基于Thor-AV假人有限元模型的不同坐姿乘員損傷分析

李琨 劉玉濤 周大永,2 王鵬翔 祝賀 呂曉江,2

（1.吉利汽車研究院（寧波）有限公司，寧波 315335；2.湖南大學(xué)，汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410082）

1 前言

交通事故每年在全球造成近135 萬人死亡，其中汽車使用者的死亡比例高達(dá)29%，正確使用安全帶可使駕駛員和前排乘員的死亡風(fēng)險(xiǎn)降低45%～55%，后排乘員死亡和重傷的風(fēng)險(xiǎn)降低25%[1]。

現(xiàn)階段自動駕駛技術(shù)匯集了各種新興技術(shù)，智能座艙的研究在不斷深入。Martin 等[2-3]研究發(fā)現(xiàn)，通過增大靠背角可以實(shí)現(xiàn)更舒適的姿態(tài)，然而隨著靠背角度的增大，與常規(guī)坐姿相比，乘員腰椎位置遭受更大的損傷風(fēng)險(xiǎn)，并通過在滑軌上加裝限力裝置有效減輕了乘員腰部損傷。Lin 等[4]研究發(fā)現(xiàn)，大角度坐姿相較于常規(guī)坐姿更易使乘員受傷。Reed等[5]通過志愿者試驗(yàn)建立回歸方程預(yù)測坐姿改變所需的安全帶位置的變化，以達(dá)到更好的保護(hù)效果。李海巖等[6]研究了不同坐姿下的兒童頭部傷害，發(fā)現(xiàn)坐姿角度的增大會導(dǎo)致腦組織慣性損傷加劇，但頸部傷害無增大的趨勢。在零重力環(huán)境下，人體往往表現(xiàn)出放松及沒有外力作用的特定的姿態(tài)，即中位身體姿態(tài)（Neutral Body Posture，NBP），Han 等[7]采用多機(jī)位的三維測量技術(shù)觀察太空飛行中機(jī)組成員的身體姿態(tài)，得到了更為準(zhǔn)確的中位身體姿態(tài)。研究人員將這種中位姿態(tài)引入汽車座椅開發(fā)，提高乘員的安全性和舒適性[8]。

乘員安全是自動駕駛汽車發(fā)展的關(guān)鍵，新的駕駛工況對車內(nèi)乘員保護(hù)提出了新的挑戰(zhàn)。然而當(dāng)前汽車乘員安全保護(hù)技術(shù)開發(fā)主要集中在傳統(tǒng)工況下，各國新車評價(jià)規(guī)程中應(yīng)用Hybird Ⅲ假人或者Thor 假人對正面碰撞工況進(jìn)行乘員損傷分析，但并未針對智能駕駛工況下軀干角度較大的碰撞工況進(jìn)行開發(fā)。本文應(yīng)用為大角度軀干設(shè)計(jì)的Thor-AV假人，調(diào)整副駕駛員側(cè)座椅靠背和座墊角度，研究在未來智能駕駛工況下，乘員在不同坐姿角度條件下的傷害情況，以期為智能駕駛工況下的乘員保護(hù)提供參考，為零重力座椅的開發(fā)提供數(shù)據(jù)支持。

2 材料與方法

本文的假人有限元模型采用Thor-AV 50M假人，該假人是基于Thor-50M設(shè)計(jì)的一種新型擬人試驗(yàn)裝置（Anthropomorphic Test Device，ATD），可以更好地表征碰撞場景中的人體形態(tài)，尤其是自動駕駛座椅環(huán)境中的人體形態(tài)。該模型質(zhì)量為85.1 kg，具有超過150個(gè)數(shù)據(jù)采集通道，包括加速度、力和彎矩等[9]。

汽車結(jié)構(gòu)及座椅有限元模型采用開發(fā)中的某款車型數(shù)據(jù)，應(yīng)用Thor-AV 假人模型與汽車座椅有限元模型，根據(jù)中國新車評價(jià)規(guī)程（China New Car Assessment Program，C-NCAP）正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗(yàn)要求[10]，在有限元前處理軟件ANSA中設(shè)置仿真參數(shù)，假人位于副駕駛員座椅處，碰撞初始速度為50 km/h，安全帶采用預(yù)緊限力安全帶。通過調(diào)整座椅座墊、靠背角度以及Thor-AV 有限元模型的姿態(tài)，共設(shè)置3 組仿真工況，模型搭建如圖1所示，具體參數(shù)如表1所示。

