碰撞工況下零重力姿態(tài)女性假人損傷對(duì)比分析

張浩銘　王凱　劉東春　陳勇旭

摘 要：隨著自動(dòng)駕駛和智能座艙技術(shù)的不斷更新和完善，車輛內(nèi)部相關(guān)結(jié)構(gòu)部件被賦予了新的概念，比如“零重力座椅”，用戶可以通過調(diào)整座椅使自身處于平躺的姿態(tài)，使身體處于失重狀態(tài)，可以有效減少肌肉以及腰椎的疲勞，但目前針對(duì)這種姿態(tài)的碰撞工況研究和測(cè)試較少。本文依托模擬碰撞系統(tǒng)，搭建兩種試驗(yàn)工況復(fù)現(xiàn)正面碰撞，對(duì)比分析了在正常坐姿以及零重力坐姿兩種不同工況下5th女性假人損傷差異。

關(guān)鍵詞：正面碰撞 滑車試驗(yàn) 假人損傷 零重力

1 前言

目前頭部新能源車企在進(jìn)行車型開發(fā)階段，為滿足消費(fèi)者對(duì)車輛舒適性和智能化的要求，通過提高座椅的配置來改善座椅舒適性，比如“零重力座椅”（Zero-Gravity-Seats），所謂的零重力座椅就是將零重力原理和汽車座椅人體工業(yè)設(shè)計(jì)技術(shù)結(jié)合在一起，用戶可以通過調(diào)節(jié)座椅使自身處于平躺的姿態(tài)，使座椅對(duì)自身的壓力小于的重力，而表現(xiàn)出失重時(shí)的舒適感，在一定程度可有效減少肌肉和脊椎疲勞，使乘員保持充沛的狀態(tài)，如圖1所示。但從車輛安全方面考慮，這種新概念“零重力座椅”的安全性能是否符合要求，當(dāng)車輛發(fā)生碰撞時(shí)，相關(guān)的約束系統(tǒng)能否有效的保護(hù)乘員，因此分析該姿態(tài)下的乘員傷害很有必要。本文以二排5th女性假人為研究對(duì)象，分析發(fā)生正面碰撞時(shí)，正常坐姿和零重力坐姿兩種工況下假人損傷差異。

2 試驗(yàn)方法簡(jiǎn)述

本文研究的試驗(yàn)工況主要依托伺服液壓加速模擬碰撞系統(tǒng)進(jìn)行，在該系統(tǒng)的滑車上搭建試驗(yàn)工況，既能高精度再現(xiàn)整車碰撞過程，又可以降低采用整車碰撞方式所投入的成本。圖2為模擬碰撞系統(tǒng)復(fù)現(xiàn)波形與目標(biāo)波形的對(duì)比，實(shí)現(xiàn)高精度復(fù)現(xiàn)，圖3為本文兩次試驗(yàn)工況碰撞波形的對(duì)比，可以看出趨勢(shì)基本一致，保證了假人傷害數(shù)據(jù)的可對(duì)比性。

3 2種姿態(tài)下假人損傷對(duì)比分析

假人傷害評(píng)價(jià)參考C-NCAP中正面 100%重疊剛性壁障碰撞相關(guān)程序，主要從5th假人的頭部合成3ms加速度、頸部彎矩My、胸部壓縮量、骨盆合成加速度等參數(shù)來表征假人各個(gè)部位的傷害情況，C-NCAP評(píng)價(jià)規(guī)程中會(huì)對(duì)假人各個(gè)部位的傷害設(shè)定高低性能值，分別對(duì)應(yīng)該部位的滿分或0分。

3.1 肩帶力對(duì)比

由圖1可以看出兩種工況下肩部力趨勢(shì)基本一致，安全帶的力學(xué)性能基本一致，由于姿態(tài)的不同，零重力姿態(tài)工況比正常姿態(tài)下峰值延遲17ms左右，在81.4ms時(shí)達(dá)到峰值4.5kN，正常姿態(tài)在64ms達(dá)到峰值4.49kN。

3.2 假人頭部損傷對(duì)比

由圖４可以看出，相比正常姿態(tài)工況，零重力工況的峰值加速度提前5ms左右達(dá)到，正常姿態(tài)工況下頭部傷害指標(biāo)HIC15為214，3ms合成加速度值為47.55g，根據(jù)C-NCAP評(píng)價(jià)規(guī)程的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行線性插值法，對(duì)應(yīng)得分為1.6分；零重力工況下頭部傷害指標(biāo)HIC15為289，3ms合成加速度值為58.84g，對(duì)應(yīng)得分為1.6分。

兩種工況下，雖然頭部傷害都在低性能范圍內(nèi)，但是零重力姿態(tài)下，3ms合成加速度和HIC15偏高。

3.3 假人頸部損傷對(duì)比

假人頸部傷害主要考核頸部力以及頸部彎矩，由于假人頸部力矩傳感器安裝位置到頭頸交界面的距離為0.01778m，因此頸部彎矩力與頸部Fx存在以下關(guān)系：實(shí)際頸部My=My-0.01778m*Fx，因此通過對(duì)比頸部彎矩力來表征頸部傷害。由圖５看出頸部My在碰撞瞬間的力矩是先由負(fù)值而后增加至正值的，這是由于在發(fā)生碰撞瞬間，假人由于慣性相對(duì)于車身是向前運(yùn)動(dòng)的，而后安全帶約束系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)緊，這時(shí)假人頭部相對(duì)于胸部還是保持向前的運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，而后安全帶預(yù)緊力逐漸增大，頸部力矩由負(fù)值逐漸變大，直到安全帶預(yù)緊結(jié)束后，假人頸部逐漸增加為正值，而后進(jìn)入反彈階段；可以看出正常姿態(tài)工況，假人頸部My力矩11.7N·M，零重力工況下，假人頸部My力矩6.3N·M，根據(jù)C-NCAP假人傷害評(píng)價(jià)方法，頸部My高性能值為36N·M，低性能值為49N·M，兩種工況下的頸部傷害都在高性能范圍內(nèi)。

