3歲離位兒童損傷機理研究

張學榮　周進寶　黃碩　許長龍

（江蘇大學，鎮(zhèn)江 212013）

3歲離位兒童損傷機理研究

張學榮周進寶黃碩許長龍

（江蘇大學，鎮(zhèn)江 212013）

根據(jù)FMVSS 208法案的相關(guān)要求，在MADYMO軟件中建立3歲兒童離位工況仿真模型，并對離位工況下氣囊排氣孔大小、織布滲透率、起爆角度等關(guān)鍵參數(shù)不同水平的損傷值進行計算，揭示了氣囊在展開過程中內(nèi)部物理場的變化過程。在此基礎(chǔ)上對損傷機理進行研究，結(jié)果表明：頭部加速度與氣囊內(nèi)部壓力線性相關(guān)；胸部連續(xù)3 ms最大加速度與對應(yīng)3 ms時間內(nèi)氣囊內(nèi)部壓力線性相關(guān)；頸部最大軸向拉伸力與頭部和胸部在Z軸方向上的最大相對位移線性相關(guān)。

主題詞：安全氣囊離位兒童仿真損傷機理

1　前言

安全氣囊在車輛發(fā)生碰撞時對于50百分位處于正常乘坐位置（in position）的成年男性具有較好的保護效果，但對于離位（out of position，OOP）兒童以及5百分位成年女性來說，由于其身材較小，乘坐位置靠近安全氣囊，安全氣囊的展開存在導致其損傷甚至死亡的風險。

乘員的離位狀態(tài)是指不系安全帶的情況下，乘員的乘坐位置比較靠前，或者在碰撞發(fā)生時由于慣性力向前運動，在氣囊未完全展開的情況下與氣囊發(fā)生接觸的乘坐狀態(tài)［1］。

本文用MADYMO軟件建立副駕駛員位置兒童離位仿真模型［2～3］，選取安全氣囊相關(guān)參數(shù)，分別計算每個參數(shù)的不同水平下離位兒童的損傷值，在此基礎(chǔ)上研究其損傷機理。

2　離位兒童損傷機理研究

2.1頭部損傷機理研究

乘員的靜態(tài)離位試驗中，假人在氣囊的展開過程中與氣囊接觸，此時假人頭部受到的力包括氣囊的作用力、頸部的反作用力以及重力，其中氣囊的作用力是產(chǎn)生頭部加速度的主要原因［4］。在與頭部接觸的過程中，氣囊內(nèi)部的氣體流速、溫度和壓力都會發(fā)生改變，從而導致氣囊對假人的作用力發(fā)生改變［5］。本文主要研究氣囊內(nèi)部物理場變化與頭部損傷之間的關(guān)系，因此需要進行相關(guān)性分析。

皮爾遜相關(guān)系數(shù)［6］（Pearson correlation coefficient，PCC）用于反映兩個變量X和Y之間的線性相關(guān)程度，其計算公式為：

式中，ρX，Y為X、Y的總體相關(guān)系數(shù)；為協(xié)方差；E為數(shù)學期望；σX、σY分別為變量X、Y的總體方差；σX、σY分別為X、Y的總體平均數(shù)。

式（1）定義了總體相關(guān)系數(shù)，基于樣本的相關(guān)系數(shù)為：

在離位工況下，假人的頭部加速度會出現(xiàn)明顯的峰值，但由于其持續(xù)時間太短，不會對兒童造成巨大的傷害。兒童的頭部損傷判斷指標HIC15根據(jù)頭部加速度計算得出，用來反映氣囊對頭部造成的傷害［7］，因此對假人頭部的損傷研究主要在HIC15的積分時間段內(nèi)［8］。

經(jīng)過計算，氣囊內(nèi)部溫度與頭部加速度的相關(guān)系數(shù)r=-0.03，說明兩者之間沒有線性關(guān)系，溫度較高對乘員造成的傷害主要是燒傷、燙傷等，其變化與頭部加速度之間的關(guān)系很??；氣體流速與頭部加速度的相關(guān)系數(shù)r=0.28，說明兩者之間有一定的關(guān)系，但相關(guān)性很差，氣體流速的改變對頭部加速度的影響很小；氣囊內(nèi)部壓力與頭部加速度之間的相關(guān)系數(shù)r=0.93，可以認為兩條曲線高度線性相關(guān)。將氣囊內(nèi)部壓力按一定比例擴大，同時將頭部加速度曲線進行4階線性擬合（見圖1），可以看出，經(jīng)過線性擬合的頭部加速度與氣囊內(nèi)部壓力的重合度較高，尤其是在最大值附近，因此，在一定的誤差范圍內(nèi)，可以認為頭部加速度與氣囊內(nèi)部壓力之間具有線性關(guān)系。

