基于鞭打工況的后排乘員頸部損傷研究

李金柱，任鵬飛，石興博，崔東

（1.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津300300；2.中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司，天津300300）

0 引言

后面碰撞是各類事故中最不容易致死的事故類型，但是其造成的傷害概率卻是最高的。汽車后面碰撞一旦發(fā)生，由于慣性，駕駛員的頭部保持原來位置或移動緩慢，而駕駛員身體卻會跟隨車輛一起向前運動，這樣駕駛員頸部便會受到傷害，俗稱鞭打傷害[1-2]。揮鞭傷害是交通事故中最為嚴(yán)重的次要性傷害，其并發(fā)癥多、潛伏期長，不僅傷者會遭受巨大痛苦，還會帶來較大的財產(chǎn)損失。2012年，為使鞭打的風(fēng)險降到最低，鞭打試驗正式加入到C-NCAP，并于2018年對鞭打試驗的評定標(biāo)準(zhǔn)進行了提升。

目前對于前排座椅的鞭打損傷研究較多[3-5]，國內(nèi)外對于后排座椅頸部損傷的研究還相對匱乏，E-NCAP對于后排座椅鞭打損傷的評價也只是對靜態(tài)測量做了規(guī)定，無法與人體頸部損傷建立直接的聯(lián)系。目前大家對于后排座椅乘員頸部損傷的重視度不夠，隨著國內(nèi)后排乘坐率的提高，尤其出租車，以及后碰概率的增加，后排鞭打防護的研究有著重要意義。另外，仿真分析相比于試驗研究具有成本低效率高的優(yōu)勢，而且已經(jīng)在汽車行業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛認(rèn)可，所以借助CAE來研究后排乘員的頸部損傷情況，可以防止時間和成本的浪費[6]，另外通過仿真結(jié)果可以更加細致地研究假人姿態(tài)的運動情況，分析問題產(chǎn)生的原因。

本文結(jié)合E-NCAP[7]后排座椅鞭打靜態(tài)評價流程和C-NCAP[8]（2018版）動態(tài)鞭打試驗評價規(guī)程和評分原則對5把后排座椅頸部損傷進行研究，旨在研究目前后排座椅對于頸部的保護情況，以及后排座椅靜態(tài)評價和動態(tài)評價之間的關(guān)聯(lián)，為后續(xù)在后排座椅的開發(fā)過程中，能夠提高廠家對后排座椅乘員頸部保護的意識，以及對于后排座椅的開發(fā)設(shè)計提供參考作用。

1 后排座椅乘員頸部損傷評價方法

目前國內(nèi)C-NCAP只有針對主駕座椅的頸部損傷評價方法，對于后排座椅的頸部損傷還未公布相關(guān)的法規(guī)，而E-NCAP介紹了后排座椅頸部損傷靜態(tài)評價方法。本文參考E-NCAP和C-NCAP相關(guān)的評價內(nèi)容對后排座椅乘員頸部損傷進行研究評價[9-11]。

1.1 E-NCAP后排鞭打靜態(tài)評價流程和評分原則

E-NCAP后排座椅鞭打評價主要對座椅進行靜態(tài)測量[12]，主要有以下評價項目：頭枕有效高度Heff，包括最高位置和最差位置（需滿足頭枕最低使用高度要求）；頭枕間隙?CPX，包括中間位置和最差位置（需滿足頭枕最低使用高度要求）；頭枕非使用位置評價，包括頭枕自動復(fù)位評價；頭枕轉(zhuǎn)動角度評價；HPM軀干角變化量評價；頭枕下緣高度HLE和頭枕下緣厚度S。因篇幅有限具體測量方法不再做單獨介紹，具體參考E-NCAP后排座椅鞭打評價流程。只有當(dāng)Heff滿足要求后，在進行其他參數(shù)的評定，對于非使用位置評價，只需要滿足其中一項就可以得分，總分為4分，換算成乘員保護得分為0.5分。具體評分細則如表1所示。

