后排乘員安全帶約束系統(tǒng)研究*

周惠來(lái) 武和全,2 王海濤

（1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)，工程車輛安全性設(shè)計(jì)與可靠性技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410114；2.韋恩州立大學(xué)，生物工程中心，底特律MI48201，美國(guó)）

主題詞：正面碰撞 安全帶約束 后排乘員 加載曲線 CHARM-70

1 前言

相比于前排乘員，后排乘員的年齡段和身體尺寸分布更廣泛，故對(duì)后排乘員的碰撞保護(hù)難度更大[1]。商恩義[2]對(duì)正面碰撞試驗(yàn)中后排女性假人頸部傷害進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，后排第5 百分位女性假人頸部傷害偏高。在正面碰撞中，安全帶是后排成年乘員最常見的損傷來(lái)源之一，后排座椅安全帶造成的胸部和腹部損傷更常見[3]。Shau[4]的研究表明，在正面碰撞中，腹部受傷通常由安全帶引起。J-Y[5]在研究中提到，在限制乘員的嚴(yán)重正面撞擊的情況下，年齡大的乘員常因安全帶而遭受嚴(yán)重的胸部損傷。Carter[6]的研究顯示，隨著年齡增長(zhǎng)，胸部損傷的耐受性下降，會(huì)使得老年乘員更容易受傷。后排乘員所包含的年齡段和體型范圍很廣，研究單一年齡段或單一體型的后排乘員不符合實(shí)際情況。不同體型、不同年齡段的乘員全部運(yùn)用同一套約束系統(tǒng)恐無(wú)法對(duì)所有乘員起到較好的保護(hù)作用。

加載限制器[7]的基本原理是在對(duì)安全帶施加很大的力時(shí)釋放更多多余的安全帶織帶，然后允許安全帶以受控方式被拉出。Kent[8]在研究中提到，加載限制器的使用能減少胸部負(fù)荷，預(yù)計(jì)將對(duì)老年乘員有更好的保護(hù)效果。Benjamin[9]發(fā)現(xiàn)胸部損傷在老年乘員中更常見，而腹部損傷在年輕乘員中更常見，均與安全帶有關(guān)。周青等人[10]研究了一種使用磁流變液（Magnetorheological Fluid，MRF）來(lái)實(shí)現(xiàn)連續(xù)和實(shí)時(shí)可調(diào)的加載限制器，目的是實(shí)現(xiàn)在不同的碰撞嚴(yán)重程度下對(duì)不同乘員的自適應(yīng)保護(hù)，對(duì)身材矮小的女性和老年人有潛在利處。

此前的研究表明，卷收器與預(yù)緊器的應(yīng)用降低了乘員在碰撞中所遭受的傷害，但大多僅應(yīng)用在前排座椅上，在后排座椅上應(yīng)用的較少，并且加載形式單一，沒有考慮后排乘員不同的體型、性別及年齡差異。通過(guò)對(duì)不同體型、不同年齡的后排乘員施加不同的安全帶加載曲線可能會(huì)在碰撞中起到不同的效果。本文基于碰撞法規(guī)，建立后排座椅約束系統(tǒng)，在汽車100%正面碰撞工況下仿真分析不同卷收器加載限制曲線對(duì)不同體型后排乘員的保護(hù)效果，并分析后排乘員的碰撞損傷機(jī)理，對(duì)乘員碰撞損傷進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2 正面碰撞后排乘員約束系統(tǒng)模型的建立

本文基于LS-DYNA 軟件，建立某中型車后排座椅系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型，如圖1所示。該模型包括1個(gè)前排座椅、1 個(gè)后排座椅以及地板等，地板設(shè)置為剛性，乘員通過(guò)三點(diǎn)式安全帶約束在座椅上。

