汽車正面碰撞中后排不同坐姿乘員損傷生物力學(xué)分析

武和全，周惠來，李羿輝，胡 林

（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，中國(guó)）

在車輛行駛過程中，駕駛員需要正坐且按規(guī)執(zhí)行與控制車輛有關(guān)的任務(wù)，而乘客則會(huì)經(jīng)常性地以非標(biāo)準(zhǔn)的姿勢(shì)乘坐。研究人員[1]對(duì)560 名志愿者的慣用坐姿及使用頻率統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：乘員保持上身直立、身體向左傾微彎曲、身體向右彎曲3 種坐姿使用頻率占比高達(dá)60%以上。D. Bose[2]等對(duì)乘員上身直立、左傾、右傾等8 種非標(biāo)準(zhǔn)坐姿進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在碰撞發(fā)生前不同的坐姿對(duì)乘員損傷風(fēng)險(xiǎn)有重要的影響。A. Leledakis[3]等為了突出乘員坐姿和損傷之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，對(duì)汽車前排乘客35 種不同坐姿在遭遇道路交叉口碰撞時(shí)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)反應(yīng)的影響進(jìn)行了研究。有研究[4]強(qiáng)調(diào)了汽車碰撞時(shí)乘員的姿勢(shì)對(duì)受傷風(fēng)險(xiǎn)的影響，并通過使用人體模型來研究乘員特征的影響，如身材、質(zhì)量、姿勢(shì)等對(duì)正面碰撞的傷害風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)現(xiàn)乘員的姿勢(shì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生的影響最大。對(duì)乘員進(jìn)行保護(hù)需要研究乘員主被動(dòng)安全技術(shù)，自動(dòng)緊急剎車系統(tǒng)(autonomous emergency braking，AEB)作為較前沿的碰撞安全技術(shù)，在乘用車上的配置率越來越高[5]，該技術(shù)可有效減少汽車事故的嚴(yán)重程度[6]，但M. Kang[7]等的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)乘員處于離位姿勢(shì)時(shí)啟動(dòng)AEB，有潛在風(fēng)險(xiǎn)使乘員感到不適或者受傷。E.S. Esfahani[8]關(guān)于前后排乘員損傷模式差異的研究表明，應(yīng)用約束系統(tǒng)使前排乘員的頭部損傷有所減少，但后排乘員的頭部損傷卻沒有減少。周惠來[9]等對(duì)不同體型的后排乘員正面碰撞保護(hù)進(jìn)行了研究，提出對(duì)不同體型的后排乘員應(yīng)采用不同形式的安全帶加載曲線。

研究表明約束系統(tǒng)的應(yīng)用減低了乘客在碰撞中所遭受的傷害，但這些技術(shù)大多僅應(yīng)用在前排座椅上，而后排座椅上應(yīng)用較少，并且沒有考慮后排乘員不同的姿態(tài)差異。為了追求乘坐的舒適性與寬敞性，乘客對(duì)汽車后排座椅的使用率將會(huì)得到大的提升，同時(shí)后排乘客在乘坐姿勢(shì)上有更多的可能性，導(dǎo)致可能在碰撞中經(jīng)歷更為嚴(yán)重的損傷。雖然學(xué)者們對(duì)乘員坐姿進(jìn)行了不少研究，但是這些研究大多數(shù)都是面向前排乘員進(jìn)行的，忽視了對(duì)后排不標(biāo)準(zhǔn)坐姿乘客的保護(hù)；而且在車輛的碰撞安全評(píng)價(jià)以及仿真測(cè)試中，后排乘員都是以法規(guī)要求的姿勢(shì)乘坐，乘員安全約束系統(tǒng)也是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)姿勢(shì)開發(fā)的。碰撞時(shí)刻后排乘員初始姿勢(shì)的些許差別或許會(huì)導(dǎo)致不同的損傷，所以有必要加強(qiáng)對(duì)處在不標(biāo)準(zhǔn)坐姿下的后排乘客的碰撞損傷生物力學(xué)進(jìn)行研究。

