正面碰撞中小身材女性駕乘人員損傷防護研究*

唐友名,顏凌波，羅 騫,曹立波

(1.廈門理工學院，福建省客車及特種車輛研發(fā)協同創(chuàng)新中心，廈門 361024；2.湖南大學，汽車車身先進設計制造國家重點實驗室,長沙 410082)

正面碰撞中小身材女性駕乘人員損傷防護研究*

唐友名1,2,顏凌波2，羅 騫2,曹立波1,2

(1.廈門理工學院，福建省客車及特種車輛研發(fā)協同創(chuàng)新中心，廈門 361024；2.湖南大學，汽車車身先進設計制造國家重點實驗室,長沙 410082)

事故統(tǒng)計數據表明，在碰撞事故中，約束系統(tǒng)對小身材女性乘員損傷的防護效果比男性差。本文旨在確定約束系統(tǒng)中對前排小身材女性駕乘人員的響應有顯著影響的主要參數，并利用遺傳算法NSGA-II優(yōu)化約束系統(tǒng)，以提高其對小身材女性乘員的防護效果。結果表明，合理匹配約束系統(tǒng)參數可有效降低前排駕乘人員的頭部損傷，但對其胸部損傷的影響較小。駕駛員和前排乘員胸部損傷的主要來源分別為安全氣囊和安全帶載荷。參數優(yōu)化后，前排駕乘人員頭部和頸部損傷風險明顯降低，在歐洲NCAP測試中總評分提高37.3%。

女性乘員；正面碰撞；約束系統(tǒng)；遺傳算法

前言

據統(tǒng)計，在1996-2005年的汽車碰撞事故中，女性死亡人數約占全部死亡人數的32%，而男性死亡人數約占68%[1]。盡管死亡人數少，但在同類事故中女性乘員的死亡風險比男性乘員高出(22%±9%)[2]～(28%±3%)[3]。盡管有研究表明在致命事故或嚴重損傷的事故中，女性駕乘人員的安全帶佩戴率明顯高于男性[4-5]，但文獻[6]中通過分析碰撞事故中乘員的損傷數據，發(fā)現在相似的碰撞事故中，佩戴三點式安全帶的女性駕駛員承受嚴重損傷的風險約比男性駕駛員高出47%。文獻[7]中分析了NASS-CDS數據，并得出結論，除了頭部和腹部外，女性乘員身體部位承受嚴重損傷的風險整體較高。

盡管對于小身材女性乘員損傷的關注已相當明顯，但對提高小乘員損傷防護的研究并不多見。鑒于如今先進的約束系統(tǒng)通常是基于中等身材的男性乘員設計的，亟需針對小身材女性乘員進行約束系統(tǒng)設計。文獻研究顯示，研究人員通過計算機仿真研究了約束系統(tǒng)對不同身材乘員的保障效能，并得出結論，很難為不同身材的駕乘人員都提供理想的保護。文獻[8]中使用MADYMO軟件研究了針對50百分位男性乘員設計的約束系統(tǒng)對5百分位和95百分位男性乘員的保護效果。結果表明，調整安全氣囊泄氣孔的面積和安全帶限力值能夠避免95百分位乘員的二次碰撞，但對5百分位女性乘員和50百分位男性乘員的損傷防護效果將惡化。文獻[9]中研究了50km/h正面碰撞下，轉向管柱角度、安全帶限力值、安全氣囊起爆時間和泄氣孔面積對5百分位女性假人響應的影響。結果表明，在同一車輛的正面碰撞工況下，女性駕駛員的損傷比50百分位男性乘員的損傷更為嚴重，且較早的安全氣囊起爆時間和較大的泄氣孔面積可減小女性駕駛員的損傷風險。

各國不斷地更新各自的新車評價測試程序和評估標準[10]。自2010年起，US-NCAP使用混III第5百分位女性假人來評價碰撞試驗中前排乘員的安全性。2013年，K-NCAP決定使用混III第5百分位女性假人評價正面碰撞試驗中汽車的安全性[11]。2014年，歐洲NCAP在成年乘員保護評估中加入了正面全寬碰撞試驗，并于2015年開始實行[12]。在全寬正面碰撞中，歐洲NCAP使用兩個5百分位女性假人進行評價，一個安放在駕駛員位置，另一個安放在后排座椅位置。為確保約束系統(tǒng)為所有駕乘人員提供相似的保護水平，前排乘員的得分(制造商提供的數據)不能低于駕駛員總分的90%。當不能滿足該要求時，前排得分將采用駕駛員和前排乘員得分最差的身體部位進行評估。表1為Euro-NCAP全寬正面碰撞的基本評估指標及其上下限。當一個身體區(qū)域存在多個評價指標時，采用得分最低的參數確定該身體區(qū)域的得分[13]。

