兒童乘員在大傾角增高座椅中的下潛趨勢及腹部損傷研究*

張學榮 尹遜蒙

（江蘇大學，鎮(zhèn)江 212013）

主題詞：正面碰撞 兒童乘員 增高座椅 下潛 腹部損傷

1 前言

未來，車輛乘員艙將允許座椅靠背調(diào)節(jié)至大傾角以獲得更佳的乘坐舒適性，隨著自動駕駛技術的快速發(fā)展，兒童乘員也將會以大傾角姿態(tài)參與交通運行。然而，傳統(tǒng)的約束系統(tǒng)可能無法有效保護處于大傾角姿態(tài)下的兒童乘員，兒童乘員由于身材較小且髂骨未發(fā)育成型，更容易在碰撞中發(fā)生下潛現(xiàn)象[1]。同時，由于腹部沒有骨骼結(jié)構(gòu)的保護，下潛后安全帶會擠壓腹部軟組織導致其變形，造成內(nèi)臟組織損傷[2]。在交通事故中，傾斜坐姿乘員的受傷率和死亡率與正常坐姿乘員相比均有所上升[3]。

Slusher等[4]評估了6歲PIPER兒童模型在不同類型增高座椅中的下潛狀況，結(jié)果表明，雖然各評價指標對下潛的評估存在差異，但下潛后兒童腹部壓力均顯著增大。劉玉云等[5]分析了有限元建模方法對乘員防下潛仿真精度的影響。Forman 等[6]探究了增高座椅中影響兒童下潛的因素，結(jié)果表明，座墊剛度和兒童坐姿對下潛的影響最顯著。裴永生[7]等使用生物力學人體模型建立駕駛位乘員約束系統(tǒng)模型，對不同胸部損傷指標構(gòu)建響應面模型，并采用模擬退火算法優(yōu)化得到安全帶最佳限力值和預緊時刻。柏楊[8]等探究了坐姿對6歲兒童胸腹部損傷的影響，結(jié)果表明，兒童乘員在后仰坐姿下與標準和前傾坐姿相比存在更高的胸腹部損傷風險。

在乘員防下潛研究中，針對乘員下潛傾向量化的研究較少。2015 年版及以后的C-NCAP 管理規(guī)則[9]中加入了假人髂骨力卸載率作為判斷是否下潛的標準，但髂骨力卸載率無法量化下潛的趨勢，且對不同身材特征的乘員不具備普適性。唐亮等[10]針對機械假人提出了腰帶在骨盆上的相對位置（Lap Belt position On Pelvis，LBOP）準則作為對乘員下潛的評價標準，即通過腰帶與大腿的距離量化乘員下潛趨勢，但此方法也存在局限性，腰帶與大腿的距離取決于腰帶的初始位置，若初始位置不一致，則在該準則下無法比較。另外，生物力學模型肢體輪廓更加不規(guī)則，這對安全帶形狀和初始位置設置提出了更高的要求。

因此，本文使用6歲兒童生物力學模型在臺車模型中進行動態(tài)模擬，分析大傾角座椅中兒童的運動姿態(tài)與下潛趨勢，以及下潛對腹部損傷的影響，針對兒童生物力學模型，建立可量化下潛趨勢的兒童下潛風險評價準則并進行驗證。

2 模型建立

2.1 兒童生物力學模型

本文采用由歐洲安全和風險分析中心（Centre Européen d’Etudes de Sécurité et d’Analyse des Risques，CEESAR）等機構(gòu)聯(lián)合開發(fā)的PIPER 兒童生物力學模型[11]，基本模型通過對6 歲兒童進行計算機斷層掃描（Computed Tomography，CT）得到。兒童模型身高114.6 cm，體重23 kg，坐姿高度63 cm，基本模型有353個解剖學結(jié)構(gòu)，頭部解剖結(jié)構(gòu)包括顱骨、大腦、腦膜、小腦等，頸椎結(jié)構(gòu)由椎骨、椎間盤、環(huán)狀基質(zhì)等構(gòu)成，韌帶由彈簧單元進行建模，PIPER 兒童生物力學模型如圖1 所示。該模型的有效性已通過尸體試驗驗證，包括頭部跌落試驗、胸部擺錘試驗以及脊柱柔韌性測試等[12]。基于PIPER標準坐姿兒童模型，通過調(diào)節(jié)髖部關節(jié)局部坐標系可得到不同乘坐傾角下的兒童模型。

