乘員下潛傾向判斷準(zhǔn)則的研究*

唐 亮，劉晉浩，程朋樂(lè)，周 青，王青春

(1.北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083; 2.清華大學(xué)，汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

前言

安全帶的使用大大降低了乘員在碰撞事故中的傷亡［1］。安全帶正確的作用位置為乘員的肩部、胸部和髖部。但若在碰撞過(guò)程中乘員安全帶的腰帶滑離乘員的髖骨，直接作用于腹部和內(nèi)臟器官;安全帶的肩帶滑離并直接作用于乘員的頸部等，這種現(xiàn)象稱為下潛［2－3］。下潛是碰撞事故中非常危險(xiǎn)的一種現(xiàn)象，可能對(duì)乘員造成嚴(yán)重的傷害。

現(xiàn)有關(guān)于下潛的研究主要分為3類:(1)下潛的定義和表征［4－7］;(2)下潛的測(cè)量［8－10］;(3)下潛的預(yù)防［11－13］。雖然對(duì)下潛發(fā)生的判斷比較清楚，但實(shí)際上，不同工況下發(fā)生下潛的可能性或傾向并不相同，目前關(guān)于乘員下潛傾向判斷準(zhǔn)則的研究較少。

據(jù)此，作者在前期關(guān)于乘員下潛機(jī)理的理論研究中初步提出了幾個(gè)乘員下潛傾向的判斷準(zhǔn)則［14－15］。本文中進(jìn)一步分析和完善了其中兩個(gè)較為合理有效的準(zhǔn)則，并將其中一個(gè)應(yīng)用到安全帶腰帶走向?qū)ο聺搩A向的影響分析中。首先，基于安全帶腰帶與骨盆間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)理論提出了兩個(gè)能有效判斷正面碰撞中下潛傾向的準(zhǔn)則;然后，采用混III 5百分位女性假人正面碰撞的有限元模型對(duì)下潛傾向判斷準(zhǔn)則進(jìn)行了驗(yàn)證;最后，應(yīng)用所驗(yàn)證的下潛判斷準(zhǔn)則，評(píng)估安全帶腰帶水平角度對(duì)乘員下潛傾向的影響。

1 下潛傾向判斷準(zhǔn)則

提出兩個(gè)下潛傾向的判斷準(zhǔn)則:(1)安全帶腰帶在骨盆上的相對(duì)位置(lap belt position on pelvis，LBOP);(2)髂骨傳感器的力矩與力的比值(iliac wing moment-to-force ratio，IMFR)，以量化下潛傾向，進(jìn)行乘員約束系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化計(jì)算或敏感性分析，從而指導(dǎo)乘員約束系統(tǒng)的防下潛設(shè)計(jì)。

1.1 安全帶腰帶在骨盆上的相對(duì)位置

圖1為美國(guó)第一技術(shù)公司(FTSS)開(kāi)發(fā)的混III 5百分位女性假人髖部有限元模型的側(cè)視圖［16］，其中p表示髂骨支撐的髖部皮膚的高度，也可近似作為大腿到腹部的距離，q表示髂骨傳感器的高度。對(duì)于混III 5百分位女性假人，p和q的值分別為40和50mm;對(duì)于混III 50百分位男性假人，分別為76.3和95.3mm。由于小身材的假人更容易發(fā)生下潛［2］，本文中選擇5百分位女性假人為研究對(duì)象。

定義ΔL為安全帶織帶的下端到大腿的距離，如圖2所示。在碰撞過(guò)程中，當(dāng)ΔL＞p時(shí)，表明安全帶腰帶已經(jīng)完全滑離骨盆，直接作用在腹部軟組織上，即發(fā)生了下潛。當(dāng)腰帶尚未完全滑離骨盆，ΔL的數(shù)值也可以作為衡量下潛傾向的參數(shù)，即ΔL值越大，下潛的傾向也越大。

為方便不同尺寸假人之間的比較，前面已定義一個(gè)無(wú)量綱參數(shù)LBOP指標(biāo)來(lái)判斷下潛的傾向和下潛的發(fā)生，即

式中:LBOPL和LBOPR分別為乘員左側(cè)和右側(cè)的下潛傾向判斷指標(biāo)。作為下潛傾向的衡量指標(biāo)，如果LBOP值的變化范圍在－1～0之間，則有LBOP值越大，下潛傾向越大;如果LBOP大于或等于0表明下潛已經(jīng)發(fā)生。

