大角度坐姿下乘員非接觸損傷研究

【摘要】為研究正面碰撞工況大角度坐姿條件下乘員非接觸損傷，通過調(diào)整靠背角度、座墊角度等條件，以及采用氣囊起爆延時(shí)和環(huán)抱式氣囊，進(jìn)行了滑臺(tái)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：大角度坐姿下的乘員，腦部組織剪切失效、頸部彎曲彎矩?fù)p傷、心臟主動(dòng)脈拉斷、胸椎擠壓斷裂風(fēng)險(xiǎn)均有所提高，且通過氣囊適時(shí)起爆和采用環(huán)抱式氣囊均不能有效解決。進(jìn)而指出，對(duì)于前排大角度坐姿乘員，采用根據(jù)乘員坐姿適時(shí)起爆正面氣囊與膝部氣囊的組合方式進(jìn)行保護(hù)是一種研究方向。

關(guān)鍵詞：大角度坐姿 氣囊適時(shí)起爆 環(huán)抱式氣囊 膝部氣囊 非接觸損傷

中圖分類號(hào)：U467.1+4" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" "DOI： 10.20104/j.cnki.1674-6546.20240193

Study on Non-Contact Injury of Occupant in Wide-Angle Sitting Posture

Shang Enyi Li Weidong Xi Bobo Li Yueming

（1. Geely Automobile Research Institute （Ningbo） Co.， Ltd.， Ningbo 315336; 2. Zhejiang Key Laboratory of Intelligent Vehicle Comprehensive Defense System， Ningbo 315336）

【Abstract】In order to study the non-contact injury of occupant in front collision in wide-angle sitting， the sled tests is conducted by adjusting the backrest angle and seat cushion angle， and using the airbag inflation delay and the enveloping type airbag. The results show that the risk of brain tissue shear failure， neck bending moment injury， heart aorta rupture and thoracic vertebral compression rupture increases in the occupants in wide-angle sitting，which cannot be effectively solved by timely inflation of airbag and enveloping airbag. It is further pointed out that it is a research direction to adopt the combination of timely inflation of front airbag and knee airbag according to the occupant's sitting posture sitting in front seat for the occupant in wide-angle sitting.

Key words： Reclined sitting， Timely inflation of airbag， Enveloping airbag， Knee airbag， Non-contact injury

【引用格式】 商恩義， 李衛(wèi)冬， 習(xí)波波， 等. 大角度坐姿下乘員非接觸損傷研究[J]. 汽車工程師， 2025（3）： 12-19.

SHANG E Y， LI W D， XI B B， et al. Study on Non-Contact Injury of Occupant in Wide-Angle Sitting Posture[J]. Automotive Engineer， 2025（3）： 12-19.

1 前言

汽車碰撞事故中的人體損傷除了由直接接觸、碰撞、外部擠壓造成的外部損傷外，還包括由非接觸性的、慣性導(dǎo)致的內(nèi)部變形等，如頭部快速轉(zhuǎn)動(dòng)造成的腦部組織剪切失效、頸部損傷，心臟因慣性產(chǎn)生的移動(dòng)使心臟主動(dòng)脈拉斷等。對(duì)于直接接觸造成的頭部、頸部、胸部、膝部等部位損傷，損傷容限研究相對(duì)成熟，法規(guī)中已有針對(duì)性評(píng)價(jià)。對(duì)于頭部和胸部的非接觸性損傷，當(dāng)前還主要處于有限元仿真研究階段，歐盟新車評(píng)價(jià)規(guī)程正面碰撞工作組（Frontal Impact Working Group， FIWG）和腦損傷工作組（Brain Injury Working Group， BIWG）通過頭部有限元模型研究了頭部被動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)造成的損傷的衡量標(biāo)準(zhǔn)[1]。孫浩等[2]通過仿真研究獲得了撞擊力、顱內(nèi)加速度、顱內(nèi)典型碰撞位置的應(yīng)力和壓力變化規(guī)律。栗志杰等[3]研究了腦組織挫裂傷損傷機(jī)理。鄭佳佳[4]、唐亮等[5]研究發(fā)現(xiàn)正面碰撞中胸椎軸向沖擊速度與乘員胸椎損傷具有顯著的相關(guān)性。張振軍等[6]總結(jié)了有限元法在腰椎生物力學(xué)應(yīng)用中的研究進(jìn)展，并對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。陳吉清等[7]研究獲得了胸腹部鈍性撞擊試驗(yàn)中肝臟動(dòng)力學(xué)響應(yīng)和損傷風(fēng)險(xiǎn)較高位置的壓力分布特點(diǎn)，指出胸部響應(yīng)指標(biāo)與肝臟損傷程度（用應(yīng)力、應(yīng)變峰值表示）的相關(guān)性隨加載條件的差異而變化。蘭鳳崇等[8]指出人體胸部和腹部的損傷在汽車交通事故中占比很大，并通過建立人體胸-腹部生物力學(xué)有限元仿真模型反映損傷程度。