綜上所述，對(duì)后排不同坐姿乘員的保護(hù)研究具有現(xiàn)實(shí)意義。通過對(duì)汽車碰撞事故中后排乘客的損傷機(jī)理進(jìn)行研究，可以有針對(duì)性地提出預(yù)防措施改善車內(nèi)乘員安全，減少乘員碰撞損傷。本文將研究后排乘員在正面碰撞下不同坐姿的損傷差異，并對(duì)損傷嚴(yán)重的坐姿提出碰撞保護(hù)策略。

1 后排乘員正碰仿真設(shè)置

本文基于LS-Dyna 以及HyperMesh 有限元軟件，建立了簡(jiǎn)化的某中型車后排座椅系統(tǒng)模型，如圖1 所示。根據(jù)C-NCAP 管理規(guī)則(2021 版)[10]中100%正面碰撞測(cè)試中的規(guī)定，選取了LsTc 公司的Hybrid Ⅲ型5%女性仿真假人放置在模型的后排座椅上，并通過三點(diǎn)式安全帶進(jìn)行約束，給假人與后排座椅、前排座椅以及安全帶分別設(shè)置接觸。

圖1 后排乘員約束系統(tǒng)

對(duì)整個(gè)仿真模型施加重力場(chǎng)，最后給臺(tái)車模型的地板施加一個(gè)X方向的加速度進(jìn)行正面仿真實(shí)驗(yàn)，仿真碰撞加速度(acoll)曲線如圖2 所示。

圖2 碰撞加速度曲線

通過對(duì)比同時(shí)刻假人動(dòng)畫姿態(tài)(如圖3 所示)及頭部合成加速度(ahead)曲線(如圖4a 所示)、胸部壓縮量(Schest)曲線(如圖4b 所示)，以驗(yàn)證后排座椅模型的有效性[9]。

圖3 仿真和實(shí)驗(yàn)不同時(shí)刻假人的姿態(tài)對(duì)比

圖4 仿真和試驗(yàn)頭部、胸部曲線對(duì)比

為了研究后排乘員在非標(biāo)準(zhǔn)坐姿下的損傷生物力學(xué)，參照A. Leledakis[3]等對(duì)乘員非標(biāo)準(zhǔn)坐姿的研究,選取乘員上身直立、上半身軀干左傾15°、上半身軀干右傾15°為本文對(duì)乘員非標(biāo)準(zhǔn)坐姿研究的目標(biāo)姿勢(shì)，并且采用THUMS AM50 有限元人體模型作為基礎(chǔ)模型研究乘員不同坐姿的正碰損傷生物力學(xué)問題。

通過預(yù)仿真處理將THUMS AM50 模型進(jìn)行姿態(tài)的優(yōu)化，得到乘員正常坐姿(national seating position，NSP)、 左傾15°坐姿(out of position-left 15，OOP_L15)以及右傾15°坐姿(out of position-right 15，OOP_R15)這3 種非標(biāo)準(zhǔn)坐姿。將經(jīng)過預(yù)仿真進(jìn)行姿態(tài)優(yōu)化后的人體模型3 種姿態(tài)(OOP_R15、NSP、OOP_L15)與A. Leledakis[3]等研究的前排乘員非正常坐姿進(jìn)行比對(duì)，如圖5 所示，對(duì)標(biāo)了人體模型的姿態(tài)。

圖5 THUMS 模型預(yù)處理后的非標(biāo)準(zhǔn)坐姿圖

通過對(duì)THUMS AM50 模型進(jìn)行姿態(tài)優(yōu)化調(diào)整乘員的坐姿，在此基礎(chǔ)上，本文仿真將研究在發(fā)生50 km/h 的100%正面碰撞情況下，NSP、OOP_L15 以及OOP_R15 這3 種非標(biāo)準(zhǔn)坐姿的后排乘員碰撞損傷生物力學(xué)，并對(duì)損傷嚴(yán)重的坐姿進(jìn)行碰撞保護(hù)策略的研究。

將3 種坐姿的人體模型導(dǎo)入到驗(yàn)證過的后排座椅系統(tǒng)模型中，乘員乘坐位置為后排右側(cè)，將仿真模型提交LS-DYNA 進(jìn)行求解。模型經(jīng)過LS-DYNA 求解后用LS-PREPOST 進(jìn)行仿真后處理,得到乘員的碰撞動(dòng)畫以及乘員的損傷情況。仿真的動(dòng)畫如圖6 所示。