表1 仿真工況設(shè)置

表2 所示為提取的3 組假人頭部損傷仿真數(shù)據(jù)，由圖2 可知：在42°靠背角度下，假人的BrIC 為0.88，在3 組仿真中最?。浑S著座椅靠背角度的增大，假人頭部BrIC逐步變大，最終穩(wěn)定在1.10附近。

圖1 不同坐姿仿真設(shè)置

3 仿真結(jié)果

3.1 假人運(yùn)動學(xué)響應(yīng)

圖2 所示為碰撞過程中假人運(yùn)動學(xué)響應(yīng)示意，每10 ms 截取一幀運(yùn)動圖像，從圖2 中可以看出：骨盆角度增大后，安全帶腰帶不能很好地作用到髂骨翼上，在碰撞過程中隨著靠背角度的增大，假人的下潛現(xiàn)象更加明顯；由于假人初始位置相對靠后，碰撞過程中僅在42°靠背角情況下假人頭部可接觸到安全氣囊，3 組仿真中安全氣囊均未起到保護(hù)作用。

圖2 假人運(yùn)動學(xué)響應(yīng)

3.2 頭部損傷

根據(jù)C-NCAP碰撞試驗(yàn)要求對頭部質(zhì)心合加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行CFC 1 000濾波，提取了3組仿真假人頭部線性合加速度圖像，如圖3 所示。由圖3 可知：碰撞過程中乘員頭部具有相同的運(yùn)動趨勢，其中62°座椅靠背角度工況下乘員的頭部合加速度最大，為61.7g，此時(shí)乘員因線性載荷造成的頭部損傷最大；靠背角度為42°時(shí)的頭部合加速度最小，為53.5g，此工況下乘員頭部線性載荷傷害最小。

圖3 頭部合加速度

腦組織受到外部力的作用會產(chǎn)生平移或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，由于線性加速度或者角加速度的存在，可能導(dǎo)致腦組織變形，出現(xiàn)腦組織損傷。關(guān)于腦組織損傷的主要因素，當(dāng)前主流的看法是線性加速度和旋轉(zhuǎn)加速度的共同作用[11]。本文通過對假人提取由線性載荷造成的頭部傷害指標(biāo)（Head Injury Criteria，HIC）及由旋轉(zhuǎn)載荷造成的腦組織損傷標(biāo)準(zhǔn)（Brain Injury Criteria，BrIC）結(jié)果綜合判斷假人在碰撞過程中的頭部傷害情況。

HIC 被視為與受頭部平移加速度影響較大的顱骨骨折和腦挫傷相關(guān)聯(lián)的指標(biāo)[11]，其求解公式基于韋恩州立大學(xué)耐受性曲線定義，適用于不同的頭部加速度波形：

式中，t1、t2分別為HIC 取得最大值區(qū)域的起始時(shí)刻和終止時(shí)刻，在實(shí)際應(yīng)用中選取的時(shí)間間隔一般不超過15 ms；a(t)為頭部質(zhì)心合成加速度。

《C-NCAP管理規(guī)則》[10]規(guī)定乘員HIC15的最大值為700。通過提取假人HIC15，結(jié)合碰撞過程中的乘員運(yùn)動學(xué)圖像可以發(fā)現(xiàn)：在靠背角為42°的仿真中，乘員頭部初始位置相對常規(guī)姿態(tài)與儀表板距離更遠(yuǎn)，在碰撞過程中乘員頭部并未有效接觸安全氣囊，假人HIC15為300；隨著座椅靠背角度的增大，乘員頭部在碰撞運(yùn)動過程中未接觸到安全氣囊，假人HIC15逐步增大，在靠背角度為62°時(shí)HIC15達(dá)到3 組試驗(yàn)的最大值335.5。