圖1 PIPER兒童生物力學模型

2.2 臺車及兒童座椅模型

由于目前市售兒童增高座椅靠背傾角調(diào)節(jié)范圍有限，基于經(jīng)臺車試驗驗證的一款兒童增高座椅模型，修改增高座椅模型靠背與底座連接處結(jié)構(gòu)，使得座椅靠背傾角可大幅調(diào)整。臺車模型參數(shù)依據(jù)ECE R129法規(guī)附件6[13]設定，兒童增高座椅模型通過ISOFIX接口安裝在臺車模型上。臺車及兒童約束系統(tǒng)模型共有307 363個節(jié)點、35 260個實體單元和298 553個殼單元。

導入已調(diào)節(jié)坐姿的PIPER兒童生物力學模型，基于臺車試驗H點位置采用預模擬法對兒童進行定位。建立三點式混合安全帶，設置接觸并施加加速度為9.8 m/s2的重力場。最后提取50 km/h正面碰撞加速度波形施加在臺車上，加速度波形如圖2所示。

圖2 50 km/h正面碰撞加速度波形

3 動態(tài)模擬分析

基于建立的正面碰撞仿真模型，初始模型采用25°標準靠背傾角，以5°為步長逐漸增大臺車靠背傾角及兒童增高座椅靠背傾角至55°，分別導入對應坐姿的PIPER兒童生物力學模型，并設置各靠背傾角下兒童H點位置相同，得到不同靠背傾角正面碰撞仿真模型，如圖3所示。

圖3 正面碰撞仿真模型

3.1 下潛趨勢及風險分析

盆骨角度定義為盆骨髂前上棘、恥骨聯(lián)合的連線與垂線之間的夾角在縱向平面內(nèi)的投影。圖4所示為不同靠背傾角下安全帶與盆骨的相對位置，可以觀察到，靠背傾角不超過35°時，盆骨初始角度較小，腰帶始終作用于兒童盆骨，盆骨前向位移遠小于軀干前向位移，這使得盆骨角度保持在較小增幅，其中最大盆骨轉(zhuǎn)角為19°。

圖4 不同靠背傾角時碰撞后第84 ms安全帶與盆骨相對位置

靠背傾角增大至40°時，盆骨初始角度隨之增大，腰帶相對于盆骨向上滑移使得盆骨前向位移增大，肩帶限制了兒童軀干前向位移，導致盆骨向后旋轉(zhuǎn)，并加劇了腰帶向上滑動的趨勢，最終打破了安全帶與兒童間的臨界“自鎖”狀態(tài)[14]，導致下潛發(fā)生。此時盆骨轉(zhuǎn)角為33°，相較于標準靠背傾角（25°）條件下增加了153.8%，盆骨前向位移為220 mm，相較于標準靠背傾角條件下增加了60.9%。因此，減小盆骨向后旋轉(zhuǎn)角度的措施（如限制盆骨前向位移、適當增大軀干前向位移）可以抑制兒童下潛趨勢，圖5、圖6所示為不同靠背傾角前向位移變化及盆骨角度曲線。

圖5 不同靠背傾角時的前向位移變化

圖6 不同靠背傾角時的盆骨角度曲線

靠背傾角繼續(xù)增大，兒童以近似躺姿狀態(tài)傾斜地坐在增高座椅中，盆骨初始角度更大，髂前上棘位置更低且更靠后，此時腰帶已完全不能約束兒童盆骨，盆骨前向位移超過軀干前向位移，兒童整體從增高座椅中向前滑移，肩帶存在勒緊頸部的風險，兒童還有可能發(fā)生二次碰撞。