圖6 正面碰撞仿真動(dòng)畫

2 正碰仿真損傷

2.1 頭部損傷

關(guān)于頭部的損傷，輸出了頭部質(zhì)心(center gravity，CG)點(diǎn)頭部合成加速度(ahead,GC)曲線，如圖7 所示。

圖7 頭部質(zhì)心合成加速度

通過后處理輸出頭部CG 點(diǎn)的頭部損傷指標(biāo)(head injury criterion 15，HIC15)；輸出CG 點(diǎn)繞三軸坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)速度，經(jīng)公式計(jì)算得到了腦部旋轉(zhuǎn)損傷指標(biāo)值(brain injury criterion，BrIC)，具體損傷情況如表1 所示。通過查看頭部的應(yīng)力云圖得到乘員頭部最大Von Mises應(yīng)力(Fvon)情況如圖8 所示。

表1 正面碰撞仿真后排乘員頭部損傷

圖8 頭部應(yīng)力云圖

NSP 坐姿的乘員頭部HIC15損傷預(yù)測(cè)值為179.7，頭部加速度峰值(ahead,max)為73.2g，BrIC 值為0.92，3 項(xiàng)指標(biāo)均未超過閾值，頭部應(yīng)力最大處出現(xiàn)在枕骨處，最大應(yīng)力(Fhead,max)達(dá)到14.96 MPa。OOP_L15 坐姿的乘員，頭部HIC15損傷預(yù)測(cè)值為1 946.0，ahead,max為172g，BrIC值為1.03 (BrIC = 1 時(shí)，相當(dāng)于AIS 4 級(jí)腦損傷發(fā)生概率為45%)，3 項(xiàng)損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)均已經(jīng)超過了損傷閾值，頭部應(yīng)力較大處出現(xiàn)在顱骨以及枕骨位置，F(xiàn)head,max達(dá)到36.37 MPa。OOP_R15 坐姿的乘員，頭部HIC15損傷預(yù)測(cè)值為179.7，ahead,max為86.4 g，BrIC 值為0.89，乘員頭部ahead,max超處閾值8%，頭部應(yīng)力最大處出現(xiàn)在枕骨處，F(xiàn)head,max達(dá)到15.62 MPa。

2.2 正碰仿真頸部損傷

在正面碰撞過程中，乘員的頸部經(jīng)歷了一個(gè)大幅度向前彎曲然后再回彈的過程，同時(shí)伴隨著一定的旋轉(zhuǎn)。在這個(gè)過程中，頸椎以及頸部韌帶會(huì)承受很大的壓力。通過后處理，輸出了頸部前縱韌帶(anterior longitudinal ligament, ALL)、后縱韌帶(posterior longitudinal ligament,PLL)、關(guān)節(jié)囊韌帶(capsular ligament，CL)、黃韌帶(ligament flavum, LF)以及棘間韌帶(interspinous ligament, ISL)的最大應(yīng)力(Fneck,max)，如表2 所示。圖9 為3 種坐姿頸部應(yīng)力(Fneck)云圖。

表2 正面碰撞仿真后排乘員頸部損傷

圖9 3 種坐姿頸部應(yīng)力云圖

圖10 頸椎應(yīng)力云圖

在經(jīng)歷正面碰撞時(shí)，后排乘員的韌帶受到了嚴(yán)重的應(yīng)變損傷，當(dāng)乘員處在NSP 和OOP_R15 坐姿時(shí)，前縱韌帶的應(yīng)變保持在損傷閾值以內(nèi)，而當(dāng)乘員處在OOP_L15 坐姿時(shí)，前縱韌帶、后縱韌帶、關(guān)節(jié)囊韌帶以及黃韌帶均出現(xiàn)超過損傷閾值的應(yīng)變損傷。

通過查看應(yīng)力云圖得到頸椎的最大應(yīng)力，同時(shí)對(duì)比了不同時(shí)刻頸椎應(yīng)力云圖變化情況，如10 所示。NSP 坐姿的乘員，頸部后縱韌帶、關(guān)節(jié)囊韌帶以及棘間韌帶韌帶超出應(yīng)變閾值，頸部椎骨的最大應(yīng)力出現(xiàn)在C6—C7 椎間位置，最大值達(dá)到了39.46 MPa。OOP_L15 坐姿的乘員，頸部前縱韌帶、后縱韌帶、關(guān)節(jié)囊韌帶以及棘間韌帶超出應(yīng)變閾值，頸部椎骨的最大應(yīng)力出現(xiàn)在C1 位置，最大值達(dá)到了15.23 MPa，頸椎左半邊的應(yīng)力比較集中。OOP_R15 坐姿的乘員，頸部后縱韌帶、關(guān)節(jié)囊韌帶以及棘間韌帶超出應(yīng)變閾值。頸部椎骨的最大應(yīng)力出現(xiàn)在C5—C6 位置，最大值達(dá)到了51.79 MPa。

