不同坐姿下乘員生物力學損傷分析*

丁曉雅 徐陳運 谷先廣

（1.奇瑞新能源汽車股份有限公司，蕪湖 241003；2.合肥工業(yè)大學，合肥 230009）

1 前言

隨著自動駕駛技術的日趨成熟，未來，乘員在駕乘過程中必將解放雙手，坐姿將越來越隨意、方便。然而，一旦出現(xiàn)緊急制動情況并發(fā)生碰撞事故，不同坐姿下的乘員受慣性的影響產(chǎn)生離位位移后，極易出現(xiàn)與安全帶、安全氣囊等約束系統(tǒng)部件觸發(fā)不匹配的現(xiàn)象，從而帶來乘員損傷風險，因此需要進行約束系統(tǒng)優(yōu)化，使其能采取針對性防護措施。

曹立波等[1]研究了正面碰撞條件下人體差異對乘員損傷風險的影響，結果表明，不同體型的乘員坐姿不同，導致駕駛員損傷風險存在差異。武和全等[2]分析了不同座椅朝向條件下的老年人體碰撞響應，結果表明，座椅朝向與碰撞方向呈180°時人體損傷風險最低。周青等[3]研究表明，在碰撞過程中，乘員身材、年齡和碰撞強度等對乘員損傷存在一定影響，身材矮小和老齡乘員等在碰撞過程中的損傷風險相對更大。

本文基于某乘用車建立正面100%重疊碰撞的駕駛員側乘員約束系統(tǒng)模型，采用試驗對標的方法驗證模型的準確性，并利用該模型在不同坐姿條件下進行分析，獲得最優(yōu)坐姿，以降低碰撞對人體產(chǎn)生的損傷。

2 約束系統(tǒng)模型建立

本文基于MADYMO 軟件建立了某乘用車正面100%重疊碰撞的駕駛員側乘員約束系統(tǒng)模型，主要包括駕駛室、假人、安全帶和安全氣囊等，其過程包括：

a. 根據(jù)某乘用車的實車尺寸和布置搭建駕駛室模型，主要包括車體、座椅、轉向系統(tǒng)模型等，選擇采用多體或有限元進行相應部件的建模。

b. 從MADYMO 假人庫中調入假人模型，對其進行位置調整和預模擬。

c.完成安全帶和安全氣囊建模并定位。

d.定義模型中的主要接觸關系，包括駕駛室與安全帶、安全氣囊，假人與安全帶、安全氣囊之間的接觸關系。

e.定義各部件的特性、載荷等，如加速度場、氣囊特性等。

2.1 駕駛室模型建立

駕駛室模型中，車體模型包括地板、踏板、擱腳板、防火墻、儀表板等，座椅模型包括頭枕、靠背、座墊等，轉向系統(tǒng)包括轉向盤和吸能管柱等。駕駛室模型各部件均基于多剛體方法建立，其中地板采用平面表示，其余部件采用橢球體表示。

各部件需通過運動鉸鏈連接，模型各部件相對位置的確定與調整均需要鉸鏈。用自由鉸連接駕駛室模型與參考坐標系；擱腳板、踏板與地板、靠背和座墊之間需要一定的轉動自由度，可以采用轉動鉸連接，模擬防火墻的侵入；防火墻與地板的連接方式為移動鉸；頭枕與靠背采用移動轉動鉸；轉向管柱與轉向盤、儀表板系統(tǒng)分別采用萬向移動組合鉸和移動鉸連接，模擬碰撞過程中轉向吸能管柱的潰縮特性，在轉向管柱建模過程中定義潰縮力曲線。

2.2 假人定位

MADYMO 假人類型包括Hybrid III、Euro-SID、US-DOISID、TNO10 等，按照單元類型分為多面體（Facet）、橢球體（Ellipsoid）和有限元（Finite）假人。本文使用既能保證模型有效性，又具有較高計算效率的Hybrid III 型第50 百分位男性橢球體假人。在建立駕駛室模型后，將假人庫中的假人導入仿真模型。