圖1 后排乘員約束系統(tǒng)模型

2.1 模型的約束條件

為了驗(yàn)證所建立后排乘員約束系統(tǒng)模型的有效性，根據(jù)《C-NCAP 管理規(guī)則（2018年版）》100%正面碰撞試驗(yàn)中關(guān)于假人放置的規(guī)定，本文在建立的后排座椅上放置第5百分位Hybrid Ⅲ假人，并施加重力場(chǎng)。假人在重力作用下對(duì)后排座椅座墊存在預(yù)壓，對(duì)座椅模型網(wǎng)格進(jìn)行預(yù)變形，參照蔣成約等人的試驗(yàn)[11]，向臺(tái)車模型的地板施加X方向的加速度，加速度曲線如圖2所示。

圖2 正面碰撞50 km/h的加速度曲線

使用安全帶擬合（Seatbelt Fitting）為假人模型添加三點(diǎn)式安全帶。安全帶由卷收器、2個(gè)滑環(huán)以及織帶組成。安全帶織帶用1D單元和2D單元建模，肩帶和腰帶通過(guò)2D殼單元模擬可以很好地模擬安全帶織物與假人的接觸作用，且可體現(xiàn)出織帶的幾何參數(shù)；其余部分通過(guò)1D單元連接，以便能很好地模擬安全帶在滑環(huán)點(diǎn)處的滑動(dòng)。本文所使用的安全帶卷收器的初始加載曲線如圖3所示。最后為假人與后排座椅、前排座椅以及安全帶分別設(shè)置接觸。

圖3 安全帶加載限力曲線

2.2 模型驗(yàn)證

將設(shè)置好的后排乘員約束系統(tǒng)模型提交LS-DYNA進(jìn)行求解，然后將正面碰撞所得出的仿真動(dòng)畫與試驗(yàn)碰撞錄像對(duì)比[11]來(lái)驗(yàn)證模型的有效性，如圖4所示。

圖4 仿真和試驗(yàn)不同時(shí)刻假人的姿態(tài)對(duì)比

由圖4可知：在第0～40 ms，在慣性的作用下乘員與座椅發(fā)生了相對(duì)位移，但是四肢及頭部還保持原有姿態(tài)；在第40～80 ms，安全帶對(duì)后排乘員進(jìn)行了約束，此時(shí)后排乘員的雙腿和雙手與前排座椅發(fā)生了接觸，頭部也在慣性作用下出現(xiàn)明顯前傾；在第80～120 ms，后排乘員繼續(xù)前傾，在前傾過(guò)程中，后排乘員的頭部與前排座椅頭枕發(fā)生了碰撞，通過(guò)同時(shí)刻的姿態(tài)對(duì)比可知，仿真動(dòng)畫與試驗(yàn)假人錄像的運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)基本一致，本文所建立模型有效。

仿真與試驗(yàn)中假人頭部合成加速度和骨盆合成加速度分別如圖5、圖6所示。可以看出，仿真與實(shí)際碰撞試驗(yàn)的頭部合成加速度曲線在峰值時(shí)域和曲線走勢(shì)上基本一致，總體曲線的擬合度較好，假人的胸部壓縮量峰值及趨勢(shì)也基本一致，如圖7所示，因此可以認(rèn)定該后排乘員約束系統(tǒng)模型有效，后續(xù)仿真可基于該模型進(jìn)行。

圖5 試驗(yàn)和仿真的頭部合成加速度對(duì)比

圖6 試驗(yàn)和仿真的骨盆合成加速度對(duì)比

圖7 試驗(yàn)和仿真的胸部壓縮量對(duì)比

3 正面碰撞仿真

3.1 不同類型后排乘員模型的建立

本文使用3 種有代表性的有限元人體模型，即第5百分位女性人體模型（THUMS AF05）、第50百分位男性人體模型（THUMS AM50）和70 歲老年人有限元模型（CHARM-70）。

CHARM-70是美國(guó)韋恩州立大學(xué)生物工程中心建立的老年人體生物力學(xué)有限元模型，如圖8 所示，老年人體模型的頭部、頸部、胸部、腰椎、腹部、骨盆和股骨等主要部位的建立是通過(guò)死亡后人體標(biāo)本（Post Mortem Human Surrogates，PMHS）試驗(yàn)得到的，并進(jìn)行了整車正面碰撞和臺(tái)車側(cè)面碰撞仿真，與PMHS試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，老年人體整體模型反映出了較好的生物逼真度[12-13]。