小身材女性乘員存在較高的嚴重傷害風險和死亡風險，且混III第5百分位女性假人已被用于各國新車正面碰撞安全性能的評價。但在提高小身材女性乘員損傷防護效果方面的研究還很不夠。

表1 Euro-NCAP全寬正面碰撞試驗的評價指標及其上下限

因此，本研究的目的是確定約束系統(tǒng)中對前排小身材女性乘員的響應有顯著影響的主要參數，并基于歐洲NCAP評價標準，利用優(yōu)化方法提高約束系統(tǒng)對小身材女性乘員的損傷防護效果。

1 模型的建立和驗證

本文中建立了駕駛員側和前排乘員的多剛體正面碰撞模型。兩個碰撞模型基于同一汽車建立。正面碰撞模型中采用了由有限元和MADYMO單元組合成的混合安全帶模型。這種安全帶模型可有效模似腰帶和肩帶在帶扣處的滑動，且模型中添加了力-輸出特性以模擬卷收器的卷收效果。

為驗證模型的有效性，根據歐洲NCAP進行了車速50km/h的全寬正面碰撞實驗。實驗中使用了兩個混III第5百分位女性假人，座椅被調節(jié)到最前端，兩車加速度波形分別如圖1和圖2所示。駕駛員側的安全氣囊在18ms左右起爆，約23ms與駕駛員發(fā)生接觸。乘員側的安全氣囊在20ms起爆，并于43ms左右與乘員接觸。由圖1和圖2可見，實驗和仿真的輸出相似，駕駛員和乘員側模型與碰撞實驗相關性分析(CORA)的平均得分分別達到了87.55%和91.86%。表2為實驗與仿真中混III第5百分位假人的損傷值對比。除駕駛員的右大腿力峰值的相對誤差為10.31%外，其余部位損傷值的誤差均小于10%。駕駛員的右大腿力峰值的誤差可能是由于假人下肢在模型中的位置不同和仿真模型中缺乏加速踏板造成的。該右大腿力峰值遠低于歐洲NCAP的高性能限值，因此可以接受。

圖1 實驗與仿真中混III第5百分位女性駕駛員的響應對比

圖2 實驗與仿真中混III第5百分位女性乘員的響應對比

指標駕駛員前排乘員實驗仿真相對誤差實驗仿真相對誤差HIC1524732522201%31872975666%頭部3ms合成加速度H3ms/g49905061142%58535622395%胸部3ms加速度峰值C3ms/g51445036210%42114206012%盆骨加速度峰值/g53655301119%50964806569%左大腿力L＿FC/kN16541535719%20452112328%右大腿力R＿FC/kN213319131031%20202082307%

2 參數靈敏度分析

為確定對假人響應有顯著影響的約束系統(tǒng)參數，利用兩個碰撞模型分別進行了參數靈敏度分析。表3為輸入變量值。其中，氣體質量流率是相對原始模型氣體質量流率的倍數，D環(huán)摩擦因數、氣體質量流率、安全氣囊泄氣孔面積和氣囊體積為連續(xù)值。分析過程中，采用拉丁方設計進行均勻采樣，生成實驗設計表，并以表1中的評價指標為輸出參數。

表3 參數靈敏度分析中研究的參數

根據輸入參數大小，將所有輸入參數分成兩個級別，分別為“高”和“低”。將所有實驗分成兩個大小相等的組，并計算出這些數據的平均值，以查看輸入參數對輸出參數的影響。采用Student-t檢驗檢測兩個組的平均值之間是否存在顯著差異，即檢測輸入參數對輸出參數是否有明顯影響；并利用兩個平均值的差值表示輸入因子對各輸出參數的影響。“+”代表正影響，“-”代表負影響，數值表示影響的水平。為對比不同損傷指標所受的影響，所有仿真輸出均利用歐洲NCAP的低性能值進行了正則化。

