汽車正面碰撞乘員非正常坐姿下的損傷研究

顏伏伍

摘要：為研究汽車正面碰撞時副駕駛乘員非正常坐姿對其損傷的影響，根據(jù)實車碰撞試驗數(shù)據(jù)，建立車輛約束系統(tǒng)的MADYMO多剛體仿真模型。利用整車有限元仿真模型開展車速為56km/h的100%正面剛性壁碰撞，將假人定位并調(diào)整其參數(shù)。將提取相關(guān)參數(shù)并導(dǎo)入MADYMO多剛體仿真模型，分析乘員碰撞前的2種大幅度姿態(tài)對其碰撞后損傷風險的影響，并對比頭部損傷指數(shù)（HIC）、頸部彎矩、胸部加速度、胸部壓縮量以及腿部的受力情況。結(jié)果表明，碰撞時副駕駛乘員的坐姿對身體各個區(qū)域的損傷風險有較大影響。

關(guān)鍵詞：100%正面碰撞;乘員坐姿;損傷風險

0 ?引言

據(jù)交通事故統(tǒng)計，正碰在所有汽車事故中占比最高且乘員損傷比例也最高[1]。在汽車正面碰撞事故中，乘員約束系統(tǒng)對人體的保護起著關(guān)鍵性作用。約束系統(tǒng)設(shè)計都是依靠法規(guī)或行業(yè)標準進行設(shè)計[2][3]。Adam等[4]表明在某些交通事故中標準設(shè)計的約束系統(tǒng)會增加乘員的損傷風險。文獻[5]對車輛正面碰撞人體損傷風險敏感性進行了研究，結(jié)果表明駕駛?cè)俗耸怯绊懻w損傷風險最顯著的因數(shù)。鞠海蒙等[6]研究了車輛正碰時假人上軀干傾角變化對人體頭、胸部傷害的影響，結(jié)果表明安全氣囊的保護效果隨著上軀干傾角的改變而變化。綜上所述，汽車正面碰撞下駕駛?cè)俗藢s束系統(tǒng)的保護效果有較大影響。

多數(shù)研究是汽車正面碰撞駕駛?cè)诵》鹊姆钦Ｗ藢p傷風險的影響[4-7]。而相對于駕駛側(cè)，副駕駛側(cè)的空間更大。乘員為了獲得更好的舒適性，坐姿通常隨意非標準化，可能會翹起小腿或更大角度的后放座椅后背，非正常坐姿幅度更大。在汽車發(fā)生正面碰撞時，副駕駛乘員的損傷風險可能會更大。因此，本文通過使用多剛體動力學軟件MADYMO建立副駕駛室正面碰撞模型，以假人頭部傷害指數(shù)（HIC）、頸部彎曲力矩（My）、胸部加速度、胸部變形量、大腿壓縮力（Fz）及小腿壓縮力（Fz）等參數(shù)，利用仿真模型分析坐姿對副駕駛乘員傷害的影響，為汽車自適應(yīng)約束的設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 ?模型的建立

在MADYMO軟件中固定好假人H點，調(diào)整假人處于正常坐姿?；诩偃苏Ｗ四Ｐ停ㄟ^對假人鉸鏈及座椅靠背傾角的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)2種非正常坐姿姿態(tài)。一種是假人翹腿坐姿（圖1a），另一種是后仰坐姿（圖1b）。

2 ?結(jié)果

由圖2a可以看出，翹腿姿態(tài)頭部合成加速度峰值以及響應(yīng)時刻與正常坐姿基本一致。而后仰姿態(tài)假人頭部合成加速度相應(yīng)時刻延遲，最大數(shù)值為849.4m/s2（@95ms）;其次是翹腿坐姿假人頭部合成加速度，數(shù)值為730.9m/s2（@89ms）;正常坐姿假人頭部合成加速度最小，數(shù)值為726.1m/s2（@76ms）。翹腿姿態(tài)假人HIC36峰值為1041.4;正常坐姿假人HIC36峰值為927.7，翹腿坐姿假人HIC36峰值為670.5。