圖8 老年人體模型

在后排乘員約束系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，將后排乘員模型分別替換成THUMS AF05、THUMS AM50 以及CHARM-70，同時(shí)建立新的安全帶織帶對(duì)人體模型進(jìn)行約束，所有約束條件均不變，得到3組模型，如圖9所示，后續(xù)仿真均基于這3組模型進(jìn)行。

圖9 后排乘員模型

3.2 安全帶加載曲線

碰撞發(fā)生后，安全帶卷收器中的加載限制器（Load Limiter）介入，通過(guò)釋放織帶允許乘員進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)以吸收能量，減少乘員遭受的負(fù)載。胡敬文[14]介紹了幾種不同的加載曲線，如圖10 所示，包括恒定加載限制（Constant Load Limiter，Con-LL）曲線、漸進(jìn)加載限制（Progressive Load Limiter，Pro-LL）曲線、遞減加載限制（Digressive Load Limiter，Dig-LL）曲線。

圖10 不同安全帶加載限制曲線概念圖

不同加載曲線可適應(yīng)不同類型的乘員或不同的碰撞條件。例如，當(dāng)安全帶織帶被拉出時(shí)，Pro-LL會(huì)逐漸增加卷收器的加載，體型較小的乘員將承受較低的加載，因?yàn)閺木硎掌髦欣龅目棊Р欢啵w型較大的乘員將拉出更多的織帶，從而導(dǎo)致更高的加載[14]。

在已經(jīng)驗(yàn)證的后排乘員約束系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)整安全帶卷收器的加載曲線，在原有試驗(yàn)加載曲線（見圖3）基礎(chǔ)上，改變其峰值時(shí)刻、峰值大小，曲線最高限力不超過(guò)6 kN，得到3條不同的加載曲線Pro-LL、Con-LL和Dig-LL，如圖11所示。通過(guò)關(guān)鍵字命令將4種加載曲線依次替換，探究不同加載曲線對(duì)不同人群的保護(hù)效果。

圖11 4種安全帶加載限制曲線

3.3 正面碰撞仿真

通過(guò)提交LS-DYNA 進(jìn)行顯式動(dòng)力學(xué)仿真，得出3組有限元人體模型在各自換用4 種不同類型安全帶加載曲線的12 組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，記錄頭部質(zhì)心（Center of Gravity，CG）處的節(jié)點(diǎn)響應(yīng)數(shù)據(jù)，利用頭部質(zhì)心處加速度曲線并經(jīng)滿足國(guó)際自動(dòng)機(jī)工程師學(xué)會(huì)（SAE International）標(biāo)準(zhǔn)的濾波器濾波，后測(cè)量15 ms 頭部傷害指標(biāo)HIC15來(lái)描述頭部損傷。

頸部損傷通過(guò)在后處理中查看最大應(yīng)變?cè)茍D來(lái)統(tǒng)計(jì)。老年人體模型（CHARM-70）建模方式與THUMS（Total Human Model for Safety）模型不同，在THUMS 模型中，韌帶使用殼單元模擬，而老年人模型建模過(guò)程中則采用1D 單元模擬，所以沒有加入老年人的頸部韌帶應(yīng)變統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)了頸部4 類韌帶的最大應(yīng)變值，如圖12所示：前縱韌帶（Anterior Longitudinal Ligament，ALL）應(yīng)變閾值為0.35；后縱韌帶（Posterior Longitudinal Ligament，PLL）應(yīng)變閾值為0.34；囊韌帶（Capsular Ligament，CL）應(yīng)變閾值為1.48；黃韌帶（Ligament Flavum，LF）應(yīng)變閾值為0.88[15]。