通過對碰撞過程假人運(yùn)動學(xué)圖像進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在正面碰撞過程中由于慣性作用以及安全帶對胸腹部的約束作用，假人頭部相對于軀干均出現(xiàn)不同程度的旋轉(zhuǎn)，從而使力從腦的表層向深層傳遞，伴隨腦組織的剪切應(yīng)變，引起彌漫性腦損傷。為研究座椅靠背初始角度對假人頭部旋轉(zhuǎn)載荷損傷的影響，提取了仿真中假人BrIC[11]，設(shè)頭部質(zhì)心在x、y、z向的角速度分別為ωx、ωy、ωz，則BrIC的表達(dá)式為：

式中，ωxc、ωyc、ωzc分別為x、y、z向標(biāo)準(zhǔn)角速度，基于與腦的主應(yīng)變的相關(guān)性，分別為66.3 rad/s、53.8 rad/s、41.5 rad/s。

現(xiàn)階段美國新車評價(jià)規(guī)程（United States New Car Assessment Progremme，U.S. NCAP）通過提取BrIC 對乘員腦組織旋轉(zhuǎn)載荷損傷進(jìn)行正式評價(jià)，歐洲新車評價(jià)規(guī)程（European New Car Assessment Progremme，Euro NCAP）也在對該值進(jìn)行監(jiān)測，預(yù)計(jì)在2025 年進(jìn)行正式評價(jià)[12]。Takhounts 等[13]通過研究腦組織最大主應(yīng)變與簡明損傷定級（Abbreviated Injury Scale，AIS）之間的關(guān)系，并對BrIC與最大主應(yīng)變進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)當(dāng)BrIC 達(dá)到1.06 時(shí)頭部發(fā)生AIS 4 級損傷的風(fēng)險(xiǎn)為50%。腦組織發(fā)生不低于AIS 4級損傷的風(fēng)險(xiǎn)的計(jì)算公式為：

3.3 頸部傷害

在正面碰撞過程中，安全帶無法約束乘員頭頸部的相對運(yùn)動，乘員軀干受到安全帶約束作用時(shí)，乘員頭頸部由于慣性作用繼續(xù)向前運(yùn)動。為研究碰撞過程中假人頸部的損傷情況，本文提取仿真中假人頸部剪切力Fx、軸向拉力Fz以及繞Y軸旋轉(zhuǎn)彎矩My，結(jié)果如表3 所示：在62°靠背角工況下假人Fz最大，為4.6 kN；座椅靠背角度為52°時(shí)假人Fx最大，為1.1 kN。

表3 頸部損傷數(shù)據(jù)

3.4 鎖骨傷害

現(xiàn)階段各國新車評價(jià)規(guī)程在乘員傷害評價(jià)方面均未對鎖骨傷害進(jìn)行評價(jià)，但是在智能駕駛技術(shù)愈加成熟的今天，乘員在碰撞過程中更加容易出現(xiàn)離位現(xiàn)象。Harnroongroj 等[14]通過提取人體志愿者的鎖骨進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)截面力達(dá)到1.6 kN時(shí)鎖骨發(fā)生骨折現(xiàn)象。本文通過分析運(yùn)動學(xué)圖像發(fā)現(xiàn)，受座椅角度的影響，靠背角度越大，假人離位現(xiàn)象越嚴(yán)重，并且，由于三點(diǎn)式安全帶的自身缺陷，假人的頸部及鎖骨受到了較為嚴(yán)重的傷害。提取Thor-AV 假人鎖骨力數(shù)據(jù)，如圖4所示，可以發(fā)現(xiàn)假人的鎖骨截面力在62°靠背角度仿真工況下最大，達(dá)到5.6 kN，在靠背角42°初始工況下鎖骨截面力最小，為2.1 kN。通過3 組仿真可以發(fā)現(xiàn)，隨著靠背角的增大，鎖骨截面力逐漸增大。

圖4 鎖骨截面力

3.5 胸椎傷害

在正面碰撞過程中，假人由于慣性作用，脫離座椅向前運(yùn)動，然而由于座墊角度的調(diào)整，座墊區(qū)域?qū)τ诩偃说倪\(yùn)動起到約束作用，并且隨著靠背角度的增大，乘員脊椎受到的慣性載荷隨之增加。研究人員分析發(fā)現(xiàn)，人體腰椎的抗壓強(qiáng)度為0.6～15.6 kN，出現(xiàn)骨折的壓縮力均值和標(biāo)準(zhǔn)差為4.84±2.5 kN[15]。本文提取假人胸椎T12 的截面載荷研究椎骨傷害情況，如表4所示。在T12 剪切力及彎矩方面，3 組仿真中假人傷害無較大差距，然而，隨著靠背角度的增大，F(xiàn)z逐漸增大，當(dāng)靠背角度為62°時(shí)假人脊椎Fz=11.6 kN，此時(shí)假人脊椎受到壓縮性骨折損傷風(fēng)險(xiǎn)最大。

