大角度坐姿下乘員非接觸損傷研究

【摘要】為研究正面碰撞工況大角度坐姿條件下乘員非接觸損傷，通過調整靠背角度、座墊角度等條件，以及采用氣囊起爆延時和環抱式氣囊，進行了滑臺試驗。試驗結果表明：大角度坐姿下的乘員，腦部組織剪切失效、頸部彎曲彎矩損傷、心臟主動脈拉斷、胸椎擠壓斷裂風險均有所提高，且通過氣囊適時起爆和采用環抱式氣囊均不能有效解決。進而指出，對于前排大角度坐姿乘員，采用根據乘員坐姿適時起爆正面氣囊與膝部氣囊的組合方式進行保護是一種研究方向。

關鍵詞：大角度坐姿 氣囊適時起爆 環抱式氣囊 膝部氣囊 非接觸損傷

中圖分類號：U467.1+4" "文獻標志碼：A" "DOI： 10.20104/j.cnki.1674-6546.20240193

Study on Non-Contact Injury of Occupant in Wide-Angle Sitting Posture

Shang Enyi Li Weidong Xi Bobo Li Yueming

（1. Geely Automobile Research Institute （Ningbo） Co.， Ltd.， Ningbo 315336; 2. Zhejiang Key Laboratory of Intelligent Vehicle Comprehensive Defense System， Ningbo 315336）

【Abstract】In order to study the non-contact injury of occupant in front collision in wide-angle sitting， the sled tests is conducted by adjusting the backrest angle and seat cushion angle， and using the airbag inflation delay and the enveloping type airbag. The results show that the risk of brain tissue shear failure， neck bending moment injury， heart aorta rupture and thoracic vertebral compression rupture increases in the occupants in wide-angle sitting，which cannot be effectively solved by timely inflation of airbag and enveloping airbag. It is further pointed out that it is a research direction to adopt the combination of timely inflation of front airbag and knee airbag according to the occupant's sitting posture sitting in front seat for the occupant in wide-angle sitting.

Key words： Reclined sitting， Timely inflation of airbag， Enveloping airbag， Knee airbag， Non-contact injury

【引用格式】 商恩義， 李衛冬， 習波波， 等. 大角度坐姿下乘員非接觸損傷研究[J]. 汽車工程師， 2025（3）： 12-19.

SHANG E Y， LI W D， XI B B， et al. Study on Non-Contact Injury of Occupant in Wide-Angle Sitting Posture[J]. Automotive Engineer， 2025（3）： 12-19.

1 前言

汽車碰撞事故中的人體損傷除了由直接接觸、碰撞、外部擠壓造成的外部損傷外，還包括由非接觸性的、慣性導致的內部變形等，如頭部快速轉動造成的腦部組織剪切失效、頸部損傷，心臟因慣性產生的移動使心臟主動脈拉斷等。對于直接接觸造成的頭部、頸部、胸部、膝部等部位損傷，損傷容限研究相對成熟，法規中已有針對性評價。對于頭部和胸部的非接觸性損傷，當前還主要處于有限元仿真研究階段，歐盟新車評價規程正面碰撞工作組（Frontal Impact Working Group， FIWG）和腦損傷工作組（Brain Injury Working Group， BIWG）通過頭部有限元模型研究了頭部被動轉動造成的損傷的衡量標準[1]。孫浩等[2]通過仿真研究獲得了撞擊力、顱內加速度、顱內典型碰撞位置的應力和壓力變化規律。栗志杰等[3]研究了腦組織挫裂傷損傷機理。鄭佳佳[4]、唐亮等[5]研究發現正面碰撞中胸椎軸向沖擊速度與乘員胸椎損傷具有顯著的相關性。張振軍等[6]總結了有限元法在腰椎生物力學應用中的研究進展，并對其應用前景進行了展望。陳吉清等[7]研究獲得了胸腹部鈍性撞擊試驗中肝臟動力學響應和損傷風險較高位置的壓力分布特點，指出胸部響應指標與肝臟損傷程度（用應力、應變峰值表示）的相關性隨加載條件的差異而變化。蘭鳳崇等[8]指出人體胸部和腹部的損傷在汽車交通事故中占比很大，并通過建立人體胸-腹部生物力學有限元仿真模型反映損傷程度。