圖12 頸部韌帶示意

對(duì)于胸部的損傷，根據(jù)Kitagawa等[16]的研究，測(cè)量6組測(cè)量點(diǎn)在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中前-后的胸骨壓縮量，如圖13 所示，分別是左上（L2～L5）、左下（L8～L11）、上側(cè)（胸骨上部至T5）、下側(cè)（胸骨下部至T9）、右上（R2～R5）和右下（R8～R11），同時(shí)觀測(cè)骨折數(shù)量、骨折位置，按照人體模型的不同對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

圖13 胸部壓縮量測(cè)量點(diǎn)分布

3.3.1 CHARM-70仿真組

對(duì)正面碰撞工況下后排老年乘員的損傷預(yù)測(cè)統(tǒng)計(jì)如表1 所示。老年乘員在4 組試驗(yàn)中未出現(xiàn)HIC15超出閾值（700）的損傷；肋骨均出現(xiàn)了多處骨折，骨折處多分布在左上側(cè)肋骨及胸骨下端，在安全帶路徑上；胸腔部下側(cè)壓縮量較大。

表1 正面碰撞工況下后排老年乘員損傷預(yù)測(cè)

與試驗(yàn)加載曲線相比，Pro-LL 類型曲線增加了肋骨骨折數(shù)量，Con-LL類型曲線導(dǎo)致乘員HIC15損傷臨近閾值，而Dig-LL 類型曲線在沒有大幅度增大胸腔壓縮量和HIC15的情況下，減少了肋骨骨折數(shù)量。

通過(guò)綜合比較，對(duì)于后排的老年乘員的保護(hù)，Dig-LL類型的曲線效果優(yōu)于其他3種類型的加載曲線。

3.3.2 THUMS AM50仿真組

后排中等體型的男性乘員損傷預(yù)測(cè)結(jié)果如表2 所示，本組仿真中增加了乘員頸部韌帶最大應(yīng)變的統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)顯示，所有組中乘員的前縱韌帶、后縱韌帶及囊韌帶均出現(xiàn)了超出閾值的情況，施加Con-LL和Dig-LL類型曲線后，乘員出現(xiàn)了HIC15超出閾值的情況，乘員的胸腔壓縮量比老年乘員的壓縮量小，但是乘員的胸骨上尖端處及底部出現(xiàn)了嚴(yán)重?fù)p傷，不同試驗(yàn)中乘員肋骨骨折情況有所變化。

表2 正面碰撞THUMS AM50后排乘員損傷預(yù)測(cè)

相較于試驗(yàn)加載曲線，采用Pro-LL 類型曲線時(shí)乘員頸部韌帶損傷情況及胸腔壓縮量的變化不明顯，但增加了肋骨骨折數(shù)量，Con-LL及Dig-LL類型曲線雖然使得肋骨骨折情況好轉(zhuǎn)，但導(dǎo)致乘員HIC15超出了閾值，尤其是Con-LL類型曲線帶來(lái)了很嚴(yán)重的頭部損傷。

綜合對(duì)比，使用原始加載曲線對(duì)乘員的保護(hù)效果優(yōu)于Pro-LL類型曲線，而Con-LL和Dig-LL類型曲線不適宜用于該工況。

3.3.3 THUMS AF05仿真組

后排小體型的女性乘員的損傷預(yù)測(cè)結(jié)果如表3 所示。結(jié)果顯示，該組別中乘員未出現(xiàn)HIC15超出閾值的情況，且所有組中乘員的前縱韌帶、后縱韌帶及囊韌帶也均出現(xiàn)了超出閾值的情況，乘員右下側(cè)胸腔壓縮量較大，但未出現(xiàn)胸部骨折的情況。

表3 正面碰撞THUMS AF05后排乘員損傷預(yù)測(cè)

相較于試驗(yàn)曲線仿真組，Pro-LL 類型曲線的施加，使得肋骨骨折數(shù)量減少了，且同時(shí)HIC15及胸部壓縮量的損傷變動(dòng)范圍很小，而Con-LL和Dig-LL類型曲線使得肋骨骨折數(shù)量增加了。綜合對(duì)比，使用Pro-LL 類型加載曲線對(duì)乘員的保護(hù)效果優(yōu)于其余3組類型曲線。