假人模型需定位在實車碰撞試驗中的真實位置，先根據(jù)碰撞試驗中駕駛員的初始位置參數(shù)初步調整假人身體各部位鉸鏈的位置和角度，使其與實際位置大體一致，此時假人與座椅未達到靜平衡，為符合真實性，必須應用預模擬（Pre-simulation）方法確定假人的位置，其過程是模擬假人在重力作用下與駕駛室的座椅貼合[4]。

3 約束系統(tǒng)模型驗證

為確保乘員碰撞的損傷分析研究的準確性和有效性，必須對模型進行驗證。本文分別從自動緊急制動（Autonomous Emergency Braking，AEB）和碰撞2個階段對乘員運動學響應和碰撞損傷響應進行模型驗證。

3.1 AEB階段模型驗證

AEB 階段模型驗證的主要方法是對假人在制動階段的離位姿態(tài)進行對比，AEB 制動試驗的數(shù)據(jù)來源于Ito等[5]搭建的能結合制動和碰撞脈沖再現(xiàn)完整碰撞過程的臺車試驗設備，試驗采用Hybrid III型第50百分位男性假人。

試驗中，假人以標準坐姿放置在座椅上并由標準安全帶約束，設定臺車系統(tǒng)的初速度為64 km/h，以持續(xù)時間為0.8 s、制動強度為0.8g的減速度減速至48 km/h 后與障礙物發(fā)生碰撞。在仿真模型中，采用文獻[6]的方法控制假人在制動階段的前傾量，通過調整安全帶卷收器的鎖止時間，使制動過程中假人的位置與姿態(tài)盡量接近臺車試驗結果，圖1 所示為制動初始時刻和制動結束時刻假人身體各部位位置標記的對比結果，由圖1可以看出，制動初始時刻和制動結束時刻的假人離位程度與臺車試驗結果基本保持一致。

圖1 仿真和試驗不同時刻假人位置坐標

仿真結果與試驗結果的對比如表1 所示，假人在制動過程中身體各部位的動態(tài)響應與臺車試驗結果基本一致，頭部和胸部在X向和Z向的位移與試驗結果的誤差均在合理范圍內，說明AEB 階段的仿真結果具有較高的可信度。

表1 仿真結果與試驗結果的對比

3.2 碰撞階段模型驗證

依據(jù)中國新車評價規(guī)程（China New Car Assess?ment Program，C-NCAP）中的正面碰撞試驗開展碰撞階段模型驗證，工況為正面100%重疊剛性壁障碰撞，使用三點式安全帶將第50百分位男性假人約束在座椅上，用牽引裝置將汽車加載到50 km/h 與剛性墻進行碰撞。通過試驗測得乘員動態(tài)響應曲線，將碰撞試驗測得的B 柱加速度曲線加載到約束系統(tǒng)仿真模型中，設置與實車碰撞試驗結果相同的輸出，如圖2 所示為仿真與試驗獲得的響應曲線的對比結果。

圖2 仿真與試驗的響應結果對比

從圖2 中可以看出，仿真得到的頭部、盆骨X向加速度和胸部壓縮量曲線峰值大小和峰值時刻均與試驗結果一致，仿真得到的胸部X向加速度峰值較試驗結果略大，誤差在合理范圍內，仿真得到的安全帶肩帶力和腰帶力曲線與試驗結果在峰值、走勢上基本一致。綜上，仿真和試驗曲線的吻合度較高，峰值誤差和時間延遲均在合理范圍內。

