兒童乘員在大傾角增高座椅中的下潛趨勢(shì)及腹部損傷研究*

張學(xué)榮 尹遜蒙

（江蘇大學(xué)，鎮(zhèn)江 212013）

主題詞：正面碰撞 兒童乘員 增高座椅 下潛 腹部損傷

1 前言

未來(lái)，車輛乘員艙將允許座椅靠背調(diào)節(jié)至大傾角以獲得更佳的乘坐舒適性，隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的快速發(fā)展，兒童乘員也將會(huì)以大傾角姿態(tài)參與交通運(yùn)行。然而，傳統(tǒng)的約束系統(tǒng)可能無(wú)法有效保護(hù)處于大傾角姿態(tài)下的兒童乘員，兒童乘員由于身材較小且髂骨未發(fā)育成型，更容易在碰撞中發(fā)生下潛現(xiàn)象[1]。同時(shí)，由于腹部沒有骨骼結(jié)構(gòu)的保護(hù)，下潛后安全帶會(huì)擠壓腹部軟組織導(dǎo)致其變形，造成內(nèi)臟組織損傷[2]。在交通事故中，傾斜坐姿乘員的受傷率和死亡率與正常坐姿乘員相比均有所上升[3]。

Slusher等[4]評(píng)估了6歲PIPER兒童模型在不同類型增高座椅中的下潛狀況，結(jié)果表明，雖然各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)下潛的評(píng)估存在差異，但下潛后兒童腹部壓力均顯著增大。劉玉云等[5]分析了有限元建模方法對(duì)乘員防下潛仿真精度的影響。Forman 等[6]探究了增高座椅中影響兒童下潛的因素，結(jié)果表明，座墊剛度和兒童坐姿對(duì)下潛的影響最顯著。裴永生[7]等使用生物力學(xué)人體模型建立駕駛位乘員約束系統(tǒng)模型，對(duì)不同胸部損傷指標(biāo)構(gòu)建響應(yīng)面模型，并采用模擬退火算法優(yōu)化得到安全帶最佳限力值和預(yù)緊時(shí)刻。柏楊[8]等探究了坐姿對(duì)6歲兒童胸腹部損傷的影響，結(jié)果表明，兒童乘員在后仰坐姿下與標(biāo)準(zhǔn)和前傾坐姿相比存在更高的胸腹部損傷風(fēng)險(xiǎn)。

在乘員防下潛研究中，針對(duì)乘員下潛傾向量化的研究較少。2015 年版及以后的C-NCAP 管理規(guī)則[9]中加入了假人髂骨力卸載率作為判斷是否下潛的標(biāo)準(zhǔn)，但髂骨力卸載率無(wú)法量化下潛的趨勢(shì)，且對(duì)不同身材特征的乘員不具備普適性。唐亮等[10]針對(duì)機(jī)械假人提出了腰帶在骨盆上的相對(duì)位置（Lap Belt position On Pelvis，LBOP）準(zhǔn)則作為對(duì)乘員下潛的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，即通過腰帶與大腿的距離量化乘員下潛趨勢(shì)，但此方法也存在局限性，腰帶與大腿的距離取決于腰帶的初始位置，若初始位置不一致，則在該準(zhǔn)則下無(wú)法比較。另外，生物力學(xué)模型肢體輪廓更加不規(guī)則，這對(duì)安全帶形狀和初始位置設(shè)置提出了更高的要求。

因此，本文使用6歲兒童生物力學(xué)模型在臺(tái)車模型中進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，分析大傾角座椅中兒童的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)與下潛趨勢(shì)，以及下潛對(duì)腹部損傷的影響，針對(duì)兒童生物力學(xué)模型，建立可量化下潛趨勢(shì)的兒童下潛風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則并進(jìn)行驗(yàn)證。

2 模型建立

2.1 兒童生物力學(xué)模型

本文采用由歐洲安全和風(fēng)險(xiǎn)分析中心（Centre Européen d’Etudes de Sécurité et d’Analyse des Risques，CEESAR）等機(jī)構(gòu)聯(lián)合開發(fā)的PIPER 兒童生物力學(xué)模型[11]，基本模型通過對(duì)6 歲兒童進(jìn)行計(jì)算機(jī)斷層掃描（Computed Tomography，CT）得到。兒童模型身高114.6 cm，體重23 kg，坐姿高度63 cm，基本模型有353個(gè)解剖學(xué)結(jié)構(gòu)，頭部解剖結(jié)構(gòu)包括顱骨、大腦、腦膜、小腦等，頸椎結(jié)構(gòu)由椎骨、椎間盤、環(huán)狀基質(zhì)等構(gòu)成，韌帶由彈簧單元進(jìn)行建模，PIPER 兒童生物力學(xué)模型如圖1 所示。該模型的有效性已通過尸體試驗(yàn)驗(yàn)證，包括頭部跌落試驗(yàn)、胸部擺錘試驗(yàn)以及脊柱柔韌性測(cè)試等[12]。基于PIPER標(biāo)準(zhǔn)坐姿兒童模型，通過調(diào)節(jié)髖部關(guān)節(jié)局部坐標(biāo)系可得到不同乘坐傾角下的兒童模型。