在研究頭部加速度與氣囊內(nèi)部壓力的比值關(guān)系時，比值系數(shù)的確定是一個重點。對于兩條呈比例關(guān)系的曲線，可以選取一個可參考的變量進行研究。在HIC15的積分時間段內(nèi)，當頭部加速度達到最大值，且持續(xù)3 ms時才能對頭部造成嚴重傷害［9］。因此，本文以連續(xù)3 ms最大加速度為研究對象，使其與對應(yīng)3 ms氣囊內(nèi)部壓力的比值K作為頭部加速度與氣囊內(nèi)部壓力的比值系數(shù)，即

以其中一種工況的仿真結(jié)果為研究對象，可知在HIC15的積分時間段內(nèi)，3歲兒童頭部加速度與氣囊內(nèi)部壓力之間具有線性關(guān)系。但在離位兒童的損傷機理研究中，需要大量的數(shù)據(jù)研究，從而使研究結(jié)果具有科學性和穩(wěn)定性。因此，本文繼續(xù)研究不同工況下HIC15積分時間內(nèi)氣囊內(nèi)部壓力與頭部加速度的相關(guān)性。

表1為全部工況下，氣囊內(nèi)部壓力與頭部加速度的相關(guān)系數(shù)，其結(jié)果大多在0.9以上，其中最小值為0.866，可以認定在HIC15的計算時間內(nèi)氣囊內(nèi)部壓力與頭部加速度之間高度線性相關(guān)，因此可以繼續(xù)研究其他不同工況下頭部加速度與氣囊內(nèi)部壓力的比值系數(shù)。表2為不同工況下的比值系數(shù)K，其中最大值為1.508，最小值為1.366，方差為0.036，說明該組數(shù)據(jù)的離散程度不高，具有較好的穩(wěn)定性。將內(nèi)部壓力作為變量X，將頭部加速度作為變量Y，將這些點標注在平面直角坐標系上，從而得到散點圖，如圖2所示。

表1　氣囊內(nèi)部壓力與頭部加速度的相關(guān)系數(shù)

表2　不同工況下的比值系數(shù)

由圖2可以看出，數(shù)據(jù)點大致落在一條直線附近，其決定系數(shù)r2（相關(guān)系數(shù)的平方）為0.971 3，可以認定兩者之間具有很強的線性關(guān)系。

2.2胸部損傷機理研究

在氣囊觸發(fā)點火前，假人的頭部靠在儀表板上，胸部與氣囊之間保持一定的距離，故氣囊展開初期胸部不與氣囊發(fā)生接觸。但頭部運動產(chǎn)生的動能經(jīng)過頸部傳遞給胸部，造成胸部產(chǎn)生一定的加速度。FMVSS 208法規(guī)中規(guī)定的離位乘員胸部的損傷指標為胸部3 ms加速度以及胸部壓縮量［10］。胸部加速度主要受氣囊作用力的影響，因此主要研究胸部3 ms加速度與氣囊內(nèi)部壓力之間的關(guān)系。

采用MADYMO軟件計算并輸出不同工況下的胸部連續(xù)3 ms最大加速度（T3）以及對應(yīng)3 ms時間段內(nèi)氣囊內(nèi)部壓力（P3），結(jié)果如表3所示。

表3　胸部連續(xù)3 ms最大加速度與氣囊內(nèi)部壓力

以胸部3 ms加速度為變量Y、氣囊內(nèi)部壓力為變量X，將這些點標注在平面直角坐標系上，從而得到散點圖，如圖3所示。

由圖3可以看出，數(shù)據(jù)點大致落在一條直線附近，其決定系數(shù)r2=0.982 6，可以認定胸部3 ms加速度與對應(yīng)3 ms時間段內(nèi)氣囊內(nèi)部壓力之間滿足線性關(guān)系。根據(jù)坐標系中的散點擬合出一條趨勢線，設(shè)置截距為0，從而可以得到一元線性回歸方程，因此，可以認定胸部3 ms加速度與對應(yīng)3 ms時間段氣囊內(nèi)部壓力滿足

2.3頸部損傷機理研究

在氣囊展開過程中，兒童頸部受到的載荷包括彎曲彎矩My+、伸張彎矩My-、拉伸軸向力Fz+、壓縮軸向力Fz-、向前剪切力Fx+和向后剪切力Fx-［10］，如圖4所示。

由圖4可知，兒童的頸部較短且在頭、胸部之間，故不會與氣囊發(fā)生接觸。當頭部與胸部有較大的相對運動時，會使頸部過度后伸，超出人體運動的正常生理范圍，造成頸部部分軟組織的拉傷或扭傷［11］，這是造成頸部傷害的主要原因。