綜上，本文構建的模型能很好地模擬乘員在AEB 階段的離位響應及碰撞階段的姿態(tài)和損傷響應，可以用于后續(xù)研究。

4 仿真設置及結果分析

為了分析正面碰撞工況下坐姿對人體損傷的影響，本文設置5種不同的駕駛姿態(tài)，分別為標準坐姿、前移50 mm、后移50 mm、右傾10°、左傾10°。其中：標準坐姿為試驗中假人坐姿；前移或后移50 mm為假人隨著座椅向前或向后移動50 mm 距離；右傾或左傾10°是指假人在標準坐姿座椅位置基礎上脊椎向右或左傾10°。在保證乘員正常操作和乘坐舒適的前提下，將假人固定在座椅上，通過改變座椅在車輛坐標系中的坐標以及假人軀干的傾角和位置坐標建立5 種假人的坐姿模型如圖3 所示。按照圖3 中的5 種駕駛姿態(tài)進行仿真，最終得到假人在不同坐姿下的損傷參數(shù)及身體各部位合成加速度峰值，如圖4、表2 和表3 所示。分析假人頭部和髖部的合成加速度峰值及頭部傷害指數(shù)（Head Injury Criterion，HIC）可知：標準坐姿下的加速度峰值較低，而偏離標準坐姿的其他4 種坐姿加速度峰值均有所提高，其中前移50 mm 時頭部與氣囊的接觸時間有所提前。左大腿軸向力遠比右大腿軸向力小，是由于在仿真時間內，小腿與車體的距離較小，導致右大腿與車體提前接觸。

表2 假人頭部、髖部合成加速度峰值及HIC值

表3 假人身體損傷及受力情況

圖3 假人的5種駕駛姿態(tài)

圖4 頭部合成加速度曲線

由表2 和表3 的數(shù)據(jù)分析可知：假人位置后移50 mm時，頭部與轉向盤的距離增大，頭部與氣囊接觸時處于泄氣狀態(tài)，未達到最佳約束效果，頭部合成加速度峰值和胸部累積3 ms 損傷值均明顯增大，當胸部與轉向盤碰撞接觸時，氣囊相較于標準姿態(tài)下泄氣更多，對胸部未起到較好的保護作用，這是由于氣囊在仿真時間段內離假人較遠，與之碰撞時間較短，右大腿軸向力降低；假人位置前移50 mm時，頸部張力明顯增大，兩側大腿軸向力均明顯增大，是由于頭部與轉向盤的距離減小，在氣囊展開過程中，假人頭部與氣囊提前發(fā)生接觸，氣囊的沖擊力會加重頭部損傷；假人位置右傾10°時，胸部壓縮量明顯增加，但胸部累積3 ms 損傷值增長不大，安全帶作用的位置在假人偏右側，身體側傾導致頭部在與氣囊接觸時不在最佳接觸位置，從而加劇頭部損傷；假人位置左傾10°時，安全帶作用的位置在假人偏左，頭部和髖部合成加速度明顯升高，胸部壓縮量有所降低，但胸部累積3 ms損傷值增大。

5 結束語

本文通過已驗證的100%重疊正面碰撞駕駛員側乘員約束系統(tǒng)仿真模型分析了標準坐姿、前移50 mm、后移50 mm、右傾10°和左傾10°5 種坐姿對假人各部位的損傷影響情況，得到以下結論：

a.駕駛員縱向位置變化對頭部、胸部損傷風險影響較大，主要原因是駕駛員頭部與轉向盤之間的距離變化導致其頭部過早或過晚與氣囊接觸，若在氣囊未完全展開時接觸氣囊，安全氣囊的快速膨脹可能對頭部造成更加嚴重的傷害。

b.駕駛員向前或向后移動時，其頸部均具有較高的損傷風險。駕駛員腿部與膝部擋板越遠，其腿部的損傷風險越高。乘員在汽車正面碰撞中保持標準坐姿時，約束系統(tǒng)的保護效果最理想。

c. 駕駛員向左或向右傾斜都會導致不同程度的傷害，這是由于安全帶對人體胸部的約束并不理想，使頭部與安全氣囊的接觸偏離最佳位置與時刻。乘員偏離標準坐姿越嚴重，約束系統(tǒng)對乘員的保護程度越低，汽車正面碰撞對乘員的損傷影響就越大。因此，針對未來多樣化駕駛人群進行乘員智能保護系統(tǒng)的研發(fā)，在碰撞發(fā)生前，約束系統(tǒng)盡量將乘員從非標準坐姿轉換成標準坐姿，可降低駕駛員的損傷。