2.3 正碰仿真胸部損傷

乘員的胸部在正面碰撞中，由于安全帶勒緊的局部作用力很大，往往會(huì)受到較為嚴(yán)重的擠壓，導(dǎo)致包括肋骨以及心肝脾肺在內(nèi)的人體器官都會(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的變形。通過進(jìn)行后處理，輸出后排乘員的胸部損傷(包括：肋骨骨折情況，胸部最大壓縮量以及內(nèi)臟的應(yīng)變等)，具體損傷情況如表3 所示。

表3 正面碰撞仿真后排乘員胸部損傷

NSP 坐姿的乘員，胸部肋骨出現(xiàn)骨折的地方有5 處，分別為左側(cè)第1 肋骨、第7 肋骨、第8 肋骨、第10 肋骨、右側(cè)第1 肋骨，右側(cè)第1 肋骨出現(xiàn)2 處骨折，胸骨的上尖端軟骨以及胸骨與左右兩側(cè)第3、4、5 肋骨連接處應(yīng)變嚴(yán)重。OOP_L15 坐姿的乘員，胸部肋骨出現(xiàn)骨折的地方有3 處，分別為左側(cè)第8 肋骨、右側(cè)第3 肋骨、第7 肋骨，其中，右側(cè)第3 肋骨出現(xiàn)2 處骨折，胸骨的上尖端軟骨以及胸骨與右側(cè)第5、6、7 肋骨連接處應(yīng)變嚴(yán)重。OOP_R15 坐姿的乘員，胸部肋骨出現(xiàn)骨折的地方有4 處，分別為第1 肋骨、右側(cè)第1 肋骨、第3 肋骨、第7 肋骨，右側(cè)第1 肋骨骨折嚴(yán)重，胸骨的上尖端軟骨以及胸骨第3、4、5 肋骨連接處應(yīng)變嚴(yán)重。

為了更直觀的對(duì)比胸部最大壓縮量的情況，通過對(duì)胸部的最大壓縮量(Schest,max)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(如圖11 所示)發(fā)現(xiàn)：胸部最大壓縮處均出現(xiàn)在乘員左下胸腔的位置，3 種非標(biāo)準(zhǔn)坐姿乘員胸部壓縮量的最大值分別為52.4 、59.5、43.1 mm，NSP 坐姿乘員6 處測(cè)量點(diǎn)的壓縮量數(shù)值都比較大；OOP_L15 坐姿的乘員胸腔收到壓縮大的3處分別為右上、左下以及下側(cè)，均位于安全帶路徑上；OOP_R15 坐姿的乘員胸腔壓縮情況在同組中數(shù)值普遍偏低，說明受到的擠壓力要小于另外2 種坐姿。

圖11 乘員胸部最大壓縮量

通過后處理軟件，得到了乘員主要內(nèi)臟：心臟、肝臟、脾臟以及雙肺(由于腎臟所處位置以及器官大小的原因不會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)變，后處理中也未發(fā)現(xiàn)腎臟應(yīng)變超過閾值，所以本文中沒有列出腎臟的損傷數(shù)值)的應(yīng)變?cè)茍D，如圖12 所示。NSP 坐姿的乘員，心臟應(yīng)變?yōu)?.27，沒有超過損傷閾值；肝臟應(yīng)變達(dá)到0.58，脾臟應(yīng)變達(dá)到0.32; 雙肺的應(yīng)變也超出閾值，達(dá)到0.46; 肝臟、脾臟以及雙肺都受到了輕微的損傷。OOP_L15 坐姿的心臟應(yīng)變?yōu)?.37，肝臟應(yīng)變達(dá)到0.31，脾臟應(yīng)變達(dá)到0.33，雙肺的應(yīng)變也超出閾值，達(dá)到0.41，心臟、肝臟、脾臟以及雙肺的損傷均超出閾值。OOP_R15 坐姿的心臟應(yīng)變?yōu)?.71，肝臟應(yīng)變達(dá)到0.22，脾臟應(yīng)變達(dá)到0.18，雙肺的應(yīng)變也超出閾值，達(dá)到0.40，心臟以及雙肺的損傷均超出閾值，肝臟、脾臟的應(yīng)變?cè)趽p傷閾值允許的范圍內(nèi)。