表1 E-NCAP后排座椅鞭打靜態(tài)評分原則

本文選擇5款后排座椅作為研究對象，分別按照ENCAP后排座椅鞭打靜態(tài)評價流程進行測量。圖1所示為座椅A靜態(tài)測量示意圖，其余4把座椅分別命名為B、C、D、E，如圖2所示，測量方法與座椅A相同，不再重復(fù)展示。

圖1 座椅A靜態(tài)測量

圖2 其余4把座椅造型

1.2 C-NCAP鞭打試驗評價規(guī)程和評分原則

C-NCAP采用頸部傷害指數(shù)NIC、上頸部剪切力FX+、上頸部拉力FZ+、上頸部扭矩My，下頸部剪切力FX+、下頸部拉力FZ+和下頸部扭矩My這7項評分指標(biāo)，以及對座椅靠背最大動態(tài)張角、頭枕干涉頭部空間、座椅滑軌動態(tài)位移的3項罰分項。具體的總體評分原則如表2所示。

表2 C-NCAP鞭打試驗總體評分原則

E-NCAP和C-NCAP中對于頸部損傷的評價內(nèi)容雖然不同，但卻有一定的聯(lián)系。E-NCAP靜態(tài)評價中頭枕有效高度Heff和頭枕間隙?CPX，是和頭部接觸位置有關(guān)，而頭枕的接觸位置會影響乘員的頸部受力情況，對頸部造成不同程度的傷害。

2 后排座椅鞭打C-NCAP仿真結(jié)果及分析

后排座椅參考前排座椅先進行頭部間隙測量和頭枕相對高度測量，然后再按照法規(guī)要求進行加載和評價，頭枕靜態(tài)測量示意圖如圖3所示。

圖3 頭枕靜態(tài)測量示意圖

測量結(jié)果如表3所示，可以發(fā)現(xiàn)，除了座椅E，其余4把座椅的頭部間隙，與前排座椅相比，數(shù)值都較大，參考前排座椅鞭打分析經(jīng)驗，頭部間隙過大，會導(dǎo)致頭枕接觸時間變長，頭枕接觸不穩(wěn)定，不利于鞭打防護，接下來參考C-NCAP動態(tài)評價流程對5把座椅進行鞭打動態(tài)仿真分析。

表3 后排座椅靜態(tài)測量結(jié)果

由于目前缺少后排動態(tài)鞭打?qū)嶒灲Y(jié)果，無法對仿真模型進行驗證，本文參考主駕鞭打建模處理方法，圖4所示對比了某主駕座椅仿真和試驗中頭部加速度曲線，曲線整體趨勢、峰值出現(xiàn)時刻和大小都比較吻合，對于后排模型的搭建具有較高的參考意義。

圖4 主駕座椅鞭打試驗與仿真頭部加速度對比

通過圖5～7可以發(fā)現(xiàn)座椅A、B、C、D頭部加速度和胸部加速度上升時間差異較大，且加速度上升速度較快，說明頭部和胸部運動出現(xiàn)了偏差，且靠背和頭枕沒有起到明顯的緩沖作用，導(dǎo)致座椅NIC值較高。通過圖8～11可以看出5把座椅中假人頸部上剪切力FX較小，沒有超過高性能值。而座椅A和座椅D，則下頸部剪切力FX、上頸部拉力FZ、下頸部拉力FZ峰值都比較大。特別是座椅D的上頸部拉力峰值已經(jīng)超過低性能值，該座椅鞭打防護存在較為嚴(yán)重的問題，一旦出現(xiàn)事故，會對乘員頸部造成嚴(yán)重的傷害。通過圖12、圖13可以看出5把座椅的假人頸部彎矩值較小，沒有明顯的失分。