圖1 PIPER兒童生物力學(xué)模型

2.2 臺(tái)車及兒童座椅模型

由于目前市售兒童增高座椅靠背傾角調(diào)節(jié)范圍有限，基于經(jīng)臺(tái)車試驗(yàn)驗(yàn)證的一款兒童增高座椅模型，修改增高座椅模型靠背與底座連接處結(jié)構(gòu)，使得座椅靠背傾角可大幅調(diào)整。臺(tái)車模型參數(shù)依據(jù)ECE R129法規(guī)附件6[13]設(shè)定，兒童增高座椅模型通過ISOFIX接口安裝在臺(tái)車模型上。臺(tái)車及兒童約束系統(tǒng)模型共有307 363個(gè)節(jié)點(diǎn)、35 260個(gè)實(shí)體單元和298 553個(gè)殼單元。

導(dǎo)入已調(diào)節(jié)坐姿的PIPER兒童生物力學(xué)模型，基于臺(tái)車試驗(yàn)H點(diǎn)位置采用預(yù)模擬法對(duì)兒童進(jìn)行定位。建立三點(diǎn)式混合安全帶，設(shè)置接觸并施加加速度為9.8 m/s2的重力場(chǎng)。最后提取50 km/h正面碰撞加速度波形施加在臺(tái)車上，加速度波形如圖2所示。

圖2 50 km/h正面碰撞加速度波形

3 動(dòng)態(tài)模擬分析

基于建立的正面碰撞仿真模型，初始模型采用25°標(biāo)準(zhǔn)靠背傾角，以5°為步長(zhǎng)逐漸增大臺(tái)車靠背傾角及兒童增高座椅靠背傾角至55°，分別導(dǎo)入對(duì)應(yīng)坐姿的PIPER兒童生物力學(xué)模型，并設(shè)置各靠背傾角下兒童H點(diǎn)位置相同，得到不同靠背傾角正面碰撞仿真模型，如圖3所示。

圖3 正面碰撞仿真模型

3.1 下潛趨勢(shì)及風(fēng)險(xiǎn)分析

盆骨角度定義為盆骨髂前上棘、恥骨聯(lián)合的連線與垂線之間的夾角在縱向平面內(nèi)的投影。圖4所示為不同靠背傾角下安全帶與盆骨的相對(duì)位置，可以觀察到，靠背傾角不超過35°時(shí)，盆骨初始角度較小，腰帶始終作用于兒童盆骨，盆骨前向位移遠(yuǎn)小于軀干前向位移，這使得盆骨角度保持在較小增幅，其中最大盆骨轉(zhuǎn)角為19°。

圖4 不同靠背傾角時(shí)碰撞后第84 ms安全帶與盆骨相對(duì)位置

靠背傾角增大至40°時(shí)，盆骨初始角度隨之增大，腰帶相對(duì)于盆骨向上滑移使得盆骨前向位移增大，肩帶限制了兒童軀干前向位移，導(dǎo)致盆骨向后旋轉(zhuǎn)，并加劇了腰帶向上滑動(dòng)的趨勢(shì)，最終打破了安全帶與兒童間的臨界“自鎖”狀態(tài)[14]，導(dǎo)致下潛發(fā)生。此時(shí)盆骨轉(zhuǎn)角為33°，相較于標(biāo)準(zhǔn)靠背傾角（25°）條件下增加了153.8%，盆骨前向位移為220 mm，相較于標(biāo)準(zhǔn)靠背傾角條件下增加了60.9%。因此，減小盆骨向后旋轉(zhuǎn)角度的措施（如限制盆骨前向位移、適當(dāng)增大軀干前向位移）可以抑制兒童下潛趨勢(shì)，圖5、圖6所示為不同靠背傾角前向位移變化及盆骨角度曲線。

圖5 不同靠背傾角時(shí)的前向位移變化

圖6 不同靠背傾角時(shí)的盆骨角度曲線

靠背傾角繼續(xù)增大，兒童以近似躺姿狀態(tài)傾斜地坐在增高座椅中，盆骨初始角度更大，髂前上棘位置更低且更靠后，此時(shí)腰帶已完全不能約束兒童盆骨，盆骨前向位移超過軀干前向位移，兒童整體從增高座椅中向前滑移，肩帶存在勒緊頸部的風(fēng)險(xiǎn)，兒童還有可能發(fā)生二次碰撞。

