汽車自動(dòng)駕駛過程中不同姿態(tài)乘員在追尾碰撞中的損傷研究

武和全 邊楚虹 胡林 龔創(chuàng)業(yè)

摘要：為探究自動(dòng)駕駛情形下不同姿態(tài)乘員在追尾碰撞中的損傷風(fēng)險(xiǎn)，利用THUMS人體模型研究了不同姿態(tài)下乘員的生物力學(xué)響應(yīng)。通過對(duì)比尸體試驗(yàn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)對(duì)THUMS乘員約束系統(tǒng)模型的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上調(diào)整THUMS姿態(tài)，使其分別為E-NCAP規(guī)范下的標(biāo)準(zhǔn)乘員姿態(tài)和120°、150°、180°姿態(tài)。然后搭建對(duì)應(yīng)的4種不同座椅角度追尾碰撞模型，對(duì)其施加E-NCAP下的追尾碰撞加速度波形（中速4.88g和高速6.44g）。通過8組仿真試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在追尾碰撞中，標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)與120°姿態(tài)下的乘員損傷風(fēng)險(xiǎn)較?。活i部棘突間韌帶應(yīng)變值隨乘員傾斜角度增大而減??；150°與180°姿態(tài)下乘員存在頸部前縱向韌帶拉傷的風(fēng)險(xiǎn)；安全帶在4種乘員姿態(tài)下均可起到約束作用，乘員下肢會(huì)以骨盆為中心發(fā)生偏轉(zhuǎn)，肋骨未發(fā)生骨折，內(nèi)臟器官均未見損傷。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)駕駛；不同姿態(tài)；追尾碰撞；乘員損傷

中圖分類號(hào)：U491.6

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2023.13.012

Research on Injury of Occupants with Different Postures in Rear End Impacts during Automatic Driving

WU Hequan1，2 BIAN Chuhong1 HU Lin1 GONG Chuangye1

1.Key Laboratory of Lightweight and Reliability Technology for Engineering Vehicle，Education Department of Hunan Province，Changsha University of Science and Technology，Changsha，410004

2.Bioengineering Center，Wayne State University，Detroit，MI48201

Abstract： In order to explore the injury risk of occupants under different postures in automatic driving， the THUMS model was used to explore the biomechanical response of occupants in different postures. Firstly， the effectiveness of the THUMS occupant restraint system model was verified by comparing kinematics response of the cadaveric test. Based on this， the THUMS manikin posture was adjusted to be the standard occupant attitude under the E-NCAP specification and attitudes of 120°， 150° and 180° respectively. Then， four models of rear end impact with different seat angles were built， and two rear-impact acceleration waveforms （medium speed of 4.88g and high speed of 6.44g） under E-NCAP protocols were applied to them. Through the comparison of eight groups of simulation tests， it is found that in the rear end impact， the risk of injury to the passengers in the standard posture and 120°sitting posture are relatively low. The strain value of cervical interspinous ligament decreases with the increase of occupant tilt angle. In 150° and 180° postures， there are risks of pulling the anterior longitudinal ligament of the neck. The safety belt may restrain the passengers in all four postures. The lower limbs of the passengers deflect with the pelvis as the center. The ribs and the internal organs are not damaged.

Key words： automatic driving； different posture； rear end impact； injury of occupant

收稿日期：2022-09-28

基金項(xiàng)目：

國(guó)家自然科學(xué)基金（52172399，52211530054）；湖南省自然科學(xué)基金（2021JJ30723）；長(zhǎng)沙理工大學(xué)學(xué)位與研究生教學(xué)改革研究項(xiàng)目

0 引言

隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)駕駛汽車在近年來得到了廣泛的關(guān)注與應(yīng)用［1-2］。多個(gè)國(guó)家開始允許自動(dòng)駕駛汽車的研發(fā)與銷售，并進(jìn)行道路測(cè)試［3］。通過部分企業(yè)測(cè)試數(shù)據(jù)來看，自動(dòng)駕駛技術(shù)發(fā)展迅速［4］。

