智能車輛典型非標準坐姿乘員正面碰撞損傷研究

【摘要】為探究多樣化的乘員離位姿態對乘員碰撞損傷的影響，綜合考慮多種乘員典型離位姿態，借助成熟乘員艙模型和假人模型進行了1 800次正面碰撞仿真，結果表明，相對于標準姿態工況，典型離位姿態下的乘員損傷均有一定程度的增加：座椅靠背角度增大會導致乘員頭頸部損傷水平提高，而使胸部損傷水平下降；自動緊急制動（AEB）系統制動強度的增大會提高乘員胸部損傷水平而降低頭頸部損傷水平；乘員向右偏移工況均比向左偏移工況有更大的頭胸部損傷水平。

主題詞：離位乘員 數值模擬 正面碰撞 損傷風險

中圖分類號：U467.14" "文獻標志碼：A" "DOI： 10.19620/j.cnki.1000-3703.20230933

Frontal Crash Injury Study of Typical Non-Standard Seated Occupants in Intelligent Vehicle

Yun Weiguo1， Wang Guojie2， He Enze2

（1. Zhejiang Geely Farizon New Energy Commercial Vehicles Group Co.， Ltd.， Hangzhou 310018; 2. State Key Laboratory of Vehicle NVH and Safety Technology， China Automotive Engineering Research Institute Co.， Ltd.， Chongqing 401122）

【Abstract】In order to investigate the effects of diverse occupant out-of-position postures on occupant crash injuries， a variety of typical occupant out-of-position postures were considered， and 1 800 frontal crash simulations were conducted with the help of a mature occupant compartment model and dummy model. The results show that the occupant will suffer more injury in typical out-of-position posture than the standard posture; the increase of seatback angle leads to the increase of occupant head and neck injury level， while the decrease of thorax injury level; the increase of braking intensity of Automatic Emergency Braking （AEB） system increases the occupant thorax injury level， while decreasing the head and neck injury level; the occupants’ head and thorax injury level is greater in the rightward offset condition than in the leftward offset condition.

Key words： Occupant out-of-position， Numerical simulation， Frontal crash， Injury risk

1 前言

乘員的姿勢顯著影響其在車輛碰撞中受傷的風險。Bose等[1]使用多剛體人體模型研究了身材、體重、姿勢和肌肉支撐水平等特征對乘員在車輛正面碰撞中傷害風險的影響程度，發現乘員姿勢影響最大。Hwang等[2]的分析表明，在側面碰撞中，身體姿勢是預測乘員碰撞反應的重要因素。

同時，乘員在乘車時可能出現各種姿勢。Zhang等[3]開展的基于志愿者偏好姿勢的調查發現，前排乘員在行駛中僅45%的時間以標準姿勢乘坐。Reed等[4]對車內視頻數據進行分析發現，前排乘員頭部在33%的時間中向左或向右旋轉，軀干在10%的時間里向左或向右旋轉且在10%的時間內前傾。自動駕駛汽車的發展擴大了未來汽車駕乘人員的姿勢和活動選擇[5-6]，如休息、娛樂，或與其他乘員交流，這對車內布置提出了新的需求，包括設置靈活的座椅朝向[6-9]、高度傾斜的座椅[10-13]等，此時，車內人員的姿態也更加多樣化。

然而，傳統的乘員約束系統均針對標準坐姿乘員設計，其對非標準姿態乘員的保護性能引起了研究人員的關注。Ji等[14]、Rawska等[15-16]分析了傾斜座椅靠背條件下的乘員損傷，發現靠背傾斜可能導致乘員下潛，增加胸腹部損傷風險。Kang[17]開展了尸體試驗，亦發現向后傾斜座椅的乘員將面臨更大的損傷風險。靈活的座位朝向也可能給乘員保護帶來新的挑戰：Wu等[18]模擬了56 km/h車速且座椅不同旋轉角度條件下的正面碰撞過程，結果表明，在座椅旋轉角度為90°和135°時損傷風險更高。此外，智能汽車上搭載的主動安全系統在觸發時，也可能導致乘員出現非標準姿態，如：自動緊急制動（Automatic Emergency Braking，AEB）系統的作用會使乘員的上軀干產生大幅前向位移導致離位，從而引起乘員碰撞損傷，尤其是胸部損傷風險增加[19-20]；自動緊急轉向會使乘員產生明顯的橫向位移，且肩帶脫落，導致頭部、胸部損傷風險增大[21]。