3.2 腹部損傷分析

在低速加載（如安全帶加載）時，腹部壓縮量可作為預測腹部損傷的指標，腹部壓縮直接表現(xiàn)為腹部壓力升高。在兒童未下潛時，腹部壓縮量最大值為29.1 mm，峰值時刻在第65 ms 左右，此時腹部壓力為48 kPa；下潛后由于安全帶直接作用于兒童腹部，導致腹部壓縮量急劇增大，在55°靠背傾角時腹部壓縮量達到最大值65.5 mm，峰值時刻在第90 ms左右，相比標準靠背傾角（25°）時腹部壓縮量增大了234%，此時腹部壓力為91 kPa，圖7、圖8所示為不同靠背傾角條件下腹部壓縮量及腹部壓力曲線。

圖7 不同靠背傾角時的腹部壓縮量曲線

圖8 不同靠背傾角時的腹部壓力曲線

Viano通過尸體擺錘試驗[15]獲得了簡明損傷定級標準（Abbreviated Injury Scale，AIS）與胸腹部壓縮比的關系，將兒童與成人的身材比例進行縮放，可得到6 歲兒童AIS與腹部壓縮比的關系：

式中，SAIS為簡明損傷定級；C為腹部壓縮比，即腹部壓縮量與腹部初始厚度的比值。

由腹部壓縮量和式（1）可得，55°靠背傾角時兒童腹部損傷最大，腹部AIS為2.9級，下潛存在對兒童腹部造成中度傷甚至較重傷的風險。

碰撞時腹部軟組織損傷不僅與腹部壓縮量有關，與腹部變形速率也有很大關系，粘性準則考慮了變形速率的影響。當腹部粘性指數(shù)達到1 m/s時，有超過25%的概率產(chǎn)生不低于AIS 4的腹部損傷，腹部粘性指數(shù)表達式為：

式中，v(t)為腹部壓縮速度函數(shù)；D(t)為腹部壓縮量；C(t)為腹部壓縮率函數(shù)；b為腹部初始厚度。

未下潛時，兒童腹部粘性指數(shù)峰值最大為0.19 m/s，峰值時刻在第60 ms 左右；下潛后，腹部粘性指數(shù)波峰時刻延后且峰值急劇增大，在第1個波峰時刻會造成較大的腹部損傷，最大峰值為0.69 m/s，發(fā)生在55°靠背傾角時，相比標準靠背傾角時增大了527%。依據(jù)腹部粘性準則，下潛有造成兒童腹部AIS 3 重傷的風險。圖9所示為不同靠背傾角時的腹部粘性指數(shù)曲線。

圖9 不同靠背傾角時腹部粘性指數(shù)曲線

當兒童處于標準靠背傾角（25°）時，肝臟、脾臟、腎臟的最大第一主應變分別為33%、22%、17%，肝臟最大第一主應變位置在肝左外葉上段，是肩帶束縛兒童軀干壓迫左側(cè)肋弓所致，脾臟最大第一主應變位置在與胃部接觸的臟面后端，腎臟最大第一主應變位置在左腎腎動脈上部靠近第二腰椎處；當靠背傾角達到40°時下潛發(fā)生，肝臟、脾臟、腎臟的最大第一主應變分別為31%、21%、22%，脾臟最大第一主應變位置在脾面前端與第九肋骨接觸處，腎臟最大第一主應變位置在左腎下端與左側(cè)腰肌接觸處；當靠背傾角為55°時，肝臟、脾臟、腎臟的最大第一主應變分別為48%、26%、26%，肝臟最大第一主應變位置在肝右后葉下段，由腰帶滑落至上腹部擠壓肝臟變形所致，脾臟最大第一主應變位置在脾面后端靠近第十一肋骨處。腹部臟器最大第一主應變云圖如表1所示。

