基于THUMS數字人體模型的大傾角座椅正面碰撞乘員損傷分析

【摘要】基于某大傾角座椅，利用THUMS數字人體模型，研究了座椅后傾姿態正面碰撞條件下的乘員損傷特征，并討論了乘員損傷機理。研究結果表明，相較于常規坐姿，一方面大傾角座椅后傾姿態下傳統約束系統無法實現乘員的有效約束，乘員易發生下潛而造成腹部、胸部、頸部的損傷風險，另一方面由于座椅的作用，乘員脊柱受到較大的軸向加速度載荷，存在損傷風險。最后，基于乘員的損傷特征及機理，進一步討論了后傾姿態下乘員保護策略。

主題詞：乘員保護 大傾角座椅 數字人體模型 損傷機理

中圖分類號：U461.91" "文獻標志碼：A" "DOI： 10.19620/j.cnki.1000-3703.20240028

Damage Analysis of Occupant in Front Collision of High Tilt Seat Based on THUMS Digital Human Body Model

Xu Zeya， Xie Jinping， Lei Feibing， Cai Yani

（BYD Automotive Industry Co.， Ltd.， Shenzhen 518118）

【Abstract】Based on THUMS digital human model， this paper studied the occupant injury characteristics of rear attitude frontal collision in a large tilt seat and discussed the mechanism of occupant injury. As the result shows， compared with regular sitting posture， on the one hand， the traditional restraint system cannot realize the effective restraint on the occupant under the reclining posture， which easily causes injury of occupant’s abdomen， thorax and neck due to descending of occupant. On the other hand， the occupant’s spine is subjected to a large axial acceleration load， and there is a risk of injury due to the seat cushion. Finally， based on the characteristics and mechanism of occupant injury， the paper also discussed the strategies on occupant protection in a large seat .

Key words： Occupant protection， High tilt seat， Digital human body model， Damage mechanism

1 前言

隨著汽車向“移動的第三生活空間”轉變，車內智能化功能需求外，智能座艙駕乘的舒適性、安全性需求大幅提升。大傾角座椅、零重力座椅可滿足乘員在駕乘過程中的舒適性需求，大幅度提升駕乘體驗，是當前智能座艙發展應用的熱點技術領域[1]。然而，由于乘員在后傾姿態正面碰撞中受力特征和載荷傳遞路徑均與傳統姿態存在顯著不同，當前的乘員約束系統無法滿足后傾姿態下乘員保護的需求，限制了大傾角、零重力座椅等技術的應用場景[2-5]。目前，各整車制造商在后傾座椅的說明指南中均建議只能在駐車狀態下使用，后傾姿態下的乘員保護問題是相關技術應用的痛點[6]。

為了解決后傾姿態下乘員的保護問題，首先應分析乘員在大傾角、零重力座椅等后傾姿態下的損傷特征與機理。汽車碰撞假人（Anthropomorphic Test Dummies，ATD）是汽車碰撞安全試驗的最主要工具之一，Yoganandan等[7]指出，以Hybrid III假人為代表的ATD可以較好地滿足各種工況的需求，相關技術是否需要進一步發展取決于汽車約束系統評估的需求。近年來，智能座艙下各種復雜姿態對乘員損傷及約束系統評估提出了新的要求。數字人體模型使用有限元方法對人體建模，理論上可以分析任何工況下的乘員損傷[8]。當前，已經有多款數字人體模型廣泛應用于車輛安全領域[9-11]。THUMS數字人體模型由日本豐田公司于2000年推出，2021年1月，THUMS數字人體模型無償公開。

為分析大傾角座椅后傾坐姿下乘員損傷的特征與風險，本文基于某大傾角座椅，利用V6.1.20版本的THUMS數字人體模型，搭建副駕駛員位置某大傾角座椅的正面碰撞臺車模型，研究大傾角座椅在不同后傾角度50 km/h正面碰撞下的乘員損傷風險與特征。在此基礎上，進一步分析討論造成該損傷的機理。最后，基于損傷特征和機理分析討論大傾角座椅坐姿下的乘員保護策略，為大傾角座椅等后傾座椅姿態下的乘員保護提供參考。