可見，乘員坐姿顯著影響乘員整體運動學響應和損傷風險，但當前主流研究[22-23]大多針對單一因素引起的乘員離位，尚未綜合考慮多樣化乘員離位坐姿對乘員損傷的影響。本文旨在綜合考慮多種乘員離位姿態，采用數值仿真方法探究乘員離位因素對典型部位損傷的影響規律。

2 正面碰撞仿真

2.1 仿真模型

本文使用的車輛模型是美國國家公路交通安全管理局（National Highway Traffic Safety Administration，NHTSA）的豐田雅力士（Toyota Yaris）2010款車型的乘員約束系統MADYMO模型。假人模型使用MADYMO自帶的Hybrid-Ⅲ假人。將Hybrid-Ⅲ假人模型置于Yaris約束系統模型中，最終建立的仿真模型如圖1所示。

2.2 邊界條件

隨著自動駕駛汽車的引入，乘員的姿態將更加多樣化，本文總結了文獻[5]、文獻[23]～文獻[25]中的乘員離位姿態，并以其中幾種典型的乘員離位姿態參數作為邊界條件。

本文中車輛的碰撞速度根據文獻[26]設置為50 km/h，加載在假人模型X向，重力加速度場的作用則施加在假人模型的Z向。

本文對AEB系統的設置參考文獻[24]建立主被動一體化模型，該集成模型主要包括預碰撞階段和碰撞階段，在預碰撞階段加載AEB減速度曲線模擬制動效果，碰撞階段加載碰撞速度為50 km/h的碰撞加速度曲線，如圖2a所示，其中0.7 g和1.0 g的制動減速度曲線如圖2b所示。

本文所使用的假人模型均為Hybrid-Ⅲ假人模型，包括第5百分位女性假人、第50百分位男性假人及第95百分位男性假人，如圖3所示。參考文獻[14]、文獻[25]、文獻[27]將座椅靠背傾斜角度范圍設置為23°～63°，間隔10°，如圖4所示。根據文獻[1]、文獻[23]中的設置，乘員左、右傾斜角度設置為-20°～20°，間隔10°，其中0°為中間標準坐姿，如圖5所示。本文駕駛員姿勢的調整主要參考文獻中所述方法并進行綜合[5]，共設置8種，分別為雙手平放（姿勢1）、左手持手機（姿勢2）、右手持手機（姿勢3）、雙手抱胸（左手在前，姿勢4）、雙手抱胸（右手在前，姿勢5）、左腿屈曲（姿勢6）、右腿屈曲（姿勢7）、雙腿屈曲（姿勢8），如圖6所示。

本文將8種乘員上下肢姿勢分為8類，每一類中對AEB制動強度（無AEB、0.7 g、1.0 g）、乘員左、右偏移角度（-20°～20°，間隔10°）、不同體型乘員（第5百分位、第50百分位、第95百分位）及座椅靠背傾斜角度（23°～63°，間隔10°）進行全因子分析，共計進行了1 800次正面碰撞仿真。

2.3 損傷評價標準

本文正面碰撞中乘員各部位損傷評價指標參照《C-NCAP管理規則（2021年版）》[28]和《中國保險汽車安全指數規程 第2部分：車內乘員安全指數 整體評價規程（2020版）》[29]中各項規定，其中常用的乘員損傷指標如表1所示。

其中頭部、頸部、胸部造成的損傷是主要的致命性損傷[30]，因此本文主要研究乘員頭部、頸部、胸部損傷。

3 仿真結果

3.1 乘員姿勢對碰撞損傷的影響

為便于表述，在結果分析與討論中，均用“工況”表示乘員上、下肢姿勢變化后的各仿真案例。圖7～圖9描述了8種工況下乘員各部位的碰撞損傷分布情況，由底部、第25百分位數、中位數、第75百分位數和頂部數值構成，其中每個數據組包括225個數據點，代表不同姿勢下乘員的碰撞損傷結果。