圖12 內(nèi)臟塑性應(yīng)變?cè)茍D

此外，還輸出了乘員大腿股骨最大軸向力，NSP 坐姿的乘員腿部最大軸向力476.28 N，OOP_L15 坐姿的乘員腿部最大軸向力1.046 kN，OOP_R15 坐姿的乘員腿部最大軸向力1.46 kN。在3 種坐姿中，乘員的大腿軸向力未見有超出閾值的損傷，大腿股骨是人體中最長(zhǎng)、最重以及強(qiáng)度最大的一塊骨頭，它所能承受的軸向力也很大，在該工況下還不足以使得大腿出現(xiàn)損傷。

2.4 后排不同坐姿乘員正碰仿真損傷分析

NSP 坐姿的乘員，頭部合成加速度峰值過大，乘員的頸部韌帶損傷嚴(yán)重，胸部是該坐姿下乘客受傷最嚴(yán)重的區(qū)域，有5 處肋骨骨折，且肝臟和脾臟應(yīng)變超過閾值。

OOP_L15 坐姿的乘員，是該碰撞工況下?lián)p傷最為嚴(yán)重的，尤其是頭部損傷，乘員的HIC15損傷值以及頭部合成加速度峰值都超過了損傷閾值的2 倍多。同時(shí)頸部損傷比同組另外2 種坐姿更為嚴(yán)重，頸部的前縱韌帶出現(xiàn)了超出閾值的應(yīng)變損傷，這在另外2 種坐姿中沒有出現(xiàn)，同時(shí)該坐姿下的胸部最大壓縮量以及腿部最大軸向力也比另外2 種的要大。

OOP_R15 坐姿的乘員，頭部合成加速度峰值超出閾值8%，胸部有4 根肋骨出現(xiàn)骨折，但是胸部的整體壓縮量比另外2 種坐姿的數(shù)值要小。

研究發(fā)現(xiàn)，NSP 和OOP_R15 坐姿的乘員頭部HIC15均未超出損傷閾值，而OOP_L15 坐姿的乘員頭部HIC15卻達(dá)到了損傷閾值的1 倍多。通過仿真動(dòng)畫看出，由于三點(diǎn)式安全帶的肩帶是由右肩斜拉至左胯，發(fā)生正面碰撞時(shí)，在肩帶的約束下NSP 和OOP_R15 坐姿的乘員頭部與前排座椅頭枕接觸面積小，作用時(shí)間短，而肩帶對(duì)OOP_L15 坐姿的乘員的束縛效果不好，所以導(dǎo)致乘員的頭部在慣性的帶動(dòng)下砸向了前排座椅的靠背上，這也就解釋了為什么OOP_L15 坐姿的乘員頭部HIC15損傷超出閾值，頭部合成加速度峰值也到達(dá)損傷閾值的2 倍，在被動(dòng)安全的設(shè)計(jì)中，應(yīng)該盡量減少這種情況的發(fā)生。

仿真實(shí)驗(yàn)表明：乘員左右傾斜身體會(huì)導(dǎo)致頭部CG合成加速度超出閾值，乘員頸部韌帶連續(xù)發(fā)生拉伸、扭轉(zhuǎn)和屈曲，所以3 種姿勢(shì)下的后排乘員的后縱韌帶、關(guān)節(jié)囊韌帶以及棘間韌帶的應(yīng)變均超出了損傷閾值，其中OOP_L15 坐姿的乘員受到的傷害最為嚴(yán)重，尤其是頭部，受到了嚴(yán)重的碰撞，該坐姿下頭部的損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)HIC15、BrIC、頭部合成加速度均超出了損傷閾值，需要改進(jìn)對(duì)后排乘員碰撞保護(hù)策略。后排乘員3 種非標(biāo)準(zhǔn)坐姿正面碰撞仿真中，OOP_L15 坐姿的乘員受到的傷害最為嚴(yán)重，造成如此嚴(yán)重的損傷是由于被動(dòng)安全技術(shù)落后，約束裝置對(duì)乘員的保護(hù)效果不佳，安全帶沒有能夠較好地限制住乘員，使得大幅前傾過程中乘員頭部在大沖擊力度下大面積的與前排座椅靠背發(fā)生了碰撞。為此，需要研究采取新的約束方式以求能夠阻止此類碰撞或者減輕此類碰撞對(duì)乘客頭部所帶來的傷害。