2 試驗方法

2.1 THUMS數字人體模型

THUMS數字人體模型是基于人體的組織材料和解剖結構特征開發的有限元模型。THUMS 50th數字人體模型模擬了第50百分位的美國男性，其身高174.9 cm，體重78.6 kg[12]。本研究中，選用V6.1.20版本的THUMS數字人體模型模擬大傾角座椅正面碰撞條件下乘員的損傷。本研究中使用的THUMS數字人體模型得到了豐田公司授權。

2.2 臺車試驗

根據美國國家道路安全管理局的數據，正面碰撞是汽車碰撞中出現頻次最高、造成損傷最多的傷害形式。本文選擇某車型在現行的C-NCAP測評標準中50 km/h初始速度正面100%重疊剛性壁障碰撞下加速度波形作為輸入波形構建臺車模型，輸入波形如圖1所示。選用某大傾角座椅及THUMS數字人體模型，THUMS數字人體模型被三點式安全帶約束在大傾角座椅上，座椅分別設置為正常姿態和后傾60°的大傾角姿態，如圖2所示。

2.3 損傷輸出定義

考慮到本文THUMS數字人體模型下肢并未設置約束，本研究將著重考慮模型上軀干的損傷風險。首先通過乘員的受力及運動狀態分析乘員可能的受傷風險，并進一步通過腦部、頸部、胸部、腹部、脊柱等處組織器官的應力-應變、壓力等狀態，分析乘員的損傷風險。

3 結果與討論

3.1 不同后傾角度下乘員受力與運動情況

圖3所示為大傾角座椅不同后傾角度正面碰撞中乘員的運動情況。在正常坐姿下，碰撞發生后乘員由于慣性的作用繼續向前運動。此時，乘員上軀干主要受到重力、安全帶抑制其運動的力以及下軀干傳遞給它的力，乘員的下軀干受到重力、座椅對其的支撐力和摩擦力、腹部安全帶抑制其向前運動的作用力以及上軀干的作用力。在外力作用下，下軀干率先減速并停止與座椅的相對運動，而乘員的上軀干由于慣性的作用繼續向前轉動。由于此模型中沒有安全氣囊的作用，乘員身體發生了嚴重的向前彎曲。

對于大傾角座椅后傾姿態的乘員，其正面碰撞下的運動與受力狀態與正常坐姿產生了明顯的差異。后傾姿態下，在碰撞發生前、中期，乘員由于慣性作用繼續向前運動，由于此時乘員上軀干處于后傾姿態，肩部及胸部安全帶在其運動方向上分力較小。此時乘員受到的外力有座椅對乘員的支撐力和摩擦力、重力、安全帶對乘員的作用力。如圖3b所示，后傾姿態下乘員發生明顯下潛，與此同時，安全帶腹帶從骨盆上滑至腹部并侵入造成損傷風險。安全帶拉力的狀態也進一步驗證了上述分析。如圖4所示，后傾姿態下乘員腹部安全帶的力較大，最高可達12 500 N，顯著增加了腹部內臟損傷的風險。而在碰撞后期，下軀干由于外力的作用逐漸停止運動，上軀干則因為慣性發生轉動導致身體發生彎曲。

3.2 不同后傾角度下的乘員損傷特征及機理分析

為進一步表述大傾角姿態下乘員的損傷特征與機理，并分析乘員保護策略，本文結合仿真結果，對大傾角座椅下THUMS數字人體模型各部位的損傷風險、特征及損傷機理進行了分析。

3.2.1 頭部損傷

頭部損傷根據其特征可以大致分為顱骨損傷和腦損傷。顱骨損傷主要為骨折，以及面部、頭皮等軟組織較輕微的撕裂傷和挫傷。腦損傷可分為彌散性損傷和局灶性損傷兩種類型。由于本文并未設置氣囊、組合儀表等，頭部未發生碰撞，其所受的載荷主要來源于頸部肌肉力和頸椎力的作用。在此種載荷形式下，頭部發生顱骨損傷的可能性較小，因此本文僅考慮腦損傷的風險。