4 討論

通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)，對(duì)于50 km/h 的正面100%碰撞，后排乘員頭頸部損傷來(lái)自2個(gè)方面：慣性作用下頭部大幅度的前傾；頭部與前排座椅的碰撞，這也是導(dǎo)致頭部傷害急劇增加的原因。同時(shí)，頭部的運(yùn)動(dòng)缺少約束和頸部的過(guò)度拉伸導(dǎo)致頸部韌帶的損傷風(fēng)險(xiǎn)較大。胸部損傷主要來(lái)自安全帶與乘員的相互作用，胸部的胸骨和肋骨往往承受較高的負(fù)載，當(dāng)負(fù)載超出肋骨所承受的應(yīng)變時(shí)便會(huì)斷裂，從而造成骨折現(xiàn)象。

使用試驗(yàn)加載曲線，3類體型乘員的HIC15均未超過(guò)損傷閾值，與同組其他加載曲線作用效果橫向?qū)Ρ?，乘員HIC15均為同組最低。肋骨骨折情況為：70 歲老年乘員8處、第50百分位男性乘員7處、第5百分位女性乘員6 處；頸部損傷統(tǒng)計(jì)中，第50 百分位男性乘員及第5 百分位女性乘員均出現(xiàn)了頸部前縱韌帶、后縱韌帶、囊韌帶損傷超出閾值的情況。

施加Pro-LL加載曲線，相較于試驗(yàn)曲線，后排乘員中的老年乘員及男性乘員肋骨骨折增加了1處，同時(shí)胸部壓縮量增加，而女性乘員的HIC15與試驗(yàn)曲線組持平，胸部壓縮量基本一致，肋骨骨折數(shù)減少了1處。

施加Con-LL加載曲線，相比較試驗(yàn)曲線，男性乘員HIC15損傷值達(dá)到了閾值的2 倍，老年乘員的HIC15損傷值也瀕臨閾值，女性乘員的肋骨增加了2 處骨折，Con-LL曲線不適合在該工況下對(duì)3類乘員進(jìn)行保護(hù)。

施加Dig-LL加載曲線，相較于試驗(yàn)曲線，男性乘員HIC15超出了閾值，女性乘員增加了2 處肋骨骨折，老年乘員骨折數(shù)量減少了1處，同時(shí)，HIC15沒有超出閾值，胸部壓縮量基本一致。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文建立并驗(yàn)證了一套后排約束系統(tǒng)模型，通過(guò)仿真動(dòng)畫對(duì)比驗(yàn)證了其有效性。換用不同類型的人體模型，引入不同類型的安全帶加載曲線進(jìn)行仿真，對(duì)仿真中乘員運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)和乘員損傷進(jìn)行了分析。

在50 km/h 的正面碰撞工況中，單一類型的加載曲線并不能適應(yīng)不同類型的后排乘員，仿真結(jié)果表明：Dig-LL 類型的加載曲線適用于后排老年乘員；對(duì)于后排中等體型的男性乘員，使用試驗(yàn)加載曲線保護(hù)效果優(yōu)于Pro-LL類型曲線，而Con-LL及Dig-LL類型曲線不適用于該工況；Pro-LL 類型加載曲線對(duì)后排小體型女性乘員的保護(hù)效果更優(yōu)。

本文仿真中乘員乘坐環(huán)境和約束系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，無(wú)法完全代表正面碰撞中的乘員碰撞響應(yīng)，乘員的損傷預(yù)測(cè)存在一定偏差，后續(xù)可以通過(guò)臺(tái)車試驗(yàn)進(jìn)一步研究，并針對(duì)后排乘員在不同碰撞工況下開展更多的乘員保護(hù)自適應(yīng)約束系統(tǒng)研究。未來(lái)約束系統(tǒng)的研發(fā)應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)后排乘員胸部及頸部韌帶的保護(hù)，針對(duì)不同類型的人群，需要配置相應(yīng)的加載曲線或者更為先進(jìn)的約束系統(tǒng)以減少乘員碰撞損傷。