當前，汽車座椅、約束系統等相關技術發展迅速，如零重力座椅的靠背角度可調節至45°以上，為乘員提供大角度坐姿，頂置氣囊、環抱式氣囊為乘員提供了多樣化的保護。新技術在解決乘員舒適性、局部安全性的同時，也改變了汽車事故中乘員的損傷方式和機理。如乘員在大角度坐姿下，由于頭部與汽車內飾間距離增大，當前約束系統無法提供有效保護。根據乘員坐姿適時起爆安全氣囊、采用環抱式氣囊等保護方案雖在不斷研究，但其可行性仍基于直接接觸損傷相關法規進行評價，很少考慮碰撞中的非接觸損傷。因此，依托當前中國新車評價規程（ China-New Car Assessment Program， C-NCAP），本文針對坐姿角度適時起爆安全氣囊和采用環抱式氣囊進行滑臺試驗，對大角度坐姿下乘員非接觸損傷進行探索性研究。

2 滑臺試驗方案

C-NCAP指定的正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗和正面50%重疊移動漸進變形壁障（Mobile Progressive Deformable Barrier， MPDB）碰撞試驗中，分別使用Hybrid III 50th 假人和THOR 50th 假人，評價方法成熟。THOR AV假人是THOR 50th 假人的升級版，雖未完全定型，但可參考THOR 50th 假人的評價在研究工作中使用。綜合標準規定及座椅調節能力，本文采用Hybrid III 50th 假人和THOR AV假人。

建立假人加速度和載荷坐標系[9]：x向為前后方向，y向為左右方向，z向為上下方向。對于加速度，x向前為正、y向右為正、z向下為正。對于假人頸部載荷：Fx為頭向后、胸向前為正；Fy為頭向左、胸向右為正；Fz為受拉為正；My為頭向前、胸向后為正，正向稱為彎曲彎矩，負向稱為伸張彎矩；Mz為下頜扭向左肩為正，稱為扭矩。對于胸椎T12-Fz和大腿軸向力Fzf，受拉為正，受壓為負。

當前C-NCAP標準的正面碰撞速度為50 km/h，未來將提升至56 km/h。某車型已完成正面約束系統開發，以該車型50 km/h和56 km/h正面碰撞試驗中B柱下x向加速度作為滑臺試驗加速度，分別進行A組、B組滑臺試驗，加速度曲線如圖1所示。

以碰撞速度為50 km/h的約束系統開發試驗A0作為基礎試驗。A組采用THOR AV假人進行4次試驗。考慮到該款車后排無氣囊，設計座椅滑臺試驗A1、A2。考慮前排乘員處于大角度坐姿，設計白車身滑臺試驗A3、A4，前方氣囊依據座椅靠背角度延時起爆。B組試驗模擬后排乘員使用情況，采用Hybrid III 50th 假人基于座椅進行2次試驗。試驗工況如表1所示。

3 大角度坐姿下乘員非接觸損傷分析

A組試驗錄像截屏如圖2所示。A1試驗中假人運動姿態正常；A2試驗中座椅安裝支架在第49 ms時開始發生潰縮，即在假人下潛過程中座墊角度逐漸減小；A3和A4試驗中未出現頭部觸底等現象。

B組試驗采用環抱式氣囊，該氣囊由左、右兩片組成，分別固定在座椅靠背兩側。兩片氣囊上均有帶孔，限位帶穿過帶孔。氣囊展開后，左側氣囊覆蓋乘員左側，右側氣囊前端轉至胸前，與左側氣囊在限位帶的約束下共同對乘員形成包裹。B組試驗錄像截屏如圖3所示。本文試驗中，右側氣囊左端處于懸臂狀態，假人頭部與其接觸后發生扭轉，且大角度坐姿下頭部扭轉幅度相對較大。另外，氣囊對頭頂沒有約束作用。

3.1 大角度坐姿下乘員頭部非接觸損傷分析

在《C-NCAP管理規則（2024年版）》[10]正面碰撞試驗中，通過頭部合成加速度計算頭部傷害指數（HIC15）對頭部傷害進行評價，HIC15高性能限值為500，低性能限值為700。

3.1.1 無安全氣囊情況下乘員頭部損傷

A0～A2試驗中，假人頭部HIC15分別為220（第70～85 ms）、318（第98～113 ms）和138（第121～136 ms）。與A0試驗相比，A1試驗中HIC15略有提高，A2試驗由于座椅支架的變形緩沖作用，HIC15略有下降。

A1和A2試驗中，假人頭部加速度如圖4所示，合成加速度均以az為主，即無安全氣囊保護下頭部的損傷主要來自前向揮鞭。

假人頭部傷害來源為內力和外力，外力由頭部與安全氣囊或其他內飾碰撞產生，內力為頭部向前離心運動、頸部回拉時向頭部施加的載荷。當頭部加速度與頭部質量（4.54 kg）的乘積等于頸部上部載荷時，可以確認該加速度為內力作用產生[11-13]，其大小也反映了非接觸損傷的程度。A1和A2試驗中，假人頭部a_z與頸部上F_z基于時域的對比如圖5所示，當力的縱坐標范圍是加速度縱坐標范圍的4.5倍時，2次試驗中假人頭部az與對應頸部上Fz在主體部分基本吻合，在頭部向前揮鞭幅度較大的情況下，后頸部鋼索拉扯作用增強。這說明大角度坐姿下，HIC15增大是由頭部慣性作用下前向揮鞭增強造成的。