圖5 頭部加速度

圖6 胸部加速度

圖7 頸部傷害值NIC

圖8 上頸部剪切力FX+

圖12 上頸部扭矩My

圖13 下頸部扭矩My

圖9 下頸部剪切力FX+

圖10 上頸部拉力FZ+

圖11 下頸部拉力FZ+

針對座椅A和座椅D部分傷害值比較大的問題，對頭部運動進行分析。根據(jù)圖14頭部與頭枕接觸后，頭枕泡沫太薄，頭部沒有足夠的緩沖空間，且在頭部向后運動的過程中，頭枕剛度不足，頭枕有一個向后轉(zhuǎn)動的過程，此時頭枕對頭部施加了一個相反的彎矩，由于頭部還處于往后擺的過程，雖然此時對于上頸部剪切力有利，但勢必會增加上頸部拉力的傷害值。通過圖15可以看出，假人頭部與座椅D頭枕接觸后，隨著頭部的后移與頭枕桿發(fā)生接觸，導(dǎo)致頭部加速度急劇上升，最終導(dǎo)致頸部NIC傷害值較大。這些問題說明部分廠家為了節(jié)約成本和車內(nèi)空間所限，而忽略了對后排乘員頸部保護的考慮。

圖14 座椅A頭部受力分析示意圖

圖15 座椅D頭部與頭枕桿接觸示意圖

3 后排鞭打靜態(tài)和動態(tài)評價結(jié)果

對于5把后排座椅都沒有頭枕自動復(fù)位和頭枕轉(zhuǎn)動的功能，對于非使用位置，只對頭枕下緣高度HLE和頭枕下緣厚度S進行評價。座椅A、B由于只有兩個卡齒位置，且在最低卡齒位置不滿足UN-ECER17-08要求，所以只對最高位置進行測評。通過表4可以看出5把后排座椅都滿足Heff的測量指標(biāo)，對于ΔCPXLIMIT只有座椅E滿足要求，說明座椅頭枕相對于點H普遍靠后，不利于頭枕支撐。對于頭枕下緣高度HLE沒有座椅滿足要求，對于頭枕下緣厚度S則只有座椅E滿足要求，說明5把座椅的舒適性相對較差。

表4 后排座椅靜態(tài)評價結(jié)果

通過表5后排座椅的動態(tài)評價結(jié)果發(fā)現(xiàn)，5把座椅的上頸部剪切力得分普遍較高，而NIC、上頸部拉力得分普遍較差，且差距較大，最差的得到0分。下頸部剪切力和拉力得分較分散，既有傷害值小的，也有比較大的。

雖然A、B、C、D四把座椅E-NCAP靜態(tài)評價和CNCAP動態(tài)評價結(jié)果都比較差，但動態(tài)評價結(jié)果指標(biāo)有好有壞。說明E-NCAP靜態(tài)評價可以初步判斷后排座椅的乘員頸部損傷情況，但無法反映乘員頸部損傷的具體問題，還需要參考C-NCAP動態(tài)評價結(jié)果，從而對后排座椅進行有效地設(shè)計及優(yōu)化。

4 結(jié)束語

本文基于E-NCAP后排座椅鞭打評價流程對5把后排座椅進行靜態(tài)評價，利用有限元的方法建立該座椅的鞭打仿真模型，根據(jù)C-NCAP鞭打試驗評價規(guī)程和評分原則對其進行鞭打試驗的仿真分析，探究目前后排座椅的鞭打防護程度，以及E-NCAP靜態(tài)評價與C-NCAP動態(tài)評價之間的關(guān)系，結(jié)論如下。

（1）靜態(tài)和動態(tài)評價有一定的相關(guān)性，A、B、C、D四把座椅，靜態(tài)和動態(tài)評測結(jié)果都比較差，而E座椅靜態(tài)和動態(tài)評判結(jié)果都較好。

（2）靜態(tài)評價失分的主要測評項為?CPX和非使用位置的評價，動態(tài)評價失分的主要原因為NIC和上頸部拉力傷害值較大。

（3）通過靜態(tài)和動態(tài)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)E-NCAP靜態(tài)指標(biāo)可以一定程度上反映鞭打防護情況，但無法反映鞭打防護的具體問題，還需要結(jié)合C-NCAP動態(tài)評價。

本文的研究可以提高廠家對于后排座椅鞭打防護的意識，為后續(xù)汽車被動安全的完善起到一定的參考意義。