3 后排OOP_L15 坐姿乘員被動(dòng)安全保護(hù)策略

3.1 3+2 點(diǎn)式安全帶

為了更好地保護(hù)乘員，繼續(xù)對(duì)OOP_L15 坐姿乘員的正面碰撞損傷進(jìn)行研究。汽車約束系統(tǒng)中，最為常見且最重要的乘員保護(hù)設(shè)備之一就是安全帶，據(jù)研究顯示[13-14]，當(dāng)正確使用安全帶進(jìn)行約束時(shí)，有67%的情況能有效防止乘員受到嚴(yán)重?fù)p傷，45%的情況下可有效防止受到致命損傷。3+2 點(diǎn)式安全帶是一種較為有效的安全帶布置方式，它在原有的三點(diǎn)式安全帶(如圖13a 所示)的基礎(chǔ)上，再添加一條肩帶來約束乘員(如圖13b 所示)，這樣乘員的左右兩側(cè)肩部以及腹部都會(huì)受到約束，能夠很好地約束乘員，大幅度減低乘員前傾的趨勢(shì)，但同樣也可能造成更多的胸部壓縮量以及肋骨骨折數(shù)量。

圖13 安全帶布置示意圖

使用3+2 點(diǎn)式安全帶后，OOP_L15 坐姿的乘員損傷情況如表4 所示。OOP_L15 坐姿的乘員頭部得到了很好的保護(hù)，包括HIC15、BrIC 以及頭部合成加速度峰值在內(nèi)的傷害值都得到大幅度減少，沒有發(fā)現(xiàn)超出閾值的損傷。其中，HIC15傷害值降低了88%，BrIC 傷害值降低至0.04，頭部加速度峰值降低了69%，頭部最大應(yīng)力也下降了46%。這些足以表明，使用3+2 點(diǎn)式安全帶能夠有效保護(hù)乘員頭部。

表4 OOP_L15 坐姿3+2 點(diǎn)式安全帶損傷情況表

乘員的頸部損傷也得到了一定的改善，前縱韌帶應(yīng)變減低了67%，關(guān)鍵囊韌帶應(yīng)變減低了22%。乘員頸椎的最大應(yīng)力變大了，造成這一現(xiàn)象的原因是3+2 點(diǎn)式安全帶對(duì)乘員胸部的約束能力要比單獨(dú)的三點(diǎn)式安全帶要強(qiáng)，而頭部的慣性沒有得到減低，C1—C7 段的頸椎依舊在大慣性下前傾，而T1—T12 段的腰椎前傾幅度減少，所以造成了乘員頸椎的最大應(yīng)力增大了，應(yīng)力達(dá)到了53 MPa。

關(guān)于乘員胸部器官的應(yīng)變，心臟增加了46%，脾臟增加了5%，肝臟降低了25%，肺部減低了22%。乘員胸腔上部的壓縮量變大了，這是由于兩條肩帶的作用力引起的。胸腔中下部的壓縮量有減少。骨折情況也同時(shí)改善了，骨折位置出現(xiàn)在左側(cè)第1 肋骨、右側(cè)第1 肋骨以及右側(cè)第7 肋骨處。乘員股骨的最大軸向力沒有出現(xiàn)明顯的差異。

3.2 后排正向安全氣囊

在目前的車輛被動(dòng)安全系統(tǒng)配備中，前排乘員在遭遇正面碰撞時(shí)有安全氣囊進(jìn)行保護(hù)，一些配置比較高級(jí)的汽車還通常配備有側(cè)氣簾、側(cè)氣囊等。氣囊能夠隔斷乘員和車內(nèi)結(jié)構(gòu)以及內(nèi)飾的碰撞，還能通過平均分布載荷的方式來降低頭部的速度，從而緩沖乘員的碰撞趨勢(shì)。