3.1.2 安全氣囊適時起爆情況下乘員頭部損傷

A3和A4試驗中，HIC15分別為304（第98～113 ms）和388（第112～127 ms），與A0試驗相比，分別增大了38%和76%。

正面碰撞頭部ay較小，可將其忽略。A0、A3和A4試驗中假人頭部ax和az如圖6所示，在安全氣囊的作用下，頭部合成加速度均以ax為主，但大角度坐姿下，az幅值和脈寬與ax接近，且坐姿角度越大，az越大。

A3和A4試驗中，假人頭部az與頸部上F_z如圖7所示，當力與加速度的比值與頭部質量相當時，2次試驗中假人頭部az與對應頸部上F_z基本吻合，HIC15增大依然是內力增強造成，適時起爆安全氣囊方案作用有限。

3.1.3 環抱式氣囊作用下乘員頭部損傷

B1和B2試驗中，假人頭部HIC15分別為207（第75.5～95.5 ms）和471（第83.3～98.3 ms），B1試驗與A0試驗的傷害值接近，B2試驗相對B1試驗提高了128%。

2次試驗中假人頭部加速度如圖8所示，頭部合成加速度均以az為主，ax幅值均約為300 m/s2，而az幅值則分別達到370 m/s2和590 m/s2。與A0試驗假人頭部加速度對比，氣囊對頭部x向的約束作用及對z向的限制均減弱。B2試驗中HIC15偏大的主要因素依然是az增大。

B1和B2試驗中，假人頭部加速度az與頸部上Fz基于時域對比如圖9所示，當力與加速度的比值與頭部質量相當時，2次試驗中假人頭部az與對應上頸部Fz全程接近，可確認2次試驗中的az主要由Fz作用產生，只是B2試驗中Fz和az較大，造成HIC15相對B1試驗有較大增幅。

3.1.4 大角度坐姿下頭部非接觸損傷

2組試驗結果對比，大角度坐姿下，適時起爆安全氣囊，乘員頭部HIC15產生在第120 ms前后，相對正常坐姿有約40 ms的延時。采用包裹式氣囊，假人頭部HIC15產生的時間變化不大。兩種約束方式相比，適時起爆氣囊對乘員頭部x向約束較好，但因頭部與安全氣囊接觸前揮鞭作用時間相對較長，導致Fz增大。環抱式氣囊作用下，乘員頭部與氣囊接觸較早，但氣囊缺少支撐，對頭部x向的保護較弱，同時，又因其對頭頂缺少限制，其頸部Fz作用也較強。綜合分析表明，大角度坐姿下，乘員頭部前向揮鞭慣性作用增強，將導致腦部組織因拉扯、剪切造成嚴重損傷的風險增加，且當前的2種保護方式均無法完全避免。

3.2 大角度坐姿下乘員頸部損傷分析

在正面碰撞試驗中，乘員頸部通常為非接觸損傷，《C-NCAP管理規則（2024年版）》評價指標如表2所示。另外，圖2中假人頭部在環抱式氣囊作用下發生扭轉，因此，本文針對頸部上Fz、伸張彎矩My和扭矩Mz研究乘員頸部傷害。

3.2.1 假人頸部上軸向損傷

A0～A4、B1、B2試驗中，假人頸部上Fz如圖10所示。A0試驗最大軸向力為0.65 kN，對應的時刻為第65 ms。A1、A2試驗最大軸向力分別為2.66 kN和2.07 kN，對應的時刻分別為第130 ms和第139 ms。A3、A4、B1和B2試驗最大軸向力依次為1.45 kN、1.68 kN、2.0 kN和2.5 kN，對應的時刻分別為第98 ms、第113 ms、第83 ms和第88 ms，即所有最大值均發生在頭部與氣囊接觸過程中。7次試驗結果對比表明，碰撞中大角度坐姿將加重乘員頸部軸向拉伸損傷，且正面氣囊和環抱式氣囊不能起到有效保護作用。