圖5、圖6分別為頸部軸向力和頸部繞Y軸的彎矩圖，大致可以將上、下頸部的運動狀態(tài)分為以下4個階段：

a.0～7 ms：氣囊初始起爆，頭部在氣囊的作用下向上運動，頭部Z向加速度驟然增加，上、下頸部受到向上的力，從而頸部軸向力大于0，為拉伸力［12］。

b.7～33 ms：氣囊的主要作用點是頭部，頭部加速度急劇增加，胸部加速度增加相對較小，從而造成頭、胸部之間具有較大的相對運動。在頭、胸部的作用下，整個頸部順時針旋轉(zhuǎn)。上頸部繞Y軸的彎矩為正值，處于向前彎曲的狀態(tài)；下頸部繞Y軸的彎矩為負值，處于向后伸展狀態(tài)。此時整個頸部呈反S型［13］，并且頸部軸向力為負值，即受到壓縮力。

c.33～42 ms：胸部所受氣囊的作用逐漸增大，因此頭、胸部的相對運動減小。上、下頸部繞Y軸的彎矩逐漸趨于0，頸部的反S形狀逐漸平緩，頸部軸向力變?yōu)槔炝Σ⑶抑饾u增大。

d.42～60 ms：在第42 ms時頭部與氣囊分離，此時氣囊的作用點在胸部，因此胸部產(chǎn)生加速度峰值，但頭部在慣性的作用下仍然向后運動。在這一階段，上、下頸部繞Y軸的彎矩均為負值，說明上、下頸部都處于向后伸展狀態(tài)，整個頸部呈C型［14］。頸部的軸向力為正，說明頸部處于拉伸狀態(tài)。

FMVSS 208中關(guān)于頸部載荷的損傷指標為頸部軸向力，包括拉伸軸向力和壓縮軸向力。在全部35種工況仿真計算中：拉伸力大于壓縮力的工況有32種，所占比例為91.4%；拉伸力小于壓縮力的工況只有3種，分別為工況R（氣囊采用卷繞式折疊）、工況A1（氣囊起爆角度為100°）和工況A2（氣囊起爆角度為90°）。在拉伸力小于壓縮力的3種工況下，氣囊在展開過程中將假人的頭部包裹在氣袋織布內(nèi)，并向頭部施加向下的壓力，從而導致頸部壓縮軸向力過大。FMVSS 208中規(guī)定的頸部拉伸力損傷限值為1 130 N，頸部壓縮力損傷限值為1 380 N，說明頸部對拉伸軸向力的承受能力要小于壓縮軸向力［15］，因此本文主要對頸部拉伸軸向力進行研究分析。

用MADYMO軟件計算并輸出頸部最大軸向拉伸力與頭部和胸部在Z軸方向的最大相對位移Δs，如表4所示。

表4　假人運動過程中頸部軸向拉伸力和頭胸Z軸方向相對位移

以Δs為變量X、Fz+為變量Y，將這些點標注在平面直角坐標系上，從而得到散點圖，如圖7所示。

由圖7可以看出，數(shù)據(jù)點大致落在一條直線附近，其決定系數(shù)r2=0.935 8，可以認定頸部最大軸向拉伸力與頭、胸部最大相對位移之間滿足線性關(guān)系。根據(jù)坐標圖里面的散點擬合出一條趨勢線，設(shè)置截距為0，從而可以得到一元線性回歸方程，因此，可以認定頸部最大軸向拉伸力與頭、胸部在Z軸方向上的最大相對位移之間滿足：

式（6）是在大量不同工況的計算樣本上得到的，能夠在一定程度上說明頸部軸向拉伸力與頭部和胸部相對位移的關(guān)系。

3　結(jié)束語

本文研究了氣囊參數(shù)與離位假人損傷指標之間的關(guān)系，在氣囊內(nèi)部壓力、氣體流速、溫度等參數(shù)中，壓力與頭部、胸部、頸部的損傷值的相關(guān)性較大。同時采用統(tǒng)計學方法對仿真結(jié)果進行研究分析，得出頭部加速度和胸部加速度與氣囊內(nèi)部壓力的關(guān)系以及頸部軸向力與頭部和胸部相對位移的關(guān)系。但本文在乘員損傷研究中忽略了其他影響因素，包括氣囊摩擦力、氣袋慣性力等，從而也導致公式有一定的誤差。

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（責任編輯斛畔）

修改稿收到日期為2016年5月11日。

Research on the Injury Mechanism of Three-year-old Child in Out-of-position

Zhang Xuerong，Zhou Jinbao，Huang Shuo，Xu Changlong
（Jiangsu University，Zhenjiang 212013）

According to the requirements of FMVSS 208 Act，a simulation model with a three-year-old child in outof-position was built in MADYMO software to calculate injury value in different levels of airbag vent size，fabric permeability，deployment angle and other key airbag parameters.The research showed the internal airbag physical field change process during airbag deployment.Furthermore，the injury mechanism was investigated and the results showed that head acceleration had linear correlation with airbag internal pressure；the relationship between chest acceleration in consecutive 3ms and airbag internal pressure was a linear correlation；the maximum neck axial tension and the maximal relative displacement between head and chest along Z axis was also a linear correlation.

Airbag，Child in out-of-position，Simulation，Injury mechanism

U461.91

A

1000-3703（2016）10-0048-05