1.2 髂骨傳感器的力矩與力的比值

在碰撞試驗(yàn)中，安全帶相對(duì)于骨盆的瞬時(shí)位置可能難以測(cè)得，但通過(guò)髂骨力傳感器輸出的安全帶作用下的瞬時(shí)力與力矩，可間接估算得到安全帶相對(duì)于骨盆的位置。

混III 5百分位女性假人髂骨左右兩翼的傳感器，如圖3所示，可分別測(cè)量髂骨左右兩翼的力FL、FR與力矩ML、MR(只考慮安全帶腰帶對(duì)髂骨的作用力，其余可能作用于髂骨的力和力矩可以忽略不計(jì))。力和力矩的正方向定義見(jiàn)圖3。安全帶相對(duì)于髂骨兩翼的位置可用前面已定義的IMFR來(lái)表示，即

式中:IMFRL和IMFRR分別為髂骨左翼和右翼傳感器的力矩與力的比值。為使IMFR指標(biāo)與LBOP指標(biāo)對(duì)下潛傾向的判斷一致，在式(2)的定義中添加了一個(gè)負(fù)號(hào)，可以使IMFR值越大，下潛傾向越大。若IMFR為正值，則表示安全帶在相對(duì)應(yīng)的髂骨傳感器中軸線的上方;若IMFR為負(fù)值，則表示在該中軸線的下方。IMFR判斷指標(biāo)與LBOP判斷指標(biāo)的關(guān)系為

IMFR值反映了安全帶相對(duì)于髂骨傳感器中軸線的位置。作為下潛傾向的判斷指標(biāo)，對(duì)于混III 5百分位女性假人，IMFR值應(yīng)在－15～25mm之間。當(dāng)IMFR值大于q/2時(shí)，表明下潛已經(jīng)發(fā)生。例如，對(duì)于混III 5百分位女性假人，當(dāng)IMFR＞25mm時(shí)，下潛發(fā)生。

2 下潛傾向判斷準(zhǔn)則的驗(yàn)證

在LS-DYNA平臺(tái)上，用混III 5百分位女性假人進(jìn)行了48km/h臺(tái)車正面碰撞試驗(yàn)的有限元模擬，來(lái)驗(yàn)證LBOP和IMFR下潛傾向判斷準(zhǔn)則的有效性。臺(tái)車碰撞加速度波形的時(shí)間歷程曲線如圖4所示。乘員約束系統(tǒng)的設(shè)置均滿足FMVSS法規(guī)的要求［17］。安全帶與假人之間的間隙定義為100mm，其中肩帶間隙為70mm，腰帶間隙為30mm。為表述方便，定義此模型為基準(zhǔn)模型。

在基準(zhǔn)模型中，將座椅靠背角度δ設(shè)置為25°，座椅椅墊角度α設(shè)置為10°，安全帶與碰撞假人間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)設(shè)置為0.3(記之為:Back_25°模型)，模型的初始構(gòu)型如圖5所示。Back_25°模型的碰撞模擬動(dòng)畫(huà)如圖6所示，在整個(gè)碰撞過(guò)程中，安全帶腰帶始終作用在骨盆上，沒(méi)有發(fā)生下潛。

在Back_25°模型的基礎(chǔ)上設(shè)置并運(yùn)算另外兩個(gè)模型，一個(gè)模型在安全帶鎖扣端加裝預(yù)緊器(記之為:BucklePre_25°)，另一個(gè)模型在安全帶錨點(diǎn)端加裝預(yù)緊器和安全帶單向鎖止器(記之為:AnchorPre_25°)。通常情況下，安全帶被鎖扣劃分為肩帶和腰帶部分，安全帶肩帶和腰帶可以在鎖扣處雙向竄動(dòng)。單向鎖止器允許安全帶腰帶滑向肩帶，阻止安全帶的肩帶滑向腰帶。兩個(gè)模型中的安全帶預(yù)緊器的最大預(yù)緊行程均定義為50mm，預(yù)緊器的觸發(fā)時(shí)間定義為碰撞發(fā)生后的10ms。