總體來說，相對于標準姿態工況的損傷，姿勢改變工況下乘員各部位損傷均有不同程度的增加，尤其是頭部損傷。

由圖7、圖8可知，相比于工況1，乘員上肢姿勢改變情況下頭部和頸部損傷更嚴重，尤其是工況4和工況5。而且與下肢姿勢改變的工況對比，乘員上肢姿勢的改變對乘員頭頸部損傷的影響更大，乘員上肢姿勢的改變影響了乘員頭部與安全氣囊的接觸性質與接觸時間，從而削弱了安全氣囊對乘員頭部的保護效果，使乘員頭部的損傷增大。

3.2 座椅靠背角度對乘員碰撞損傷的影響

圖10～圖12描述了不同座椅靠背傾斜角度下乘員各部位碰撞損傷的分布情況，圖中每個數據組包括360個數據點。

對比圖10中離位乘員頭部損傷的中位線與標準姿態乘員的損傷可以發現，隨座椅靠背角度增大，頭部3 ms加速度和HIC15超出標準姿態乘員損傷的案例比例分別從61.4%（221個）和44.2%（159個）增加到96.1%（346個）和93.3%（336個）。這一現象也出現在乘員頸部損傷中，見圖11。而從圖12中可以看出，隨座椅靠背角度增大，胸部損傷超出標準姿態乘員的損傷的案例減少。

對比圖10中不同座椅靠背傾斜角度下頭部損傷均值，可以觀察到大傾角座椅靠背條件下乘員頭部損傷水平普遍高于23°座椅靠背條件下頭部損傷水平，且隨著座椅靠背傾斜角度增大，頭部損傷水平也增大。同樣的現象在乘員頸部損傷中也能觀察到，見圖11。對于胸部損傷，大傾角座椅靠背條件下的胸部損傷水平普遍低于23°座椅靠背條件下，且隨著座椅靠背傾斜角度增大，胸部損傷水平降低，見圖12。

總體而言，座椅靠背角度增大時，乘員頭頸部損傷水平也隨之提高，而胸部的損傷水平隨之下降。

3.3 自動緊急制動對乘員碰撞損傷的影響

圖13～圖15描述了不同AEB工況下乘員各部位碰撞損傷分布情況，圖中每個數據組包括600個數據點。

對比圖13、圖14中離位乘員頭、頸部損傷的中位線與標準姿態乘員的損傷可以發現，AEB作用工況中頭、頸部損傷超出標準姿態乘員的損傷的案例減少。而從圖15中可以看出，AEB作用工況中胸部損傷超出標準姿態乘員的損傷的案例增加。

通過對比3種工況下的乘員頭、頸部損傷均值可知，相比于無AEB工況，AEB作用的工況中的乘員頭頸部損傷水平下降，且1.0 g制動強度工況下乘員頭頸部損傷水平最低，見圖13、圖14。對于乘員胸部損傷，胸部壓縮量與胸部粘性指數VC表現出相反的情況：相比于無AEB工況，AEB作用工況中胸部壓縮量的均值增大，而胸部粘性指數的均值下降，見圖15。

總體而言，AEB的作用使乘員胸部損傷水平提高，頭頸部損傷水平下降，一定程度上對乘員起到保護作用，而且這種保護效果在1.0 g制動強度工況下更為明顯。

3.4 乘員左、右偏移角度對乘員碰撞損傷的影響

圖16～圖18描述了不同乘員左、右偏移角度下乘員各部位碰撞損傷分布情況，圖中每個數據組包括360個數據點。

對比圖16中離位乘員頭部損傷的中位線和標準姿態乘員的損傷，在乘員偏移-20°的工況下頭部損傷超出標準姿態乘員損傷的案例最多。圖18中的胸部損傷也表現出這一現象。

通過對比圖16～圖18中的損傷均值水平，乘員偏移-20°的工況下乘員的頭、胸部損傷水平最大，這種極限工況下安全帶不經過乘員鎖骨中心，而是貼合在乘員肩膀外側，甚至是左手部位，此時安全帶無法有效約束乘員且容易從左肩滑落，碰撞過程中乘員的加速度更大，導致乘員損傷增加。相反，在乘員偏移20°的工況中，由于安全帶與乘員的貼合處靠近頸部，發生碰撞時，安全帶更容易與頭頸部發生相互作用，而對胸部的擠壓作用減弱，從而導致乘員頭頸部損傷水平上升、胸部損傷水平下降。此外，乘員的左、右偏移角度會影響碰撞過程中乘員頭、胸部與安全氣囊的接觸部位，導致安全氣囊作用效果減弱，更容易撞擊轉向盤，駕駛員頭頸部損傷更大。

