撞試驗要求對頭部質心合加速度數據進行CFC 1 000濾波，提取了3組仿真假人頭部線性合加速度圖像，如圖3 所示。由圖3 可知：碰撞過程中乘員頭部具有相同的運動趨勢，其中62°座椅靠背角度工況下乘員的頭部合加速度最大，為61.7g，此時乘員因線性載荷造成的頭部損傷最大；靠背角度為42°時的頭部合加速度最小，為53.5g，此工況下乘員頭部線性載荷傷害最小。

圖3 頭部合加速度

腦組織受到外部力的作用會產生平移或旋轉運動，由于線性加速度或者角加速度的存在，可能導致腦組織變形，出現腦組織損傷。關于腦組織損傷的主要因素，當前主流的看法是線性加速度和旋轉加速度的共同作用[11]。本文通過對假人提取由線性載荷造成的頭部傷害指標（Head Injury Criteria，HIC）及由旋轉載荷造成的腦組織損傷標準（Brain Injury Criteria，BrIC）結果綜合判斷假人在碰撞過程中的頭部傷害情況。

HIC 被視為與受頭部平移加速度影響較大的顱骨骨折和腦挫傷相關聯的指標[11]，其求解公式基于韋恩州立大學耐受性曲線定義，適用于不同的頭部加速度波形：

式中，t1、t2分別為HIC 取得最大值區域的起始時刻和終止時刻，在實際應用中選取的時間間隔一般不超過15 ms；a(t)為頭部質心合成加速度。

《C-NCAP管理規則》[10]規定乘員HIC15的最大值為700。通過提取假人HIC15，結合碰撞過程中的乘員運動學圖像可以發現：在靠背角為42°的仿真中，乘員頭部初始位置相對常規姿態與儀表板距離更遠，在碰撞過程中乘員頭部并未有效接觸安全氣囊，假人HIC15為300；隨著座椅靠背角度的增大，乘員頭部在碰撞運動過程中未接觸到安全氣囊，假人HIC15逐步增大，在靠背角度為62°時HIC15達到3 組試驗的最大值335.5。

通過對碰撞過程假人運動學圖像進行研究，發現在正面碰撞過程中由于慣性作用以及安全帶對胸腹部的約束作用，假人頭部相對于軀干均出現不同程度的旋轉，從而使力從腦的表層向深層傳遞，伴隨腦組織的剪切應變，引起彌漫性腦損傷。為研究座椅靠背初始角度對假人頭部旋轉載荷損傷的影響，提取了仿真中假人BrIC[11]，設頭部質心在x、y、z向的角速度分別為ωx、ωy、ωz，則BrIC的表達式為：

式中，ωxc、ωyc、ωzc分別為x、y、z向標準角速度，基于與腦的主應變的相關性，分別為66.3 rad/s、53.8 rad/s、41.5 rad/s。

現階段美國新車評價規程（United States New Car Assessment Progremme，U.S. NCAP）通過提取BrIC 對乘員腦組織旋轉載荷損傷進行正式評價，歐洲新車評價規程（European New Car Assessment Progremme，Euro NCAP）也在對該值進行監測，預計在2025 年進行正式評價[12]。Takhounts 等[13]通過研究腦組織最大主應變與簡明損傷定級（Abbreviated Injury Scale，AIS）之間的關系，并對BrIC與最大主應變進行擬合，發現當BrIC 達到1.06 時頭部發生AIS 4 級損傷的風險為50%。腦組織發生不低于AIS 4級損傷的風險的計算公式為：

3.3 頸部傷害

在正面碰撞過程中，安全帶無法約束乘員頭頸部的相對運動，乘員軀干受到安全帶約束作用時，乘員頭頸部由于慣性作用繼續向前運動。為研究碰撞過程中假人頸部的損傷情況，本文提取仿真中假人頸部剪切力Fx、軸向拉力Fz以及繞Y軸旋轉彎矩My，結果如表3 所示：在62°靠背角工況下假人Fz最大，為4.6 kN；座椅靠背角度為52°時假人Fx最大，為1.1 kN。