3.2.2 假人頸部上伸張彎矩損傷

通常，在正面碰撞初期，乘員頭部會在胸部帶動下抬起，頸部表現為伸張。7次試驗頸部彎矩My如圖11所示，A1～A4試驗最大伸張彎矩均低于20 N·m，且A0試驗中的伸張彎矩最大，為13.8 N·m。B1和B2試驗中伸張彎矩也較小，B2試驗中較大，但僅為20.8 N·m，遠低于標準規定的高性能限值。該結果表明，大角度坐姿下，胸部前傾帶起頭部的強度減弱，但在環抱式氣囊作用下，由于包裹式氣囊及其定位帶對胸部產生的約束作用，彎曲彎矩將顯著增大，B2試驗中在第99 ms時刻My達到115 N·m，其是否會造成非接觸損傷需要關注。

3.2.3 假人頸部上扭矩損傷

在環抱氣囊的作用下，假人頭部發生扭轉。B1、B2和A3試驗中假人頸部扭矩Mz如圖12所示，正常坐姿的B1試驗中，Mz幅值達到33 N·m；對于靠背角同為45°的A3和B2試驗，A3試驗中Mz幅值僅為3 N·m，但B2試驗中Mz幅值則達到57 N·m。扭轉與伸張均為頸部易損傷方式，當前標準針對Mz沒有限制，但如參照伸張彎矩My限值，45°坐姿下Mz已達極限值。

3.3 大角度坐姿下乘員胸部非接觸損傷分析

C-NCAP針對胸部的評價指標包括壓縮變形量和粘性指數，主要考慮對肋骨的擠壓損傷進行評價。事實上，心臟主動脈破裂在事故中屬于致命損傷，生還率極低。另外，當乘員發生下潛時，上軀干對胸椎過度擠壓也會導致胸椎錯位、碎裂。正面碰撞事故中，大角度坐姿下的乘員下潛趨勢顯著增加，當骨盆受阻，胸椎受擠壓的強度及心臟沿z向慣性下墜的強度都將增加。

3.3.1 大角度坐姿下骨盆加速度

7次試驗中假人骨盆加速度如圖13所示，綜合幅值和曲線所圍面積，正常坐姿A0和B1試驗中骨盆axp大于azp，大角度坐姿的5次試驗中azp大于axp。A0和B1試驗中azp幅值分別為250 m/s2、420 m/s2，B1試驗相對A0試驗增大了68%。A1～A4試驗中，azp幅值分別為496 m/s2、424 m/s2、476 m/s2、490 m/s2，平均值為471.5 m/s2，比A0試驗中結果增大了88.6%；B2試驗中azp幅值為640 m/s2，相對A0試驗增大了156%。該結果表明，在56 km/h正面碰撞試驗中，正常坐姿下，環抱式氣囊造成的心臟大動脈拉傷風險將提升60%以上。大角度坐姿下，相對正常坐姿，心臟大動脈拉傷風險將提升80%以上，且靠背角度越大，傷害風險越高，環抱式氣囊較正面氣囊高。

3.3.2 大角度坐姿下胸椎T12-Fz損傷

THOR假人在胸椎T12位置安裝有T12-Fz傳感器。某車型25°坐姿下MPDB滑臺試驗與A1～A4試驗中假人胸椎T12-Fz對比如圖14所示。滑臺試驗中，T12-Fz表現為前期受壓、后期受拉，最大壓力為0.87 kN，最大拉力為1.55 kN。A1～A4試驗中，胸椎T12-Fz均表現為受壓，最大壓力分別為6.83 kN、6.72 kN、2.36 kN和3.72 kN。該結果表明，假人下潛及翻起初期胸椎T12-Fz變化趨勢相似，角度越大，壓力越趨于增大。碰撞后期前方無約束試驗中胸椎T12-Fz有明顯增強過程，有約束試驗中胸椎T12-Fz趨于平臺化，即后排大角度乘員損傷風險會翻倍增加；胸椎T12位置的受壓程度也反映了胸腔內部器官相對胸腔的相對運動強度，因此，大角度坐姿下心臟大動脈受拉扯損傷風險也將成倍增加。

4 結束語

本文通過滑臺試驗研究，指出大角度坐姿下的乘員在碰撞過程中非接觸損傷風險增加：腦部組織因拉扯、剪切造成的損傷將更加嚴重；頸部彎曲彎矩損傷有加重風險；乘員長時間近似水平下潛造成心臟向腹腔運動的強度增加，提高了心臟主動脈拉斷風險；胸椎受軀干擠壓斷裂風險成倍增長。對于大角度坐姿下乘員的非接觸損傷，通過適時起爆氣囊和環抱式氣囊均不能有效解決，采用正面氣囊適時起爆并配以膝部氣囊進行保護是一種研究方向。

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（責任編輯 白 夜）

修改稿收到日期為2024年7月3日。