在自動(dòng)駕駛汽車時(shí)代，駕駛活動(dòng)對(duì)駕駛員的要求與約束越來越少，駕駛員關(guān)注非駕駛活動(dòng)的意愿在不斷增加，他們可以解放雙手擁有更多的時(shí)間與空間進(jìn)行休閑娛樂，這也對(duì)車內(nèi)的布置提出了新的要求，汽車內(nèi)飾的設(shè)計(jì)越來越受到消費(fèi)者的關(guān)注［5］。自動(dòng)駕駛汽車可以為乘客提供適當(dāng)?shù)淖慌渲?、空間和便利，便于乘客在各種情況下舒適、安全地移動(dòng)。例如前排乘客可轉(zhuǎn)動(dòng)180°，以便駕駛員和乘客可以相互交談，同時(shí)座椅可以傾斜甚至躺臥以滿足乘客對(duì)舒適度的要求［6-7］。在一項(xiàng)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，用戶在汽車短距離行駛過程中更傾向于將座椅傾斜到更放松的位置［8］。汽車行駛風(fēng)格多種多樣，相應(yīng)的車載系統(tǒng)配置不斷升級(jí)努力避免碰撞事故發(fā)生［9-10］，自動(dòng)駕駛產(chǎn)業(yè)雖然蓬勃發(fā)展，但仍受到現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展與成本等因素的限制，存在一定的碰撞安全隱患［11］，因此新型駕駛環(huán)境下對(duì)于乘員的保護(hù)尤為重要。

關(guān)于乘員不同姿態(tài)的研究目前相對(duì)較少。當(dāng)前用于評(píng)估車輛安全性的監(jiān)管流程主要針對(duì)處于標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)且座椅靠背與垂直方向的夾角約為25°的乘員［12］。ZHANG等［13］調(diào)查收集了前排乘客常用的姿態(tài)列表，包括29種成人姿態(tài)和13種兒童姿態(tài)。發(fā)現(xiàn)其中成年人最常見的兩種姿態(tài)是直立坐在坐墊尾部，另一種是坐在坐墊的一部分，膝蓋朝前，與左側(cè)成30°，這兩類姿態(tài)的可能性占95%。BOSE等［14］研究了在正面碰撞中乘員的質(zhì)量、身高、姿態(tài)和支撐水平對(duì)乘員損傷的影響，發(fā)現(xiàn)與駕駛員群體中代表性的乘員人體測(cè)量范圍相比，駕駛員姿態(tài)的代表性變化對(duì)碰撞期間的傷害結(jié)果具有更顯著的影響。當(dāng)乘員處于非標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)時(shí)，座椅安全帶或安全氣囊往往無法為其提供有效保護(hù)，甚至?xí)?duì)乘員造成一定的傷害。同時(shí)座椅靠背和坐墊的傾角大小也會(huì)對(duì)乘員損傷造成影響，如肖志等［15］研究了追尾碰撞中乘員姿態(tài)對(duì)乘員動(dòng)力學(xué)響應(yīng)和頸部損傷的影響，發(fā)現(xiàn)乘員處于離位坐姿時(shí)的頸部損傷參數(shù)值遠(yuǎn)大于正常坐姿時(shí)的參數(shù)值，同時(shí)頭枕位置與剛度、座椅靠背剛度也會(huì)影響乘員頸部損傷。MJSA等［16］研究了不同靠背和坐墊角度組合下乘員躺臥的損傷風(fēng)險(xiǎn)，預(yù)測(cè)了在自動(dòng)駕駛車輛中基于車輛限制的最有利的睡眠姿勢(shì)為座椅坐墊角度為40°和靠背角度為155°的組合。JIANG等［17］研究了乘員半傾斜和傾斜休息模式時(shí)的頭部HIC值、頸部Nij值以及胸部壓縮量值。

在汽車碰撞中車輛的碰撞速度與乘員受傷程度息息相關(guān)［18］，本文基于自動(dòng)駕駛汽車，在典型的三點(diǎn)約束系統(tǒng)下，通過THUMS（total human model for safety）人體模型研究對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)、120°、150°和180°這4種不同姿態(tài)角度乘員在不同追尾碰撞速度下的運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)和損傷分析。