圖3為對駕駛員各部位響應有顯著影響的約束系統(tǒng)參數。其中指標HRaccP表示頭部合成加速度峰值。由圖可知，安全氣囊起爆時間對駕駛員頭部的影響最大，安全帶限力值是主要影響因素且對駕駛員全身各部位都有影響。較小的安全帶限力值可減小駕駛員頸部和胸部的損傷。推遲安全氣囊起爆時間，可有效減小駕駛員頭部損傷，但會使頸部張力增加。總體來看，頭部響應主要受安全氣囊參數的影響，頸部和胸部響應主要受安全帶參數的影響。在參數范圍內，約束系統(tǒng)參數對駕駛員頭部的影響比對胸部和頸部的影響大。

圖3 對駕駛員響應有顯著影響的約束系統(tǒng)參數(p<0.05)

圖4 對前排乘員響應有顯著影響的約束系統(tǒng)參數(p<0.05)

圖4為對前排乘員各部位響應有顯著影響的約束系統(tǒng)參數。氣囊起爆時間是最主要的影響因素，并且對所有身體部位都有影響，其次是泄氣孔面積。較晚的安全氣囊起爆時間將增加頭部和胸部的損傷，減小頸部的彎矩。增加泄氣孔面積會降低頭部損傷風險，增加乘員頸部剪切力和張力。整體而言，安全氣囊參數對乘員身體各部位響應都有明顯的影響。對比駕駛員和前排乘員身體各部位響應，乘員頭部和胸部的響應較駕駛員小，而乘員頸部的響應較駕駛員大。

3 約束系統(tǒng)優(yōu)化

僅當約束系統(tǒng)的所有部件能完美匹配時，才能符合各類消費者測試要求。因此，本文中對駕駛員和前排乘員兩個約束系統(tǒng)分別進行了參數匹配。使用代理模型可減少計算機仿真優(yōu)化所需時間。根據上述靈敏度分析結果，將安全氣囊起爆時間、泄氣孔面積、安全帶限力值和預緊作用時間作為兩個約束系統(tǒng)參數匹配的優(yōu)化變量。

3.1 優(yōu)化目標與約束條件

表4為利用歐洲NCAP成年乘員保護法規(guī)對本文中前排乘員進行的評分。由表可知，5百分位女性駕駛員的胸部壓縮量、前排乘員的頸部彎矩和胸部壓縮量失分嚴重。因此，將最小化胸部壓縮量作為駕駛員約束系統(tǒng)的優(yōu)化目標：最小化胸部壓縮量和頸部彎矩(兩者等權重)作為前排乘員約束系統(tǒng)的優(yōu)化目標。

式(1)為利用Euro-NCAP正面碰撞測試中各評價指標的下限定義的加權損傷指數(WIC)。

根據靈敏度分析，某些約束系統(tǒng)參數對身體區(qū)域的影響并不一致。例如較早的安全氣囊起爆時間，有利于乘員頸部的保護，但不利于乘員頭部的保護。優(yōu)化過程中可能出現頸部損傷得到改善，但乘員頭部損傷風險急劇增加的情況。因此，在優(yōu)化過程中使WIC<1，防止此類情況的出現。

表4 基于Euro-NCAP正面碰撞實驗的前排駕乘人員得分

(1)

Euro-NCAP的成年乘員保護條例中，當頭部合成加速度峰值HRaccp超過80g時，說明假人頭部發(fā)生了硬接觸；當肩帶力超過6kN時，將扣除兩個點進行懲罰[12]。這兩種情況都不利于乘員保護。因此，優(yōu)化過程中的約束條件為

(2)

3.2 響應面和優(yōu)化結果

采用Kriging響應面代理模型，選用拉丁超立方實驗設計，在變量范圍內隨機均勻取點，自動生成一個包含輸入變量和輸出變量的表格。選擇50種組合，運用軟件MODE-FRONTIER中的遺傳算法(NSGA-Ⅱ)進行仿真。

為檢測響應面的可靠性，將優(yōu)化獲得的最佳設計參數輸入到MADYMO模型中進行計算對比。表5對比了真實仿真(MADYMO模型)和虛擬仿真(響應面模型)的結果。真實仿真與虛擬仿真之間最大的相對誤差僅為7.49%，說明創(chuàng)建的響應面是可靠的。

表5 響應面的相對誤差分析

表6為該約束系統(tǒng)根據Euro-NCAP全寬正面碰撞中前排乘員的評價指標獲得的分數。參數優(yōu)化后，前排駕乘人員的總得分增加了37.3%，說明優(yōu)化后，約束系統(tǒng)為小身材女性乘員提供了更好的保護性能。其中，駕駛員的得分增加了3.8%，前排乘員得分增加了28.9%；前排乘員的頸部彎矩降到高性能值以下。駕駛員和前排乘客的胸部壓縮量分別減少了2.8和0.26mm。