在此前的梅賽德斯奔馳開展的安全科技日活動(dòng)中[15]，奔馳展示了關(guān)于安全氣囊的創(chuàng)新，在奔馳S 級(jí)轎車上，首創(chuàng)使用了后排正向安全氣囊（見圖14），該氣囊采用特殊的管狀結(jié)構(gòu)能減少作用在乘員頭部和頸部甚至胸部的沖擊力。如圖14a 為奔馳后排正向安全氣囊，它安裝在前排座椅的上，碰撞時(shí)從下展開，氣囊在前排座椅頭枕背側(cè)中心位置爆開，對(duì)假人起到保護(hù)作用。

圖14 后排正向安全氣囊

仿真實(shí)驗(yàn)參照奔馳后排正向安全氣囊所用的布置方式，將折疊后的安全氣囊(如圖14b 所示)集成在前排座椅上。氣囊在汽車發(fā)生碰撞的同一時(shí)刻爆開，氣囊完全爆開后呈橢圓，起爆位置位于前排座椅頭枕的背側(cè)正中央。氣囊的氣體流量(qm)曲線如圖15 所示。

圖15 安全氣囊氣體輸入曲線

使用后排正向安全氣囊后，OOP_L15 坐姿的乘員損傷情況如表5 所示?？梢钥吹剑篛OP_L15 坐姿的乘員頭部得到了很好的保護(hù)，包括HIC15、BrIC 以及頭部合成加速度峰值在內(nèi)的傷害值都得到大幅度的減少，沒有發(fā)現(xiàn)超出閾值的損傷。其中，HIC15傷害值降低了89.73%，BrIC 傷害值降低到了0.83，頭部加速度峰值降低了72%，頭部最大應(yīng)力也下降了73%。這些足以表明，使用安全氣囊能夠有效保護(hù)乘員頭部，減輕其受到的傷害值，保護(hù)效果要優(yōu)于3+2 點(diǎn)式安全帶。

表5 OOP_L15 坐姿正面安全氣囊損傷情況表

使用后排正向安全氣囊后，乘員的頸部損傷也得到了一定的改善，前縱韌帶應(yīng)變減少了32%，關(guān)節(jié)囊韌帶應(yīng)變減低了2.2%，頸部的最大應(yīng)力值也下降了7.9%，最大應(yīng)力為了9.75 MPa。同時(shí)乘員胸部器官中，心臟、肝臟、脾臟的應(yīng)變也有明顯的改善：心臟應(yīng)變減低了7.0%，肝臟應(yīng)變減低了6.6%，脾臟應(yīng)變降低了5.5%，肺部應(yīng)變?cè)黾恿?.4%。乘員胸腔左上部的壓縮量有增大，但是其余部分壓縮量減少了。腿部最大軸向力未見有較大變化。

4 乘員保護(hù)策略效果討論

4.1 保護(hù)策略對(duì)OOP_L15 坐姿乘員損傷討論

對(duì)50 km/h 的100%正面碰撞下的OOP_L15 坐姿的后排乘員使用新的碰撞保護(hù)策略展開研究，得出如下結(jié)果。使用3+2 點(diǎn)式安全帶以及安全氣囊這2 種碰撞保護(hù)策略使得OOP_L15 坐姿的后排乘員的頭部損傷得到了很好的保護(hù)。乘員的HIC15損傷值均未超出閾值，只有閾值的32.41%以及28.54%，同比下降了88.34%以及89.73%。與此同時(shí)損傷值下降的還有乘員的頭部合成加速度指標(biāo)以及頭部旋轉(zhuǎn)損傷指標(biāo)BrIC 值，乘員的頭部合成加速度峰值分別只有損傷閾值的65.88%以及58.63%，同比下降了9.36%以及72.73%，乘員頭部旋轉(zhuǎn)指標(biāo)BrIC 分別減少了47.26%、46.86%以及73.19%。頭部的最大應(yīng)力(如圖16 所示)兩者之中，安全氣囊對(duì)OOP_L15 坐姿的后排乘員的頭部保護(hù)效果最好，有效阻止了頭部與前排座椅靠背發(fā)生碰撞，極大地緩沖了乘員前傾的趨勢(shì)。