1 研究方法

1.1 THUMS乘員約束系統(tǒng)模型搭建

通過對(duì)比KANG等［19-20］系列尸體試驗(yàn)（PMHS）樣本的追尾碰撞運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)，對(duì)搭建的乘員約束系統(tǒng)進(jìn)行有效性驗(yàn)證。參考的PMHS試驗(yàn)樣本編號(hào)為PMHS2。試驗(yàn)設(shè)置的邊界條件是將PMHS使用三點(diǎn)式安全帶約束在座椅上，座椅靠背初始角度與垂直方向的夾角約為25°，尸體頭部重心（CG）到頭枕頂面的垂直距離為50±5 mm，安全帶腰帶與肩帶的初始安全帶張力分別為17.8 N與26.7 N。

本文利用THUMS（V4.0，AM50）模型（圖1）參考PMHS試驗(yàn)定位人體模型并建立約束系統(tǒng)模型。在未來自動(dòng)駕駛中，駕駛員無需保持駕駛姿勢(shì)，因此手臂可以垂下平放于腿部。固定THUMS人體模型的肩胛骨與鎖骨部位，對(duì)手臂施加1g加速度，調(diào)整手臂姿態(tài)，使其更加符合實(shí)際情況。模型包括汽車座椅、乘員、三點(diǎn)式安全帶等，座椅模型基于公開的汽車座椅。PMHS試驗(yàn)設(shè)置與搭建的THUMS仿真模型分別如圖2、圖3所示，對(duì)座椅施加的加速度波形如圖4所示。

1.2 乘員追尾碰撞模型的建立

乘員追尾碰撞模型由人體模型、座椅、安全帶等組成。座椅包括座椅框架、坐墊、靠背以及頭枕。座椅模型基于公開的豐田YARiS（NHTSA，2010），ZELLMER等［21］的研究表明批量生產(chǎn)的座椅無法承受高強(qiáng)度的后部載荷，因此對(duì)座椅框架進(jìn)行剛化處理，以消除未經(jīng)驗(yàn)證的材料失效所產(chǎn)生的影響，其中座椅初始角度為100°，以座椅靠背鉸接處為旋轉(zhuǎn)中心，調(diào)整靠背與坐墊夾角分別呈120°、150°和180°。

現(xiàn)有的THUMS人體有限元模型為坐姿和直立姿態(tài)兩種，其坐姿模型骨盆區(qū)域無法適應(yīng)大角度座椅靠背。因此利用現(xiàn)有模型，在建立人體模型與座椅系統(tǒng)后，對(duì)模型系統(tǒng)施加重力場(chǎng)并設(shè)置相應(yīng)的接觸，提取運(yùn)算結(jié)束時(shí)刻的狀態(tài)，即人體模型與座椅相互作用并達(dá)到平衡的狀態(tài)，其中人體模型頭部與座椅頭枕正常貼合，手臂自然平放，雙腳正常放置。按照E-NCAP揮鞭試驗(yàn)規(guī)范設(shè)置一組標(biāo)準(zhǔn)乘員姿態(tài)作為對(duì)照，要求模型骨盆角為26.5°±2.5°，兩膝之間距離為200 mm［22］。4種不同姿態(tài)追尾碰撞模型如圖5所示。安全帶系統(tǒng)采用某商務(wù)車中間排座椅的三點(diǎn)一體式安全帶，卷收器、滑環(huán)和鎖扣等與座椅剛體支撐結(jié)構(gòu)固定連接，安全帶卷收器限力設(shè)置為4 kN，預(yù)緊限力設(shè)置為2 kN［23］。

本文碰撞仿真試驗(yàn)根據(jù)E-NCAP選用兩種加速度波形，根據(jù)平均加速度大小分為中速4.88g和高速6.44g［24］，如圖6所示。

1.3 仿真試驗(yàn)中乘員損傷評(píng)價(jià)

頭部損傷一般主要包括顱骨骨折和腦組織損傷，THUMS人體模型具有詳細(xì)的顱腦組織結(jié)構(gòu)特征，可以直接分析顱內(nèi)壓力和等效應(yīng)力，可作為評(píng)價(jià)大腦損傷的指標(biāo)。根據(jù)WARD等［25］的研究，當(dāng)顱內(nèi)壓力小于173 kPa時(shí)，會(huì)發(fā)生輕微損傷或者無損傷；當(dāng)顱內(nèi)壓力在173～235 kPa時(shí)，會(huì)產(chǎn)生中度損傷；當(dāng)顱內(nèi)壓力大于235 kPa時(shí)，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重?fù)p傷。根據(jù)WILLINGER［26］的研究，當(dāng)顱內(nèi)等效應(yīng)力在15～20 kPa時(shí)，會(huì)造成腦震蕩；當(dāng)顱內(nèi)等效應(yīng)力達(dá)到38kPa時(shí)，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的腦部損傷。