表4 胸椎T12損傷數(shù)據(jù)

4 分析與討論

通過提取仿真數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)靠背角度為42°、座墊角度為25°時(shí)，成員頭部并未有效接觸安全氣囊，但頭部并未撞擊到前方儀表板，所以HIC15較?。辉诹硗?組仿真中，由于乘員頭部位置進(jìn)一步后移，在碰撞過程中頭部并未接觸安全氣囊。在3 組仿真中，假人頭部均未撞擊到前方儀表板，HIC15均未超出閾值，然而，隨著靠背角度的增大，由于旋轉(zhuǎn)載荷造成的損傷風(fēng)險(xiǎn)逐漸增大，在靠背角度為62°時(shí)腦組織發(fā)生AIS 4級損傷的風(fēng)險(xiǎn)為56%。

隨著靠背角度的增大，乘員頸部軸向拉力逐步增大，在靠背角度為62°時(shí)達(dá)到最大值4.6 kN；可以發(fā)現(xiàn)隨著靠背角度的增大，碰撞過程中乘員上肢轉(zhuǎn)動造成的頸部軸向拉伸力增大，并且在52°及62°靠背角度工況下傷害值超過C-NCAP 規(guī)定的極限值3.3 kN。

現(xiàn)階段，各國新車評價(jià)規(guī)程中并未對乘員鎖骨的傷害情況進(jìn)行評價(jià)，然而在正面碰撞過程中乘員肩部鎖骨承擔(dān)安全帶的約束力，其損傷情況影響乘員在碰撞過程中的運(yùn)動狀態(tài)，影響頭頸部及動脈的傷害情況，因此有必要對乘員的鎖骨傷害進(jìn)行分析。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，在尸體試驗(yàn)中人體鎖骨發(fā)生骨折時(shí)的截面力為1.6 kN。對比3 組仿真的鎖骨截面力可以發(fā)現(xiàn)，不同工況下鎖骨均有較大的骨折風(fēng)險(xiǎn)，隨著靠背角度的調(diào)整，鎖骨截面力增大，當(dāng)靠背角為最大角度62°時(shí)，骨折風(fēng)險(xiǎn)最大。

在脊椎損傷方面，通過仿真數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，相對于常規(guī)角度的正面碰撞，由于座椅靠背角度的變化，乘員脊椎承受了更多的慣性載荷傷害，通過提取胸椎T12 處的截面壓縮力發(fā)現(xiàn)，靠背角度的變化引起軸向壓力的急劇升高，這對于大角度座椅靠背工況下乘員正面保護(hù)的開發(fā)具有相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。

5 結(jié)束語

針對本文中所開發(fā)車型，在正面碰撞工況下，當(dāng)座椅靠背角度較大時(shí)，傳統(tǒng)安全氣囊無法對乘員頭部起到保護(hù)作用，并且隨著靠背角度的增大，頭部線性載荷傷害增大，BrIC 增大到1.1 附近，推測與碰撞速度相關(guān)，需進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。在鎖骨及椎骨傷害方面，靠背角度對于乘員骨折風(fēng)險(xiǎn)有較大影響，當(dāng)靠背角度最大時(shí)鎖骨截面力及胸椎T12 軸向壓縮力出現(xiàn)最大值，骨折的風(fēng)險(xiǎn)最大。

隨著智能座艙概念以及零重力座椅產(chǎn)品的深入開發(fā)，在乘員保護(hù)開發(fā)及評價(jià)方面應(yīng)考慮非標(biāo)準(zhǔn)工況。在本文車型的開發(fā)過程中可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的安全氣囊并不能很好地保護(hù)乘員，并且由于乘員的離位現(xiàn)象更為嚴(yán)重，對于乘員在不同部位的傷害有了新的變化，對座椅的設(shè)計(jì)以及三點(diǎn)式安全帶的保護(hù)作用提出了挑戰(zhàn)。