對大傾角座椅下正常坐姿以及后傾姿態下的乘員的顱內壓力及顱內等效應力進行了分析，如圖5所示。結果顯示，相較于常規坐姿，后傾坐姿下乘員的顱內壓力及顱內等效應變變大，顱內大片區域的最大顱內等效應變高達30%以上，有發生彌漫性軸索損傷（Diffuse Axonal Injury，DAI）的風險，而這種損傷往往會導致腦震蕩[13]。Thomas等[13]的研究已經證明DAI等震蕩損傷更可能是由旋轉加速度而非線性加速度引起的。

由于本文中頭部并未發生碰撞，這種損傷可能歸因為頸部肌肉力和頸椎力傳遞給頭部的載荷。需要注意的是，與傳統坐姿不同，后傾姿態下難以通過安全氣囊等的設置實現對頭部的有效約束，相應的保護策略仍需進一步研究。

3.2.2 頸部損傷

頸部連接著乘員的上軀干與頭部，其本身承載著較大的載荷，考慮到頭部和頸部共同構成一個功能實體，頭部受載通常意味著頸部受載。先前的研究已經證明，在正面碰撞和低速追尾工況中，乘員頸部會產生復雜的運動學響應，往往會造成頸部軟組織的損傷，這一類損傷是交通事故中脊椎最常見的損傷形式[14]。此外，更需要引起關注的是，由于大傾角座椅后傾姿態下乘員發生下潛，安全帶會勒緊頸部而造成損傷風險。基于此，本文對于乘員頸部的損傷分析一方面考慮脊椎、椎間盤等的損傷，另一方面也考慮安全帶和乘員頸部的相互作用。

正常坐姿下，在碰撞的中后期，頸椎出現較為明顯的應力集中區域。Murer等[15]曾詳細分析了后碰撞和正面碰撞過程中頸部復雜的運動狀態及受到的載荷。如圖6所示，正常坐姿下，在碰撞后期，乘員胸椎由于受到安全帶等力的作用而停止運動，頭部由于慣性繼續向前運動，頸椎發生整體彎曲而形成載荷。而在大傾角座椅后傾坐姿下，乘員頸椎早期受到沿軸向的加速度載荷。而在后期，由于胸椎停止運動而頭部有繼續向前運動的趨勢，乘員脊柱發生與正常坐姿下類似的損傷特征與風險。此外，本文還考查了頸部椎間盤的損傷風險。椎間盤是脊椎之間的軟組織，其受到較大載荷時有損傷甚至壓爆的風險。本研究中，正常坐姿下椎間盤的損傷風險較小。而在后傾姿態下，由于受到較大的軸向加速度載荷，頸椎椎間盤大量區域應力超過損傷閾值11 MPa，有損傷的風險。

另一方面，如前文所描述，由于后傾姿態下乘員容易發生下潛，頸部安全帶可能勒緊乘員頸部，造成嚴重的損傷風險。如圖7所示，在后傾姿態下，由于下潛的作用，安全帶深深勒入乘員頸部。

3.2.3 胸部及腹部損傷

胸部由胸廓及其內部的軟組織組成，胸部損傷根據結果不同，可分為骨骼損傷和軟組織損傷。而對于乘員腹部，其損傷多來源于腹部器官被擠壓、拉伸等。本文未設置氣囊、轉向盤、儀表板等，乘員胸部及腹部的載荷主要來源于安全帶[16-17]。根據損傷的形式不同，本文分別考查了胸部肋骨以及心臟、肺部、肝臟、胃等胸腹部內臟的損傷風險。