頸部損傷評(píng)估參考值（IARVs）已規(guī)定頭部和頸部連接處（OC/C1）以及頸部和軀干連接處（C7/T1）的軸向力、剪切力和彎矩的限值［27］。

根據(jù)YOGANANDAN等［28］的研究，測(cè)量前縱向韌帶、后縱向韌帶、關(guān)節(jié)囊韌帶、黃韌帶和棘突間韌帶的最大主應(yīng)變，并根據(jù)其相應(yīng)的損傷閾值判斷頸部韌帶損傷。

THUMS人體模型具有詳細(xì)的位于胸、腹部的內(nèi)臟生物學(xué)組織結(jié)構(gòu)特征（圖7），能夠直接分析其壓力、等效應(yīng)力和應(yīng)變等。STITZEL等［29］研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)肺部應(yīng)變達(dá)到35%時(shí)，肺部會(huì)發(fā)生損傷。根據(jù)YAMADA［30］ 的研究，心臟引起損傷的應(yīng)變閾值為30%。MELVIN等［31］研究發(fā)現(xiàn)，肝臟、腎臟和脾臟的應(yīng)變耐受值為30%。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 THUMS乘員約束系統(tǒng)驗(yàn)證結(jié)果

本文進(jìn)行THUMS乘員約束系統(tǒng)模型驗(yàn)證時(shí)，與KANG等［19-20］追尾碰撞尸體試驗(yàn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了對(duì)比。圖8所示為THUMS模型與尸體樣本在不同時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)對(duì)比。

追尾碰撞仿真驗(yàn)證試驗(yàn)中，在0～40 ms內(nèi)，由于沖擊速度不大，仿真人體模型姿態(tài)幾乎沒有發(fā)生變化，頭部因慣性保持靜止，胸部在椅背推動(dòng)下向前移動(dòng)；在40～80 ms內(nèi)，頭部逐漸相對(duì)于頸椎向后移動(dòng)，接觸頭枕，接觸時(shí)長(zhǎng)超過40 ms；之后頭部逐漸脫離頭枕，在肌肉和韌帶的作用下發(fā)生回彈運(yùn)動(dòng)，仿真人體模型與尸體姿態(tài)響應(yīng)一致。仿真得到的頭部質(zhì)心在水平方向的加速度曲線如圖9所示，尸體試驗(yàn)與仿真試驗(yàn)結(jié)果中加速度峰值分別為26.5g與28.8g，峰值出現(xiàn)時(shí)刻分別為86 ms與82 ms，可以看出，在160 ms之內(nèi)，仿真所得的曲線與尸體試驗(yàn)所得曲線趨勢(shì)基本一致，加速度峰值到達(dá)時(shí)刻略微提前。這可能是由于人體死亡后頸部肌肉力消失，且座椅頭枕形狀有差異，會(huì)影響頭部運(yùn)動(dòng)。但整體仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪\(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)與尸體試驗(yàn)有較高相似度，因此，乘員約束系統(tǒng)有效性得以驗(yàn)證。

2.2 追尾碰撞仿真試驗(yàn)及損傷分析

2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)追尾碰撞仿真試驗(yàn)及損傷分析

標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)下中高速追尾碰撞仿真試驗(yàn)乘員運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)如圖10、圖11所示。在0～45 ms中，座椅加速向前運(yùn)動(dòng)，座椅靠背對(duì)乘員背部的支撐力逐漸增大，分別在52 ms與48 ms時(shí)人體頭部與頭枕接觸，乘員身體軀干沿靠背向上爬升，頸部發(fā)生彎曲，小腿部回縮與座椅靠墊產(chǎn)生接觸。隨后乘員頭部分別于90 ms與126 ms脫離頭枕，在慣性作用下，頭部相對(duì)頸部向前運(yùn)動(dòng)。高速追尾碰撞中由于沖擊力更大導(dǎo)致乘員頭部與頭枕接觸時(shí)間長(zhǎng)于中速情況，因此在140 ms結(jié)束時(shí)刻高速下乘員頭部與頭枕的距離更近。