表1 腹部臟器最大第一主應變云圖

由于肝臟、脾臟、腎臟等腹部臟器主要分布在上腹部，靠背傾角超過40°后，下潛導致腹部臟器最大第一主應變顯著增大。其中肝臟因腰帶擠壓變形產(chǎn)生的損傷最嚴重，55°靠背傾角時肝臟最大第一主應變比標準靠背傾角時增大了45%，圖10 所示為不同靠背傾角時腹部臟器最大第一主應變。

圖10 不同靠背傾角時腹部臟器最大第一主應變

4 兒童下潛風險評價準則及其驗證

4.1 兒童下潛風險評價準則

由于目前各種下潛評價準則對兒童乘員存在一定局限性，通過對兒童下潛趨勢進行分析并基于安全帶與盆骨相對運動原理，針對兒童生物力學模型建立了兒童下潛風險評價準則：

式中，Qxmin為在縱向平面內(nèi)，腰帶下邊緣點Q在盆骨局部坐標系上投影點Qx的最小坐標位置。

若Qxmin≤0，腰帶仍作用于盆骨，兒童未發(fā)生下潛，若Qxmin>0，腰帶越過盆骨髂前上棘點，下潛發(fā)生。Qxmin還可量化兒童下潛趨勢，Qxmin越小，下潛趨勢越小，反之，下潛趨勢越大。

其中，盆骨局部坐標系定義為：在縱向平面內(nèi)，以平行于髂骨髂前下棘、恥骨聯(lián)合連線方向并通過髂前上棘點的直線為x軸建立盆骨局部坐標系，髂前上棘點即x軸坐標原點，向上為x軸正方向。盆骨局部坐標系在縱向平面內(nèi)跟隨盆骨結(jié)構(gòu)運動，如圖11所示。

圖11 盆骨局部坐標系

4.2 兒童下潛風險評價準則的驗證

不同靠背傾角下的Qx指標如圖12所示，由圖12可以看出：不同靠背傾角安全帶的初始位置略有差異，但最大偏差在7 mm以內(nèi)，可以忽略；Qxmin隨靠背傾角增大而增大，表明兒童下潛趨勢增加?？勘硟A角超過35°后，Qxmin>0，表明下潛發(fā)生，表2 所示為不同靠背傾角時的Qxmin及下潛判斷。

表2 不同靠背傾角時的Qxmin及下潛判斷

圖12 不同靠背傾角時的Qx指標

這與仿真動畫中觀察到的安全帶與盆骨相對位置所得結(jié)論一致，另外，通過腹部壓縮量、腹部壓力等腹部損傷指標在靠背傾角35°前后的顯著變化也可以佐證下潛的發(fā)生。上述結(jié)果驗證了所建立的兒童下潛風險評價準則的正確性。

5 結(jié)束語

本文使用6 歲PIPER 兒童生物力學模型在ECE R129臺車模型中進行了50 km/h正面碰撞動態(tài)模擬，針對兒童生物力學模型建立了可量化下潛趨勢的兒童下潛風險評價準則并進行了驗證，得到以下結(jié)論：

a.隨著靠背傾角增大，兒童髂前上棘的位置更低且更靠后，下潛趨勢隨盆骨角度增大而增大；靠背傾角超過35°后，兒童在增高座椅中發(fā)生下潛，嚴重下潛時，存在肩帶勒緊兒童頸部和發(fā)生二次碰撞的風險，通過抑制盆骨向后旋轉(zhuǎn)的措施（如限制盆骨前向位移、適當增大軀干前向位移）可減小兒童下潛趨勢。

b.下潛會顯著增大兒童腹部損傷，下潛后，腹部壓縮量和粘性指數(shù)分別比標準靠背傾角時增大了234%和527%。下潛會對肝臟造成較大損傷，肝臟最大第一主應變比標準靠背傾角時增加了45%，對照AIS 標準，下潛有造成AIS 3腹部損傷的風險。

本文探究了大傾角增高座椅中兒童乘員的運動姿態(tài)與下潛趨勢，以及下潛對腹部損傷的影響，從理論上分析了抑制兒童下潛的方法，建立了兒童下潛風險評價準則，后續(xù)將對兒童在大傾角增高座椅中的防下潛措施開展進一步研究。