不論在何種坐姿下，乘員的胸部肋骨均受到較大的超出損傷閾值的載荷，具有較大的損傷風險，如圖8所示。由圖8可以看出，各姿態下乘員的胸部肋骨均發生了較大的變形。在后傾姿態下，乘員胸部肋骨的最大塑性應變達到13%、而在正常坐姿下高達25%，均遠高于胸部肋骨的損傷閾值（3%）[18]。盡管塑性應變及最大等效應力集中區域均發生在胸前軟骨的位置，但這仍造成了極大的損傷風險。值得注意的是，各姿態下乘員胸部均受到了較大的載荷并有極大的損傷風險，但其損傷特征和機理具有差異性。在正常坐姿下，乘員的胸部肋骨主要受到肩部及胸前安全帶的作用，其變形區域與安全帶在其胸前的位置大致重合，其塑性應變和等效應力集中也大致分布在此區域。而隨著后傾角度的增加，腹部安全帶對胸部肋骨由下向上勒緊的作用逐漸占據主導。此種姿態下，乘員的肋骨發生了較為明顯的“上翻”，塑性應變和等效應力集中區域也主要集中在肋骨下部。

在真實事故中，胸部和腹部的內臟器官損傷多源于乘員與汽車內轉向盤、儀表板或約束系統發生鈍器撞擊作用[16]。考慮到內臟器官復雜的結構和物理特征，傳統ATD難以精準評價這些部位的傷害，往往以壓縮量、受力最大值作為考查指標間接表征這些部位的損傷[19]。本文借助數字人體模型，測試了碰撞中乘員心臟、肺部、肝臟、胃等內臟器官的壓力、等效應變等，更加精準地評估了乘員內臟的損傷風險，如圖9～圖12所示。結果顯示，不論在何種坐姿下，乘員各內臟受到的載荷均超過閾值，有較大的損傷風險。值得注意的是，對于心臟、肺等位于胸腔的器官，正常坐姿下的載荷較后傾姿態下更大。這可能是由前文所述的安全帶對乘員胸部的勒緊作用所致。而對于位于腹部的器官，如胃、肝臟等，后傾姿態下的載荷則遠高于正常坐姿下的載荷，這是由乘員下潛過程中腹部安全帶對其腹部的勒緊作用導致。

3.2.4 脊柱損傷

脊椎是人體頭部和軀干的主要承載結構，包括7節頸椎、12節胸椎和5節腰椎[20]。在汽車碰撞領域，關于胸部及腰部脊椎損傷的研究報道并不多見，然而，對于飛行員座椅彈射等工況，胸部及腰部的脊柱損傷卻是損傷風險的主要來源之一[20]。Vulcan等[21]首先解釋了該工況下脊柱的損傷機理，Prasad等[22]進一步通過尸體試驗證明了受到垂直加速度載荷時脊柱的損傷機理。研究結果顯示，脊柱中有2條負荷路徑將垂直負荷從頭部向下傳遞到骨盆，除椎間盤所承受的負荷外，腰椎還存在小關節面負荷[22]。而在大傾角座椅后傾姿態下，座椅座墊抑制乘員繼續向前運動，乘員脊柱受到垂直加速度載荷。盡管如此，與飛行員座椅彈射相比，后傾姿態下的乘員受力狀態仍有所差異，這導致其脊柱受到的載荷及損傷特征也有所不同。后傾姿態下，乘員脊柱應力集中發生在碰撞初期。如圖13所示，此時貫穿脊柱的中心部位仍出現了較大的應力集中區域，這是典型的軸向載荷。此時脊椎及椎間盤的等效應力均高于閾值，有較大的損傷風險。

而在正常坐姿正面碰撞條件下，乘員脊柱的損傷來源于彎曲產生的壓縮載荷。此種工況下乘員脊柱應力集中區域的出現與脊柱彎曲在時間上具有一致性。如圖13所示，從空間上看，脊柱的應力集中區域往往分布在腰椎彎曲內側區域。這是由于乘員腰椎區域發生彎曲而產生壓縮載荷。需要解釋的是，本文所選擇的碰撞波形碰撞條件相對嚴苛，且未設置安全氣囊，因此脊柱損傷風險較大。在實際工況下，安全氣囊等的設置能夠顯著減輕此種損傷風險。但仍需要注意的是，正面碰撞下三點式安全帶的使用可能造成胸部不能向前移動而使后凸的胸椎變直，進而導致胸部及腰部的脊柱壓縮載荷，從而造成損傷[23]。