圖7和圖8分別為 BucklePre_25°模型和AnchorPre_25°模型在碰撞過(guò)程中的模擬動(dòng)畫(huà)。由圖可見(jiàn)，BucklePre_25°和 AnchorPre_25°兩個(gè)模型在碰撞過(guò)程中都沒(méi)有發(fā)生下潛現(xiàn)象。使用鎖扣預(yù)緊器可以很快地在碰撞初始時(shí)刻消除安全帶與假人之間的間隙，從而提供更有效的骨盆約束力，以減小下潛傾向;使用錨點(diǎn)預(yù)緊器和單向鎖止器可以更大程度地減小下潛傾向，錨點(diǎn)預(yù)緊器消除了腰帶和假人骨盆之間的間隙，同時(shí)安全帶單向鎖止器可在整個(gè)碰撞過(guò)程中有效阻止安全帶肩帶進(jìn)入腰帶部分，防止增加腰帶與假人之間的間隙。這些措施都可為假人骨盆提供有效的約束力，從而減小下潛的傾向。

下面分別用上述3個(gè)模型評(píng)價(jià)LBOP和IMFR準(zhǔn)則預(yù)測(cè)下潛傾向的有效性。

2.1 LBOP準(zhǔn)則的驗(yàn)證

計(jì)算仿真可以輸出安全帶腰帶在骨盆上的滑動(dòng)距離ΔL，由式(1)計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的LBOP值，表1列出了LBOP峰值。3個(gè)模型的LBOP峰值均為負(fù)，根據(jù)LBOP下潛判斷準(zhǔn)則可以得出下潛均未發(fā)生;進(jìn)而根據(jù)LBOP值列出3個(gè)模型的下潛傾向的排序。

表1 LBOP峰值

2.2 IMFR準(zhǔn)則的驗(yàn)證

計(jì)算仿真可以輸出髂骨兩翼的力和力矩，表2列出IMFR峰值，由式(2)計(jì)算得到3個(gè)模型的IMFRL和IMFRR時(shí)間歷程曲線，如圖9所示。在碰撞初期和末期，髂骨受到的力和力矩接近零，按式(2)作除法運(yùn)算會(huì)有較大誤差，因此IMFR曲線的計(jì)算只包含了髂骨力和力矩相對(duì)較大的時(shí)間段，對(duì)于48km/h的正面碰撞，這個(gè)時(shí)間段為60－100ms。

表2 IMFR峰值

根據(jù)IMFR準(zhǔn)則可知:(1)3個(gè)模型的IMFR值均小于25mm，可以判斷這3個(gè)工況都沒(méi)有發(fā)生下潛;(2)對(duì)于 AnchorPre_25°模型，由于 IMFR值為負(fù)，可以判斷安全帶腰帶處于髂骨傳感器中軸線的下方，即下潛傾向較小;(3)對(duì)于 Back_25°和BucklePre_25°模型，由于IMFR值為正，可以判斷安全帶腰帶處于髖骨兩翼傳感器中軸的上方，即下潛傾向較大。

可見(jiàn)IMFR準(zhǔn)則與LBOP準(zhǔn)則預(yù)測(cè)的下潛傾向一致。

3 下潛傾向判斷準(zhǔn)則的應(yīng)用

在臺(tái)車碰撞有限元基準(zhǔn)模型基礎(chǔ)上，對(duì)比了安全帶地板固定點(diǎn)分別在A、B、C 3處時(shí)的下潛傾向，如圖10所示。計(jì)算模擬中椅背角度δ=30°，椅墊角 度 α =10°。 按 照MVSS210 法 規(guī) 規(guī) 定［18］，在地板固定點(diǎn)處安全帶走向的水平角β應(yīng)為30°～75°。圖 10中安全帶地板固定點(diǎn)A、B、C分別對(duì)應(yīng)的安全帶水平角β為 73°、52°、45°，均 在MVSS 210法規(guī)規(guī)定的范圍內(nèi)。

針對(duì)不同的安全帶地板固定點(diǎn)的工況進(jìn)行碰撞模擬，表3列出這3種工況下表征乘員下潛傾向的參數(shù)值，3個(gè)工況的LBOP時(shí)間歷程曲線如圖11所示。當(dāng) β 為45°時(shí)，LBOPL和 LBOPR峰值大于0，基于LBOP準(zhǔn)則可知，此工況發(fā)生了下潛;當(dāng)β為73°和52°時(shí)，LBOPL和 LBOPR峰值小于 0，即沒(méi)有發(fā)生下潛現(xiàn)象;同時(shí)，隨著β的增大，LBOPL和LBOPR減小，根據(jù)LBOP下潛傾向判斷準(zhǔn)則可以得出，β越大，下潛傾向越小。