中高速追尾碰撞乘員頭部CG、C4、T1、T6、T12、L3和骨盆140 ms時(shí)刻運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)對(duì)比如圖12所示，140 ms時(shí)高速追尾碰撞下乘員距離頭枕與座椅更近。

THUMS人體模型具有詳細(xì)的顱腦組織結(jié)構(gòu)特征，可以直接分析顱內(nèi)壓力和等效應(yīng)力，在標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)下的中高速追尾碰撞工況中，乘員最大顱內(nèi)壓力分別為55.8 kPa和56.0 kPa（圖13），顱內(nèi)最大等效應(yīng)力分別為1.8 kPa和1.7 kPa（圖14），均遠(yuǎn)小于損傷閾值，因此，顱腦損傷的風(fēng)險(xiǎn)極小。

由表1可知，標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)下在中速和高速追尾碰撞時(shí)，乘員肋骨、肺部、心臟、肝臟、脾臟和腎臟應(yīng)變值均小于閾值，未見明顯損傷。

圖15中，F(xiàn)x表示剪切力，F(xiàn)z表示拉伸力。如圖15所示，標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)下的乘員在中高速追尾碰撞工況中的頸部載荷值較小，遠(yuǎn)小于MERTZ等［27］公布的50%男性頸部剪切力極限3100 N，拉伸極限4000 N。

2.2.2 120°姿態(tài)追尾碰撞仿真試驗(yàn)及損傷分析

120°姿態(tài)下中高速追尾碰撞仿真試驗(yàn)乘員運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)如圖16、圖17所示。在0～30 ms時(shí)刻，座椅加速前進(jìn)，由于慣性的作用，座椅和乘員產(chǎn)生相對(duì)位移，乘員胸部壓縮座椅靠背泡沫，乘員頭部和胸部受到座椅骨架的支撐作用；分別在30～88 ms和30～94 ms時(shí)間內(nèi)，乘員身體軀干在安全帶的束縛下沿著座椅靠背方向向上爬升，頭部受到來自頸椎的軸向力的作用，并在與頭枕的相互作用下，沿Y軸（左肩到右肩為Y軸正方向）方向產(chǎn)生一定的偏轉(zhuǎn)，下肢在慣性的作用下向靠近坐墊方向回旋并與其接觸；在追尾碰撞結(jié)束后，座椅泡沫由于物理性能出現(xiàn)反彈，推動(dòng)乘員軀干和頭部向前運(yùn)動(dòng)，乘員頭部開始脫離頭枕。

中高速追尾碰撞乘員頭部CG、C4、T1、T6、T12、L3和骨盆140 ms時(shí)刻運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)對(duì)比如圖18所示，相比中速追尾碰撞，高速追尾碰撞由于慣性更大，會(huì)產(chǎn)生更大的位移。

在120°姿態(tài)下的中速和高速追尾碰撞工況中，乘員最大顱內(nèi)壓力分別為67.2 kPa和59.2 kPa（圖19），顱內(nèi)最大等效應(yīng)力分別為3.6 kPa和3.4 kPa（圖20），均遠(yuǎn)小于損傷閾值，因此，顱腦損傷的風(fēng)險(xiǎn)極小。

由表2可知，在中速和高速追尾碰撞時(shí)，乘員肋骨、肺部、心臟、肝臟、脾臟和腎臟應(yīng)變值均小于閾值，未見明顯損傷。

如圖21所示，120°姿態(tài)下的乘員在中高速追尾碰撞工況中的頸部載荷值較小，遠(yuǎn)小于

MERTZ等［27］公布的50%男性頸部剪切力極限3100 N，拉伸極限4000 N。

2.2.3 150°姿態(tài)追尾碰撞仿真試驗(yàn)及損傷分析

中高速追尾碰撞仿真試驗(yàn)乘員運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)如圖22、圖23所示。在0～80 ms時(shí)刻，座椅加速前進(jìn)，由于慣性的作用，乘員身體軀干在安全帶的束縛下沿著座椅靠背方向向上爬升，頭部受到來自頸椎的軸向力的作用，并在與頭枕的相互作用下，沿Y軸方向產(chǎn)生一定的偏轉(zhuǎn)，乘員下頜與胸部接觸，下肢在慣性的作用下脫離踏板，并彎曲與座椅坐墊接觸；隨著仿真的繼續(xù)，在頭枕的作用下，乘員頭部開始反向旋轉(zhuǎn)，分別在140 ms和146 ms時(shí)，乘員頭部與頭枕頂部接觸，直到170 ms時(shí)安全帶始終未脫離肩部，乘員下肢已脫離座椅坐墊，乘員腹部在安全帶的作用下產(chǎn)生較嚴(yán)重的壓縮變形。