綜上，在各后傾角度下，乘員均承受了較大的損傷風險。然而，由于不同姿態下乘員受力狀態、載荷傳遞路徑、運動狀態均不相同，其損傷特征及損傷機理也存在較大差異。對于坐姿下的乘員損傷，大量的研究與實踐已經證明，通過安全氣囊等約束系統的設置可以有效緩解損傷。而對于后傾姿態的乘員，傳統的乘員保護系統已經無法完成對其的有效保護，需對其保護策略進行研究。

3.3 大傾角座椅后傾姿態下的乘員保護策略

研究損傷生物力學的主要動機是挽救生命和減少損傷帶來的痛苦[7]。在車輛安全領域，研究乘員的損傷特征及機理的最終目的則是更好地指導約束系統設計，實現對乘員的有效保護。大傾角座椅后傾姿態下乘員的損傷風險主要有兩個來源，一方面，傳統的三點式安全帶無法實現對大傾角座椅后傾姿態下乘員的有效約束，另一方面，由于座椅的作用，乘員脊柱受到了較大的軸向加速度載荷，引起脊柱損傷的風險。因此，研究大傾角座椅后傾姿態下的乘員保護策略，關鍵在于處理好上述損傷風險。

對于后傾姿態正面碰撞下的乘員損傷特征及約束策略，研究者已完成了大量重要的工作[24-27]。唐亮等[28]從運動學的角度分析了后傾乘員下潛的原因，認為向前運動的過程中上軀干運動和髖部的運動不協調導致了安全帶勒入腹部。周青等[4]進一步研究并設計了均衡約束系統：在碰撞初期通過較強的膝部約束限制下肢的運動，同時允許上軀干自由轉動，借助慣性力的作用，將乘員姿態調整到較為豎直的狀態，之后再按照保護正常坐姿乘員進行保護。對于大傾角座椅，乘員的上軀干往往向后傾角更大，且乘員小腿由于腿托的作用也處于水平姿態，這進一步增大了乘員保護的難度。盡管如此，上述研究仍為大傾角座椅后傾姿態下的乘員保護策略開發提供了極為重要的借鑒。通過各種技術的應用，使后傾姿態乘員回歸正常姿態，然后通過傳統的約束系統對其進行保護是較為理想的策略。這一方面可以通過對乘員的下肢進行有效約束，另一方面也可以結合主動安全技術使后傾座椅提前回位實現。此外，從緩解乘員脊柱載荷的角度考慮，合理地設置吸能緩沖裝置是減輕乘員損傷風險的另一種有效策略。航天飛機、賽車中均設置有吸能結構用以實現對于乘員脊柱的保護。對于車用大傾角座椅，也可以設置類似的吸能結構以減輕乘員損傷。

4 結束語

本文利用THUMS數字人體模型，分析了正面碰撞時副駕駛員位置某大傾角座椅下乘員的損傷特征及機理，并進一步討論了可行的乘員保護策略。通過上述分析，可以得到如下結論：

a. 在大傾角座椅不同后傾角度下，乘員受到的力及載荷傳遞路徑不同，運動狀態也不相同，這造成了乘員不同的損傷特征；

b. 相較于常規坐姿，后傾姿態下傳統約束系統無法實現對乘員的約束，乘員易發生下潛，造成腹部、胸部、頸部的損傷風險；

c. 大傾角座椅后傾姿態下由于座椅的作用，乘員脊柱受到了較大的軸向加速度載荷，造成脊柱損傷風險；

d. 為實現對大傾角座椅后傾姿態下乘員的保護，一方面可以考慮對后傾姿態乘員施加新的約束，另一方面也可以考慮對座椅設置緩沖吸能結構。

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（責任編輯 王 一）

修改稿收到日期為2024年1月10日。

通信作者：雷飛兵，比亞迪汽車工業有限公司，lei.feibing@byd.com。

【引用格式】 許澤亞， 謝金萍， 雷飛兵， 等. 基于THUMS數字人體模型的大傾角座椅正面碰撞乘員損傷分析[J]. 汽車技術， 2024（4）： 15-23.

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