3.5 乘員體型對乘員碰撞損傷的影響

圖19～圖21描述了不同體型乘員離位姿態下各部位碰撞損傷分布情況，圖中每個數據組包括600個數據點。通過對比圖19～圖21中各損傷的均值水平可以觀察到，相對于第50百分位男性乘員的碰撞損傷，第5百分位女性乘員頭部及大腿損傷水平下降，頸部及胸部損傷水平提高，而第95百分位男性乘員頭頸部、胸部及小腿損傷水平則不同程度提高，大腿損傷水平下降。

4 結束語

本文采用經驗證的乘員艙模型進行了離位乘員的正面碰撞仿真，并探索離位因素對乘員各部位損傷的影響規律。結果表明，非標準坐姿下乘員各部位損傷均不同程度增加，且乘員上肢姿勢的改變對乘員頭頸部損傷的影響更大。這一發現與Leledakis等[5]的研究結論略有差異，Leledakis等[5]認為下肢姿勢變化對下肢、骨盆和全身反應的總體影響最大。產生這種差異可能是由于本研究綜合考慮了乘員不同的離位坐姿對乘員損傷的影響。

座椅靠背角度增大時，乘員頭頸部損傷增大，而胸部損傷風險降低。產生這種趨勢的原因可能是座椅靠背傾角增大導致乘員上軀干與轉向盤距離增大，進而導致乘員頭部與安全氣囊的接觸時間推遲，使頭部加速度增大，HIC15增大。在大傾角座椅靠背下乘員和安全帶無法有效貼合，導致碰撞時發生下潛現象。這些現象與現有研究[14，27，31]中觀察到的現象一致。

AEB制動強度的增大使得乘員胸部損傷水平提高、頭頸部損傷水平下降，一定程度上對乘員有保護作用，而且這種保護效果在1.0 g制動強度工況中更為明顯。這與Wen等[32]的結論略有差異，其研究表明，相同碰撞速度下，碰撞前采取緊急制動措施，將增大胸部加速度和頸部損傷。本文乘員頸部損傷存在一定程度的降低，這可能是由于本文考慮了座椅靠背傾斜的工況，AEB的介入導致乘員的前向離位增大，會減小座椅靠背傾斜工況導致的離位。

乘員向右偏移工況均比乘員向左偏移工況有更大的乘員頭胸部損傷，尤其是乘員偏移-20°工況。這種極限工況下安全帶不經過乘員鎖骨中心，而是貼合在乘員肩膀外側，甚至是左手部位，此時安全帶無法有效約束乘員且容易從左肩滑落，碰撞過程中乘員的加速度更大，導致產生更大的HIC15，這與Donlon等的研究[23]類似。

基于本文的研究結果中，可得到以下主要結論：與標準坐姿的乘員相比，離位乘員各部位損傷均不同程度增加；相比乘員下肢姿勢，乘員上肢姿勢的改變對乘員頭頸部損傷水平的影響更大；座椅靠背角度增大會增大乘員的頭頸部損傷，而降低胸部損傷風險；乘員向右偏移比向左偏移會導致更大的頭胸部損傷。

參 考 文 獻

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（責任編輯 斛 畔）

修改稿收到日期為2023年10月16日。

*基金項目：重慶市科學技術局重慶市博士“直通車”項目（CSTB2023NSCQ-BSX0011）。

【引用格式】 運偉國， 王國杰， 何恩澤. 智能車輛典型非標準坐姿乘員正面碰撞損傷研究[J]. 汽車技術， 2024（4）： 30-39.

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