從圖2b可以看出，翹腿和后仰兩種坐姿下產(chǎn)生的頸部前屈彎矩和后仰彎矩都要比正常坐姿的大。后仰坐姿假人頸部最大前屈彎矩和后仰彎矩分別為90.1Nm（@72ms）和56.8Nm（@107ms）;翹腿坐姿假人頸部最大前屈彎矩和后仰彎矩分別為61.7Nm（@83ms）和88.0Nm（@103ms）;正常坐姿假人頸部最大前屈彎矩和后仰彎矩值分別為21.9 Nm（@64ms）和26.9Nm（@78ms）。

從圖3b可以看出，翹腿坐姿下假人胸部最大壓縮量為45.0mm（@75ms）;正常坐姿假人胸部最大壓縮量為36.5mm（@63ms）;后仰坐姿假人胸部最大壓縮量為18.2mm（@64ms）。而后仰坐姿假人胸部最大加速度數(shù)值為515.7m/s2（@70ms）;翹腿坐姿假人胸部最大加速度為439.2m/s2（@61ms），正常坐姿假人胸部最大加速度為423.5m/s2（@59ms）。

3 ?討論與結(jié)果

從圖2a分析可知，翹腿姿態(tài)假人在碰撞后去頭部加速度出現(xiàn)二次峰值，這是由于假人頭部在碰撞后期發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從氣囊右側(cè)滑下撞擊到翹起的右腿導(dǎo)致的。后仰坐姿假人頭部加速度響應(yīng)時刻延遲，假人的“飛行”時間增加，肩帶滑落不能起到很好地約束作用，安全帶吸收的能量較少，氣囊則吸收了較多的能量，從而導(dǎo)致了后仰坐姿假人頭部加速度增加。

從圖2b分析可知，在碰撞69ms以后，頸部后仰彎矩急劇增大;而前屈彎矩增加，這是由于碰撞后期翹腿坐姿假人頭部沒有得到良好的支撐。后仰坐姿假人頸部后仰彎矩在碰撞過程中急劇增大，這是由于在碰撞中期肩帶滑落至假人頸部，導(dǎo)致假人頸部產(chǎn)生很大的后仰彎矩。

從圖3中分析可知，翹腿坐姿假人胸部壓縮量有所增加，這是由于翹腿坐姿假人在碰撞后期頭部發(fā)生偏轉(zhuǎn)從氣囊右側(cè)滑出，氣囊沒有很好地支撐假人胸部造成的。后仰坐姿假人在碰撞中，肩帶滑落沒有對假人起到很好地約束，則胸部變形量略小，胸部加速度加大。

綜合可得，汽車發(fā)生正面碰撞時，非正常坐姿乘員損傷風險提高，主要是由于特定設(shè)計標準下的約束系統(tǒng)無法滿足非標準坐姿下的約束能力。比如乘員大幅度后仰，離氣囊的距離增加，若氣囊按設(shè)定時間起爆，將無法滿足原設(shè)計接觸剛度?？梢酝ㄟ^傳感器或攝像頭等設(shè)備設(shè)計一款乘員坐姿識別系統(tǒng)，且設(shè)計相關(guān)算法時刻改變約束系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)（氣囊剛度、氣囊起爆時間、安全帶預(yù)緊等），或?qū)Τ藛T坐姿進行分類并設(shè)計相對應(yīng)的約束系統(tǒng)參數(shù)。在乘員不同坐姿碰撞下自適應(yīng)的改變約束系統(tǒng)參數(shù)，對乘員實施最優(yōu)的保護效果。

參考文獻：

[1]公安部交通管理科學研究所.中華人民共和國道路交通事故統(tǒng)計年報（2015年度）[R].2016，6.

[2]Federal motor vehicle safety standard 208 [S].2015.

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