3.2 腹部損傷分析

在低速加載（如安全帶加載）時(shí)，腹部壓縮量可作為預(yù)測(cè)腹部損傷的指標(biāo)，腹部壓縮直接表現(xiàn)為腹部壓力升高。在兒童未下潛時(shí)，腹部壓縮量最大值為29.1 mm，峰值時(shí)刻在第65 ms 左右，此時(shí)腹部壓力為48 kPa；下潛后由于安全帶直接作用于兒童腹部，導(dǎo)致腹部壓縮量急劇增大，在55°靠背傾角時(shí)腹部壓縮量達(dá)到最大值65.5 mm，峰值時(shí)刻在第90 ms左右，相比標(biāo)準(zhǔn)靠背傾角（25°）時(shí)腹部壓縮量增大了234%，此時(shí)腹部壓力為91 kPa，圖7、圖8所示為不同靠背傾角條件下腹部壓縮量及腹部壓力曲線。

圖7 不同靠背傾角時(shí)的腹部壓縮量曲線

圖8 不同靠背傾角時(shí)的腹部壓力曲線

Viano通過尸體擺錘試驗(yàn)[15]獲得了簡(jiǎn)明損傷定級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（Abbreviated Injury Scale，AIS）與胸腹部壓縮比的關(guān)系，將兒童與成人的身材比例進(jìn)行縮放，可得到6 歲兒童AIS與腹部壓縮比的關(guān)系：

式中，SAIS為簡(jiǎn)明損傷定級(jí)；C為腹部壓縮比，即腹部壓縮量與腹部初始厚度的比值。

由腹部壓縮量和式（1）可得，55°靠背傾角時(shí)兒童腹部損傷最大，腹部AIS為2.9級(jí)，下潛存在對(duì)兒童腹部造成中度傷甚至較重傷的風(fēng)險(xiǎn)。

碰撞時(shí)腹部軟組織損傷不僅與腹部壓縮量有關(guān)，與腹部變形速率也有很大關(guān)系，粘性準(zhǔn)則考慮了變形速率的影響。當(dāng)腹部粘性指數(shù)達(dá)到1 m/s時(shí)，有超過25%的概率產(chǎn)生不低于AIS 4的腹部損傷，腹部粘性指數(shù)表達(dá)式為：

式中，v(t)為腹部壓縮速度函數(shù)；D(t)為腹部壓縮量；C(t)為腹部壓縮率函數(shù)；b為腹部初始厚度。

未下潛時(shí)，兒童腹部粘性指數(shù)峰值最大為0.19 m/s，峰值時(shí)刻在第60 ms 左右；下潛后，腹部粘性指數(shù)波峰時(shí)刻延后且峰值急劇增大，在第1個(gè)波峰時(shí)刻會(huì)造成較大的腹部損傷，最大峰值為0.69 m/s，發(fā)生在55°靠背傾角時(shí)，相比標(biāo)準(zhǔn)靠背傾角時(shí)增大了527%。依據(jù)腹部粘性準(zhǔn)則，下潛有造成兒童腹部AIS 3 重傷的風(fēng)險(xiǎn)。圖9所示為不同靠背傾角時(shí)的腹部粘性指數(shù)曲線。

圖9 不同靠背傾角時(shí)腹部粘性指數(shù)曲線

當(dāng)兒童處于標(biāo)準(zhǔn)靠背傾角（25°）時(shí)，肝臟、脾臟、腎臟的最大第一主應(yīng)變分別為33%、22%、17%，肝臟最大第一主應(yīng)變位置在肝左外葉上段，是肩帶束縛兒童軀干壓迫左側(cè)肋弓所致，脾臟最大第一主應(yīng)變位置在與胃部接觸的臟面后端，腎臟最大第一主應(yīng)變位置在左腎腎動(dòng)脈上部靠近第二腰椎處；當(dāng)靠背傾角達(dá)到40°時(shí)下潛發(fā)生，肝臟、脾臟、腎臟的最大第一主應(yīng)變分別為31%、21%、22%，脾臟最大第一主應(yīng)變位置在脾面前端與第九肋骨接觸處，腎臟最大第一主應(yīng)變位置在左腎下端與左側(cè)腰肌接觸處；當(dāng)靠背傾角為55°時(shí)，肝臟、脾臟、腎臟的最大第一主應(yīng)變分別為48%、26%、26%，肝臟最大第一主應(yīng)變位置在肝右后葉下段，由腰帶滑落至上腹部擠壓肝臟變形所致，脾臟最大第一主應(yīng)變位置在脾面后端靠近第十一肋骨處。腹部臟器最大第一主應(yīng)變?cè)茍D如表1所示。