中高速追尾碰撞乘員頭部CG、C4、T1、T6、T12、L3和骨盆170 ms時(shí)刻運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)對(duì)比如圖24所示，相比中速追尾碰撞，高速追尾碰撞由于慣性更大，會(huì)產(chǎn)生更大的位移。

在150°姿態(tài)下的中速和高速追尾碰撞工況中，乘員最大顱內(nèi)壓力分別為-96.3 kPa和-92.5 kPa（圖25），顱內(nèi)最大等效應(yīng)力分別為6.8 kPa和7.8 kPa（圖26），均遠(yuǎn)小于損傷閾值，因此，顱腦損傷的風(fēng)險(xiǎn)小。

由表3可知，在中速和高速追尾碰撞時(shí)，乘員肋骨、肺部、心臟、肝臟、脾臟和腎臟的應(yīng)變值均小于閾值，未見明顯損傷。

如圖27所示，150°姿態(tài)下的乘員在中高速追尾碰撞工況中的頸部載荷值較小，遠(yuǎn)小于MERTZ等［27］公布的50%男性頸部載荷閾值。

2.2.4 180°姿態(tài)追尾碰撞仿真試驗(yàn)及損傷分析

中高速追尾碰撞仿真試驗(yàn)乘員運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)如圖28、圖29所示。隨著和座椅加速前進(jìn)，由于慣性的作用，乘員身體軀干在安全帶的束縛下沿著座椅靠背方向滑移，在安全帶肩帶的作用下，分別在90 ms和88 ms乘員身體達(dá)到最大位移；隨后，乘員下肢在慣性的作用下，以骨盆為中心開始偏轉(zhuǎn)，逐漸脫離座椅，同時(shí)，乘員頸部開始拉伸，在高速追尾碰撞中，乘員頭部在170 ms時(shí)已完全脫離頭枕。

中高速追尾碰撞乘員頭部CG、C4、T1、T6、T12、L3和骨盆170 ms時(shí)刻運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)對(duì)比如圖30所示，相比中速追尾碰撞，高速追尾碰撞由于慣性更大，會(huì)產(chǎn)生更大的位移。

在180°姿態(tài)下的中高速追尾碰撞工況中，乘員最大顱內(nèi)壓力分別為 -88.6 kPa和62.3? kPa（圖31），顱內(nèi)最大等效應(yīng)力分別為4.2 kPa和3.5 kPa（圖32），均遠(yuǎn)小于損傷閾值，因此，顱腦損傷的風(fēng)險(xiǎn)小。

由表4可知，180°乘員姿態(tài)下，在中高速追尾碰撞時(shí)，碰撞速度越高，乘員肋骨與內(nèi)臟器官應(yīng)變值越大，但均未超出損傷閾值，未發(fā)現(xiàn)明顯損傷風(fēng)險(xiǎn)。