表3 不同β角的下潛參數(shù)和下潛判斷

3個(gè)工況的碰撞模擬動(dòng)畫(huà)如圖12所示。由圖可見(jiàn):β為73°和52°時(shí)，在碰撞過(guò)程中下潛沒(méi)有發(fā)生;β為45°時(shí)，在85ms時(shí)，安全帶腰帶侵入腹部，即下潛發(fā)生。碰撞模擬動(dòng)畫(huà)進(jìn)一步驗(yàn)證了LBOP指標(biāo)對(duì)下潛傾向的判斷。

從力學(xué)機(jī)理上進(jìn)一步分析，安全帶腰帶與水平方向角度對(duì)乘員下潛傾向的影響實(shí)際上可以歸結(jié)于安全帶張力對(duì)髖部力矩的影響。髖部力矩理論［10］表明，假人髖部的逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)(按圖10的視角)的傾向可以降低假人的下潛傾向。作用于髖部質(zhì)心處的合力矩主要由以下幾個(gè)力和力矩貢獻(xiàn):安全帶腰帶張力、假人上體在腰椎處對(duì)髖部產(chǎn)生的力和力矩、座椅坐墊對(duì)髖部的垂直和水平作用力、大腿給髖部的作用力等。其中安全帶腰帶張力對(duì)髖部產(chǎn)生力矩的方向(順時(shí)針還是逆時(shí)針)取決于腰帶的角度β。當(dāng)β較大時(shí)(如圖10中固定點(diǎn)A位置)，腰帶的走向通過(guò)髖部質(zhì)心的下方，腰帶張力對(duì)髖部產(chǎn)生逆時(shí)針?lè)较虻牧?，可降低假人的下潛傾向;當(dāng)β較小時(shí)(如圖10中固定點(diǎn)C位置)，腰帶的走向通過(guò)髖部質(zhì)心的上方，腰帶張力對(duì)髖部產(chǎn)生順時(shí)針力矩，增加假人的下潛傾向。綜上所述，下潛判斷準(zhǔn)則的預(yù)測(cè)結(jié)果與下潛產(chǎn)生的力學(xué)機(jī)理分析結(jié)果一致。

4 結(jié)論

在乘員約束系統(tǒng)設(shè)計(jì)中須考慮如何避免乘員下潛的發(fā)生。判斷下潛發(fā)生與否只須判斷安全帶腰帶是否完全滑離髖部并侵入腹部，但是，在下潛不發(fā)生的情況下，不同的約束系統(tǒng)設(shè)計(jì)和在不同碰撞工況下發(fā)生下潛的傾向不同。判斷發(fā)生下潛的傾向需要一個(gè)量化的指標(biāo)和準(zhǔn)則。本文中提出了兩個(gè)判斷下潛傾向的準(zhǔn)則，即LBOP準(zhǔn)則和IMFR準(zhǔn)則，并用臺(tái)車正面碰撞的有限元模型驗(yàn)證了這兩個(gè)準(zhǔn)則的有效性。最后應(yīng)用LBOP準(zhǔn)則，評(píng)估了安全帶腰帶水平角度對(duì)乘員下潛傾向的影響，結(jié)果表明，隨著安全帶腰帶與水平方向夾角的增大，下潛傾向會(huì)降低。

仿真驗(yàn)證所建立的下潛傾向判斷準(zhǔn)則合理有效，有助于進(jìn)一步研究下潛發(fā)生的機(jī)理和設(shè)計(jì)防止下潛的乘員保護(hù)措施。本文中分析了安全帶固定點(diǎn)位置對(duì)乘員下潛傾向的影響，除此以外，座椅靠背角度和坐墊角度對(duì)下潛和下潛傾向亦有很大影響。這些約束系統(tǒng)參數(shù)對(duì)乘員下潛傾向的影響，均可以應(yīng)用LBOP和IMFR準(zhǔn)則進(jìn)行分析和優(yōu)化，這也是后續(xù)要開(kāi)展的研究工作。

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