表1 腹部臟器最大第一主應(yīng)變?cè)茍D

由于肝臟、脾臟、腎臟等腹部臟器主要分布在上腹部，靠背傾角超過40°后，下潛導(dǎo)致腹部臟器最大第一主應(yīng)變顯著增大。其中肝臟因腰帶擠壓變形產(chǎn)生的損傷最嚴(yán)重，55°靠背傾角時(shí)肝臟最大第一主應(yīng)變比標(biāo)準(zhǔn)靠背傾角時(shí)增大了45%，圖10 所示為不同靠背傾角時(shí)腹部臟器最大第一主應(yīng)變。

圖10 不同靠背傾角時(shí)腹部臟器最大第一主應(yīng)變

4 兒童下潛風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則及其驗(yàn)證

4.1 兒童下潛風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

由于目前各種下潛評(píng)價(jià)準(zhǔn)則對(duì)兒童乘員存在一定局限性，通過對(duì)兒童下潛趨勢(shì)進(jìn)行分析并基于安全帶與盆骨相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理，針對(duì)兒童生物力學(xué)模型建立了兒童下潛風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則：

式中，Qxmin為在縱向平面內(nèi)，腰帶下邊緣點(diǎn)Q在盆骨局部坐標(biāo)系上投影點(diǎn)Qx的最小坐標(biāo)位置。

若Qxmin≤0，腰帶仍作用于盆骨，兒童未發(fā)生下潛，若Qxmin>0，腰帶越過盆骨髂前上棘點(diǎn)，下潛發(fā)生。Qxmin還可量化兒童下潛趨勢(shì)，Qxmin越小，下潛趨勢(shì)越小，反之，下潛趨勢(shì)越大。

其中，盆骨局部坐標(biāo)系定義為：在縱向平面內(nèi)，以平行于髂骨髂前下棘、恥骨聯(lián)合連線方向并通過髂前上棘點(diǎn)的直線為x軸建立盆骨局部坐標(biāo)系，髂前上棘點(diǎn)即x軸坐標(biāo)原點(diǎn)，向上為x軸正方向。盆骨局部坐標(biāo)系在縱向平面內(nèi)跟隨盆骨結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，如圖11所示。

圖11 盆骨局部坐標(biāo)系

4.2 兒童下潛風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的驗(yàn)證

不同靠背傾角下的Qx指標(biāo)如圖12所示，由圖12可以看出：不同靠背傾角安全帶的初始位置略有差異，但最大偏差在7 mm以內(nèi)，可以忽略；Qxmin隨靠背傾角增大而增大，表明兒童下潛趨勢(shì)增加。靠背傾角超過35°后，Qxmin>0，表明下潛發(fā)生，表2 所示為不同靠背傾角時(shí)的Qxmin及下潛判斷。

表2 不同靠背傾角時(shí)的Qxmin及下潛判斷

圖12 不同靠背傾角時(shí)的Qx指標(biāo)

這與仿真動(dòng)畫中觀察到的安全帶與盆骨相對(duì)位置所得結(jié)論一致，另外，通過腹部壓縮量、腹部壓力等腹部損傷指標(biāo)在靠背傾角35°前后的顯著變化也可以佐證下潛的發(fā)生。上述結(jié)果驗(yàn)證了所建立的兒童下潛風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的正確性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文使用6 歲PIPER 兒童生物力學(xué)模型在ECE R129臺(tái)車模型中進(jìn)行了50 km/h正面碰撞動(dòng)態(tài)模擬，針對(duì)兒童生物力學(xué)模型建立了可量化下潛趨勢(shì)的兒童下潛風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則并進(jìn)行了驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：

a.隨著靠背傾角增大，兒童髂前上棘的位置更低且更靠后，下潛趨勢(shì)隨盆骨角度增大而增大；靠背傾角超過35°后，兒童在增高座椅中發(fā)生下潛，嚴(yán)重下潛時(shí)，存在肩帶勒緊兒童頸部和發(fā)生二次碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，通過抑制盆骨向后旋轉(zhuǎn)的措施（如限制盆骨前向位移、適當(dāng)增大軀干前向位移）可減小兒童下潛趨勢(shì)。

b.下潛會(huì)顯著增大兒童腹部損傷，下潛后，腹部壓縮量和粘性指數(shù)分別比標(biāo)準(zhǔn)靠背傾角時(shí)增大了234%和527%。下潛會(huì)對(duì)肝臟造成較大損傷，肝臟最大第一主應(yīng)變比標(biāo)準(zhǔn)靠背傾角時(shí)增加了45%，對(duì)照AIS 標(biāo)準(zhǔn)，下潛有造成AIS 3腹部損傷的風(fēng)險(xiǎn)。

本文探究了大傾角增高座椅中兒童乘員的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)與下潛趨勢(shì)，以及下潛對(duì)腹部損傷的影響，從理論上分析了抑制兒童下潛的方法，建立了兒童下潛風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，后續(xù)將對(duì)兒童在大傾角增高座椅中的防下潛措施開展進(jìn)一步研究。