表3 頸部損傷數據

3.4 鎖骨傷害

現階段各國新車評價規程在乘員傷害評價方面均未對鎖骨傷害進行評價，但是在智能駕駛技術愈加成熟的今天，乘員在碰撞過程中更加容易出現離位現象。Harnroongroj 等[14]通過提取人體志愿者的鎖骨進行三點彎曲試驗并進行統計分析，發現當截面力達到1.6 kN時鎖骨發生骨折現象。本文通過分析運動學圖像發現，受座椅角度的影響，靠背角度越大，假人離位現象越嚴重，并且，由于三點式安全帶的自身缺陷，假人的頸部及鎖骨受到了較為嚴重的傷害。提取Thor-AV 假人鎖骨力數據，如圖4所示，可以發現假人的鎖骨截面力在62°靠背角度仿真工況下最大，達到5.6 kN，在靠背角42°初始工況下鎖骨截面力最小，為2.1 kN。通過3 組仿真可以發現，隨著靠背角的增大，鎖骨截面力逐漸增大。

圖4 鎖骨截面力

3.5 胸椎傷害

在正面碰撞過程中，假人由于慣性作用，脫離座椅向前運動，然而由于座墊角度的調整，座墊區域對于假人的運動起到約束作用，并且隨著靠背角度的增大，乘員脊椎受到的慣性載荷隨之增加。研究人員分析發現，人體腰椎的抗壓強度為0.6～15.6 kN，出現骨折的壓縮力均值和標準差為4.84±2.5 kN[15]。本文提取假人胸椎T12 的截面載荷研究椎骨傷害情況，如表4所示。在T12 剪切力及彎矩方面，3 組仿真中假人傷害無較大差距，然而，隨著靠背角度的增大，Fz逐漸增大，當靠背角度為62°時假人脊椎Fz=11.6 kN，此時假人脊椎受到壓縮性骨折損傷風險最大。

表4 胸椎T12損傷數據

4 分析與討論

通過提取仿真數據發現：當靠背角度為42°、座墊角度為25°時，成員頭部并未有效接觸安全氣囊，但頭部并未撞擊到前方儀表板，所以HIC15較小；在另外2組仿真中，由于乘員頭部位置進一步后移，在碰撞過程中頭部并未接觸安全氣囊。在3 組仿真中，假人頭部均未撞擊到前方儀表板，HIC15均未超出閾值，然而，隨著靠背角度的增大，由于旋轉載荷造成的損傷風險逐漸增大，在靠背角度為62°時腦組織發生AIS 4級損傷的風險為56%。

隨著靠背角度的增大，乘員頸部軸向拉力逐步增大，在靠背角度為62°時達到最大值4.6 kN；可以發現隨著靠背角度的增大，碰撞過程中乘員上肢轉動造成的頸部軸向拉伸力增大，并且在52°及62°靠背角度工況下傷害值超過C-NCAP 規定的極限值3.3 kN。

現階段，各國新車評價規程中并未對乘員鎖骨的傷害情況進行評價，然而在正面碰撞過程中乘員肩部鎖骨承擔安全帶的約束力，其損傷情況影響乘員在碰撞過程中的運動狀態，影響頭頸部及動脈的傷害情況，因此有必要對乘員的鎖骨傷害進行分析。通過查閱相關文獻發現，在尸體試驗中人體鎖骨發生骨折時的截面力為1.6 kN。對比3 組仿真的鎖骨截面力可以發現，不同工況下鎖骨均有較大的骨折風險，隨著靠背角度的調整，鎖骨截面力增大，當靠背角為最大角度62°時，骨折風險最大。

在脊椎損傷方面，通過仿真數據發現，相對于常規角度的正面碰撞，由于座椅靠背角度的變化，乘員脊椎承受了更多的慣性載荷傷害，通過提取胸椎T12 處的截面壓縮力發現，靠背角度的變化引起軸向壓力的急劇升高，這對于大角度座椅靠背工況下乘員正面保護的開發具有相當大的挑戰。

5 結束語

針對本文中所開發車型，在正面碰撞工況下，當座椅靠背角度較大時，傳統安全氣囊無法對乘員頭部起到保護作用，并且隨著靠背角度的增大，頭部線性載荷傷害增大，BrIC 增大到1.1 附近，推測與碰撞速度相關，需進一步試驗驗證。在鎖骨及椎骨傷害方面，靠背角度對于乘員骨折風險有較大影響，當靠背角度最大時鎖骨截面力及胸椎T12 軸向壓縮力出現最大值，骨折的風險最大。

隨著智能座艙概念以及零重力座椅產品的深入開發，在乘員保護開發及評價方面應考慮非標準工況。在本文車型的開發過程中可以發現，傳統的安全氣囊并不能很好地保護乘員，并且由于乘員的離位現象更為嚴重，對于乘員在不同部位的傷害有了新的變化，對座椅的設計以及三點式安全帶的保護作用提出了挑戰。