同時(shí)可以明顯看到正常姿態(tài)的頸部彎矩比零重力姿態(tài)高出50%左右，通過觀察試驗(yàn)過程的高速攝像，可以看出在正常坐姿工況下，假人頸部相對(duì)于胸部的旋轉(zhuǎn)角度是大于零重力工況的，這是假人坐姿差異所導(dǎo)致，零重力工況下由于假人是接近平躺的姿態(tài)，碰撞瞬間整體在向前向上運(yùn)動(dòng)會(huì)受到自身重力向下的影響，減少了頸部相對(duì)于胸部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

3.4 假人胸部損傷對(duì)比

兩種工況下，假人胸部位移曲線趨勢(shì)基本一致，正常姿態(tài)下在68.2ms時(shí)達(dá)到峰值20.78mm，胸部粘性指標(biāo)VC值為0.099m/s；零重力姿態(tài)下在97.7ms達(dá)到峰值15.83mm，胸部粘性指標(biāo)VC值為0.141m/s；胸部損傷比較接近，正常姿態(tài)的胸部損害略高，根據(jù)C-NCAP假人傷害評(píng)價(jià)方法，頸部My高性能值為0.5m/s，低性能值為1m/s，均能達(dá)到滿分。

3.5 假人骨盆損傷對(duì)比

兩種工況下，假人骨盆合成加速度趨勢(shì)基本一致，正常坐姿工況下，在61.2ms時(shí)達(dá)到峰值44.77g，左髂骨力Fx峰值為2.40kN，右髂骨力Fx峰值為2.38kN，髂骨力減少速率為190.10N/ms；零重力坐姿工況下，在57.8ms時(shí)達(dá)到峰值49.53g，左髂骨力Fx峰值為1.75kN，右髂骨力Fx峰值為1.68kN，髂骨力減少速率為136.70N/ms。

由圖７可以看出，正常坐姿下骨盆合成加速度以及髂骨力總體比零重力坐姿偏大，這是由于正常坐姿的5th女性假人在碰撞瞬間基本被安全帶的預(yù)緊力有效的束縛在座椅上，因此總體受力會(huì)偏大，而零重力姿態(tài)的5th女性假人在碰撞瞬間由于慣性以坐墊作為緩沖向前滑移，安全帶也沒有按照正確約束路徑進(jìn)行預(yù)緊；根據(jù)C-CANP假人傷害評(píng)價(jià)方法，兩種工況下髂骨力變化速率均不大于700N/ms，沒有發(fā)生下潛的現(xiàn)象。

3.6 假人大腿力損傷對(duì)比

大腿力參數(shù)也是表征假人傷害重要參數(shù)之一，由圖８可以看出正常坐姿下5th女性假人的左大腿力峰值為2.02kN，右大腿力峰值為1.25kN；零重力坐姿下5th女性假人的左大腿力峰值為2.58kN，右大腿力峰值為2.54kN；總體上兩種工況下的傷害比較接近，但零重力姿態(tài)下的傷害偏高。

4 結(jié)論

本文依托模擬碰撞系統(tǒng)，搭建了兩種試驗(yàn)工況，分析對(duì)比5th二排女性正常坐姿和零重力坐姿兩種不同姿態(tài)下在碰撞過程中的損傷差異，主要結(jié)論如下：根據(jù)C-CANP（2021版）假人傷害評(píng)價(jià)方法，兩種工況的假人部位傷害都在高性能范圍內(nèi)，但是由于姿態(tài)的不同，不同部位的傷害存在一定差異，相對(duì)比正常姿態(tài)，零重力姿態(tài)的頭部HIC15和大腿力Fz偏高，頸部My、胸部以及骨盆損傷表現(xiàn)稍好。但通過觀察實(shí)驗(yàn)過程中的高速攝像，可以看到零重力姿態(tài)下假人會(huì)在碰撞瞬間由于自身慣性出現(xiàn)下滑，導(dǎo)致安全帶偏離設(shè)計(jì)的指定約束路徑。因此，從安全以及長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度來看，要保證零重力座椅在應(yīng)用時(shí)能對(duì)乘員提供全面的保護(hù)，車輛配備的相關(guān)被動(dòng)安全系統(tǒng)也許進(jìn)行一定的升級(jí)迭代，并進(jìn)行不斷反復(fù)驗(yàn)證優(yōu)化，保證車輛的主被動(dòng)安全性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]黎海兵，胡寧，張成偉 . 安全帶和安全氣囊對(duì)乘員胸部的影響。[J] 上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，28（1）：25-29.

[2]武永強(qiáng)，張愛法，婁磊 .車輛斜角碰撞中不同百分位假人傷害對(duì)比研究.[J]2021 年（第 43 卷）第 8 期：起止頁碼4-7.

[3]中國(guó)汽車技術(shù)研究中心.CNCAP乘員保護(hù)2021版測(cè)評(píng)方案.[R]2019-09：29-32.