如圖33所示，180°姿態(tài)下的乘員在中高速追尾碰撞工況中的頸部載荷值較小，遠(yuǎn)小于MERTZ等［27］公布的50%男性頸部載荷閾值。

2.3 對(duì)比分析

由表5可以看出，在標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)以及120°姿態(tài)中，乘員在中速追尾碰撞和高度追尾碰撞工況下，頸部韌帶最大應(yīng)變值均小于損傷閾值。150°與180°姿態(tài)乘員在中速追尾碰撞工況下，頸部韌帶最大應(yīng)變值均小于損傷閾值；在高速追尾碰撞工況下，前縱向韌帶最大應(yīng)變值超過損傷閾值。并且可以看出，前縱向韌帶應(yīng)變值在大角度傾斜姿態(tài)下，追尾碰撞速度越大，應(yīng)變值越大。因?yàn)樵谧肺才鲎仓谐藛T姿態(tài)傾角增大，頭枕對(duì)于頭部的支撐作用減弱，頸部拉伸程度與沖擊速度大小成正比，前縱向韌帶更易受到損傷。棘突間韌帶應(yīng)變值隨乘員姿態(tài)角度增大而減小，這是因?yàn)榧婚g韌帶連接相鄰椎骨，可限制脊柱過度前屈，當(dāng)乘員傾斜角度較小時(shí)，在追尾碰撞中頭部與頭枕接觸后會(huì)發(fā)生回彈現(xiàn)象，導(dǎo)致頸部向前屈曲，棘突間韌帶應(yīng)變?cè)龃?；?dāng)乘員姿態(tài)傾角增大時(shí)，頭部與頭枕自然接觸，在追尾碰撞中回彈減弱，或直接向后滑移不發(fā)生回彈，因此頸部屈曲度減弱，棘突間韌帶應(yīng)變值減小。

由表6可知，當(dāng)乘員處于大傾角姿態(tài)時(shí)，安全帶作用力峰值大小對(duì)沖擊速度變化更為敏感。

當(dāng)追尾速度增大時(shí)，150°與180°姿態(tài)下，乘員安全帶接觸力峰值增量較標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)與120°姿態(tài)變化量大。乘員姿態(tài)角度越大，座椅靠背與頭枕對(duì)乘員在碰撞過程中的運(yùn)動(dòng)變化干涉越小，乘員容易越過頭枕向后滑移，且速度越大滑移量越多，因此安全帶對(duì)于人體的作用力更大。

3 結(jié)論

（1）在中高速追尾碰撞中，座椅一體式安全帶可有效地將4種不同姿態(tài)角度的乘員胸腹部約束在座椅上，但下肢在慣性的作用下會(huì)以骨盆為中心偏轉(zhuǎn)并脫離座椅。當(dāng)乘員處于150°與180°姿態(tài)時(shí)，安全帶對(duì)人體的約束作用更加明顯。

（2）在4種姿態(tài)角度下的中高速追尾碰撞中，乘員的肋骨均沒有發(fā)生骨折，肺部、心臟、肝臟、腎臟、脾臟等內(nèi)臟器官都未見損傷。因此，乘員姿態(tài)傾角變化對(duì)肋骨及內(nèi)臟器官影響較小。

（3）在高速追尾碰撞中，150°和180°姿態(tài)乘員在慣性作用下頭部位移增大并脫離頭枕，頸部被拉伸，頸部前縱向韌帶出現(xiàn)損傷。這可能是由于隨著座椅靠背角度的增大，頭枕對(duì)頭部姿態(tài)的支撐作用減弱，無法有效限制頭部位移。

（4）在追尾碰撞中，乘員頸部棘突間韌帶應(yīng)變值隨姿態(tài)傾斜角度的增大而減小。這是因?yàn)榧婚g韌帶與脊柱向前屈曲有關(guān)，當(dāng)人體傾斜角度增大時(shí)，頭頸部在追尾過程中的回彈減弱甚至不發(fā)生，從而減小前屈程度，使得棘突間韌帶應(yīng)變值減小。

（5）本文的研究簡(jiǎn)化了乘員的乘坐環(huán)境，關(guān)于乘員下肢的偏轉(zhuǎn)是否會(huì)與內(nèi)飾撞擊而產(chǎn)生損傷，將在后續(xù)展開研究。項(xiàng)目的研究目前以仿真試驗(yàn)為主，對(duì)追尾碰撞中乘員的運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)和損傷預(yù)測(cè)存在一定的偏差。但隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)駕駛汽車將在不久的將來走進(jìn)人們的生活，不同的駕乘環(huán)境和多樣的乘坐姿態(tài)必將對(duì)乘員安全提出挑戰(zhàn)，因此本研究具有一定的理論意義和參考價(jià)值。

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（編輯 王旻玥）

作者簡(jiǎn)介：

武和全，男，1982年生，博士、副教授。研究方向?yàn)槠嚺鲎舶踩?，乘員碰撞損傷。E-mail：csust_vehicle@hotmail.com。

胡 林（通信作者），男，1978年生，博士、教授。研究方向?yàn)橹悄荞{駛、交通事故深入調(diào)查及預(yù)防。E-mail：hulin888@sohu.com。