圖16 頭部最大應(yīng)力云圖

圖17 頸椎最大應(yīng)力云圖

頸部韌帶的應(yīng)變沒有得到好的改善，總體應(yīng)變損傷仍舊超出損傷閾值。使用3+2 點(diǎn)式安全帶對(duì)乘員的前縱韌帶應(yīng)變有一定的保護(hù)效果，應(yīng)變損傷超出閾值26%，但是后縱韌帶、黃韌帶、棘間韌帶的應(yīng)變卻都增加了，尤其是棘間韌帶的應(yīng)變數(shù)值達(dá)到了原先的1 倍多。乘員頸部的頸椎最大應(yīng)力(如17 所示)分別增大了47.26%和46.86%。當(dāng)使用安全氣囊的碰撞保護(hù)策略時(shí)，前縱韌帶、后縱韌帶以及關(guān)節(jié)囊韌帶的應(yīng)變均出現(xiàn)了下降，頸部的頸椎最大應(yīng)力只有14.01 MPa，同比下降了8%。說明安全氣囊在正面碰撞中對(duì)緩解乘員的頸部損傷有一定的效果。

使用3+2 點(diǎn)式安全帶對(duì)胸部骨折沒有收到好的效果，3+2 點(diǎn)式安全帶對(duì)左右側(cè)第1 肋骨的局部作用力都非常大，實(shí)驗(yàn)中左右兩側(cè)的2 根第1 肋骨均出現(xiàn)了骨折，右側(cè)第7 肋骨與胸骨下端的連接處均出現(xiàn)了骨折。

4.2 保護(hù)策略對(duì)3 種坐姿乘員的損傷討論

根據(jù)對(duì)OOP_L15 坐姿乘員的乘員坐姿保護(hù)策略的分析，發(fā)現(xiàn)后排正向安全氣囊這種措施能保護(hù)效果更好。將該措施添加到本研究另外2 種坐姿的后排乘員進(jìn)行正碰仿真中發(fā)現(xiàn)：NSP 坐姿乘員的頭部損傷HIC15 值為172.6、質(zhì)心合成加速度峰值為44.9g，均出現(xiàn)了小幅的下降。胸部整體的壓縮量減少了，肋骨只出現(xiàn)2 處骨折。OOP_R15 坐姿乘員的頭部損傷HIC15為246.8，出現(xiàn)了大幅度下降，質(zhì)心合成加速度峰值為51.6g。乘員整體的胸部壓縮量也出現(xiàn)了小幅的下降，肋骨只有1 處骨折。不足的是，乘員的頸部韌帶損傷沒有出現(xiàn)好轉(zhuǎn)。由此可以看出后排正向安全氣囊這種保護(hù)策略能對(duì)后排乘員起到一定的效果，尤其是對(duì)于傾斜坐姿的后排乘員而言。

5 結(jié) 論

本研究對(duì)后排乘員3 種坐姿在50 km/h 的正面100%碰撞下的生物力學(xué)響應(yīng)做了仿真，發(fā)現(xiàn)后排左傾乘員損傷最為嚴(yán)重。為此對(duì)OOP_L15 坐姿的乘員進(jìn)行碰撞保護(hù)策略研究，使用3+2 點(diǎn)式安全帶以及安裝后排正向安全氣囊這2 種方式進(jìn)行了碰撞仿真。實(shí)驗(yàn)表明使用3+2 點(diǎn)式安全帶的布置策略，能緩解了乘員的碰撞損傷；使用后排正向安全氣囊，左傾坐姿乘員的HIC15傷害值下降了97%，頸部傷害值也均得到了一定的減少；對(duì)后排正向安全氣囊進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，該策略對(duì)左右傾斜坐姿的后排乘員頭部損傷以及肋骨骨折損傷有較好的保護(hù)效果，不足的是頸部的韌帶應(yīng)變損傷沒有得到好的保護(hù)。

要對(duì)后排乘員進(jìn)行有效保護(hù)需要研究新的約束系統(tǒng)，比如安全帶與正向安全氣囊結(jié)合，或者研究自適應(yīng)乘員約束系統(tǒng)，來提升對(duì)后排乘員的碰撞安全保護(hù)。