表6 優(yōu)化后前排約束系統(tǒng)損傷防護評估

表7為優(yōu)化前后的約束系統(tǒng)參數。結合表4和表6可知，安全帶限力值減小，使駕駛員胸部壓縮量減小。增加泄氣孔面積，使右側小身材女性乘員的頸部彎矩明顯減小。對于駕駛員和前排乘員，胸部壓縮量都沒有明顯減小，該結果與參數靈敏度分析一致。

綜上所述，通過匹配安全帶限力值、預緊作用時間、泄氣孔面積和安全氣囊起爆時間，前排乘員頸部損傷明顯降低，但前排乘員胸部損傷的變化較小。Euro-NCAP規(guī)定碰撞過程中駕駛員的座椅應位于其行程的最前端，這使駕駛員與安全氣囊的距離很小；由仿真動畫可知，駕駛員與安全氣囊的接觸發(fā)生在氣囊起爆過程中，這使駕駛員胸部損傷嚴重。前排乘員與乘員側安全氣囊的距離較大，但是第5百分位女性乘員身材嬌小，碰撞過程中，安全氣囊主要作用于乘員頭部，對胸部的影響很小。文獻[14]中研究了正面碰撞事故數據，并對與胸部壓縮量有關的損傷進行評估，發(fā)現女性駕駛員胸部損傷風險是男性胸部損傷風險的1.77倍，前排女性乘員胸部損傷風險是前排男性乘員的1.3倍。結合本文中優(yōu)化結果可得出結論，當前的約束系統(tǒng)參數范圍不利于前排小身材乘員的胸部損傷防護，在后續(xù)的研究中應關注小身材乘員胸部損傷防護。

表7 約束系統(tǒng)參數

4 結論

基于Euro-NCAP的法規(guī)流程模擬了50km/h的正面全寬碰撞工況下，駕駛員位置和副駕駛位置上混III第5百分位女性假人的動態(tài)響應。通過靈敏度分析確定了前排第5百分位女性乘員損傷的主要影響參數，并利用MODE-FRONTIER進行了優(yōu)化，結論如下。

(1) 約束系統(tǒng)參數對前排駕乘人員頭頸部損傷有較大影響，對胸部響應的影響較小。

(2) 對于前排駕乘人員，不同身體部位響應的主要影響因素不同。安全帶參數對駕駛員頭部有明顯影響，但對乘員頭部影響較小；駕駛員頸部損傷主要受安全帶參數的影響，前排乘員頸部損傷主要受安全氣囊參數的影響。

(3) 合理匹配安全帶限力值、預緊作用時間、安全氣囊起爆時間以及泄氣孔面積可有效減小前排小身材乘員的頭頸部損傷。

(4) 當前的約束系統(tǒng)參數范圍不利于前排小身材乘員的胸部損傷防護，在后續(xù)的工作中應關注小身材乘員胸部的損傷防護研究。

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A Study on Injury Protection of Female Driver andOccupant with Small Stature in Frontal Crash

Tang Youming1,2, Yan Lingbo2, Luo Qian2& Cao Libo1,2

1.XiamenUniversityofTechnology,FujianCollaborativeInnovationCenterforR&DofCoachandSpecialVehicle,Xiamen361024;2.HunanUniversity,StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufacturingforVehicleBody,Changsha410082

Accident statistical data indicate that the injury protection effects of restraint system on female occupants with small stature are poorer than that on male occupants. This paper aims to determine the main parameters of restraint system significantly affecting the responses of female driver and occupant with small stature in front row, and utilize genetic algorithm NSGA-II to optimize restraint system so as to enhance its injury protection effects on female occupants with small stature. The results show that the rational matching of restraint system parameters can effectively reduce the head injury of driver and occupant in front row but has relatively small effects on their chest injury. The main source of chest injury of driver and front row occupant is safety air bag and the load on safety belt respectively. After parameter optimization, the risks of head and chest injuries of driver and front row occupant significantly reduce with their overall score in E-NCAP test increases by 37.3%.

female occupants; frontal crash; restraint system; genetic algorithm

*國家自然科學基金(51305374)、福建省高校杰出青年科研人才基金(JA14229)、福建省科技創(chuàng)新平臺項目(2016H2003)和廈門理工學院對外科技合作專項(E201400300)資助。

2016229

原稿收到日期為2016年5月13日。