當(dāng)前，汽車座椅、約束系統(tǒng)等相關(guān)技術(shù)發(fā)展迅速，如零重力座椅的靠背角度可調(diào)節(jié)至45°以上，為乘員提供大角度坐姿，頂置氣囊、環(huán)抱式氣囊為乘員提供了多樣化的保護(hù)。新技術(shù)在解決乘員舒適性、局部安全性的同時(shí)，也改變了汽車事故中乘員的損傷方式和機(jī)理。如乘員在大角度坐姿下，由于頭部與汽車內(nèi)飾間距離增大，當(dāng)前約束系統(tǒng)無法提供有效保護(hù)。根據(jù)乘員坐姿適時(shí)起爆安全氣囊、采用環(huán)抱式氣囊等保護(hù)方案雖在不斷研究，但其可行性仍基于直接接觸損傷相關(guān)法規(guī)進(jìn)行評(píng)價(jià)，很少考慮碰撞中的非接觸損傷。因此，依托當(dāng)前中國新車評(píng)價(jià)規(guī)程（ China-New Car Assessment Program， C-NCAP），本文針對(duì)坐姿角度適時(shí)起爆安全氣囊和采用環(huán)抱式氣囊進(jìn)行滑臺(tái)試驗(yàn)，對(duì)大角度坐姿下乘員非接觸損傷進(jìn)行探索性研究。

2 滑臺(tái)試驗(yàn)方案

C-NCAP指定的正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗(yàn)和正面50%重疊移動(dòng)漸進(jìn)變形壁障（Mobile Progressive Deformable Barrier， MPDB）碰撞試驗(yàn)中，分別使用Hybrid III 50th 假人和THOR 50th 假人，評(píng)價(jià)方法成熟。THOR AV假人是THOR 50th 假人的升級(jí)版，雖未完全定型，但可參考THOR 50th 假人的評(píng)價(jià)在研究工作中使用。綜合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定及座椅調(diào)節(jié)能力，本文采用Hybrid III 50th 假人和THOR AV假人。

建立假人加速度和載荷坐標(biāo)系[9]：x向?yàn)榍昂蠓较?，y向?yàn)樽笥曳较?，z向?yàn)樯舷路较?。?duì)于加速度，x向前為正、y向右為正、z向下為正。對(duì)于假人頸部載荷：Fx為頭向后、胸向前為正；Fy為頭向左、胸向右為正；Fz為受拉為正；My為頭向前、胸向后為正，正向稱為彎曲彎矩，負(fù)向稱為伸張彎矩；Mz為下頜扭向左肩為正，稱為扭矩。對(duì)于胸椎T12-Fz和大腿軸向力Fzf，受拉為正，受壓為負(fù)。

當(dāng)前C-NCAP標(biāo)準(zhǔn)的正面碰撞速度為50 km/h，未來將提升至56 km/h。某車型已完成正面約束系統(tǒng)開發(fā)，以該車型50 km/h和56 km/h正面碰撞試驗(yàn)中B柱下x向加速度作為滑臺(tái)試驗(yàn)加速度，分別進(jìn)行A組、B組滑臺(tái)試驗(yàn)，加速度曲線如圖1所示。

以碰撞速度為50 km/h的約束系統(tǒng)開發(fā)試驗(yàn)A0作為基礎(chǔ)試驗(yàn)。A組采用THOR AV假人進(jìn)行4次試驗(yàn)?？紤]到該款車后排無氣囊，設(shè)計(jì)座椅滑臺(tái)試驗(yàn)A1、A2?？紤]前排乘員處于大角度坐姿，設(shè)計(jì)白車身滑臺(tái)試驗(yàn)A3、A4，前方氣囊依據(jù)座椅靠背角度延時(shí)起爆。B組試驗(yàn)?zāi)M后排乘員使用情況，采用Hybrid III 50th 假人基于座椅進(jìn)行2次試驗(yàn)。試驗(yàn)工況如表1所示。

3 大角度坐姿下乘員非接觸損傷分析

A組試驗(yàn)錄像截屏如圖2所示。A1試驗(yàn)中假人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)正常；A2試驗(yàn)中座椅安裝支架在第49 ms時(shí)開始發(fā)生潰縮，即在假人下潛過程中座墊角度逐漸減?。籄3和A4試驗(yàn)中未出現(xiàn)頭部觸底等現(xiàn)象。

B組試驗(yàn)采用環(huán)抱式氣囊，該氣囊由左、右兩片組成，分別固定在座椅靠背兩側(cè)。兩片氣囊上均有帶孔，限位帶穿過帶孔。氣囊展開后，左側(cè)氣囊覆蓋乘員左側(cè)，右側(cè)氣囊前端轉(zhuǎn)至胸前，與左側(cè)氣囊在限位帶的約束下共同對(duì)乘員形成包裹。B組試驗(yàn)錄像截屏如圖3所示。本文試驗(yàn)中，右側(cè)氣囊左端處于懸臂狀態(tài)，假人頭部與其接觸后發(fā)生扭轉(zhuǎn)，且大角度坐姿下頭部扭轉(zhuǎn)幅度相對(duì)較大。另外，氣囊對(duì)頭頂沒有約束作用。

3.1 大角度坐姿下乘員頭部非接觸損傷分析

在《C-NCAP管理規(guī)則（2024年版）》[10]正面碰撞試驗(yàn)中，通過頭部合成加速度計(jì)算頭部傷害指數(shù)（HIC15）對(duì)頭部傷害進(jìn)行評(píng)價(jià)，HIC15高性能限值為500，低性能限值為700。

3.1.1 無安全氣囊情況下乘員頭部損傷

A0～A2試驗(yàn)中，假人頭部HIC15分別為220（第70～85 ms）、318（第98～113 ms）和138（第121～136 ms）。與A0試驗(yàn)相比，A1試驗(yàn)中HIC15略有提高，A2試驗(yàn)由于座椅支架的變形緩沖作用，HIC15略有下降。

A1和A2試驗(yàn)中，假人頭部加速度如圖4所示，合成加速度均以az為主，即無安全氣囊保護(hù)下頭部的損傷主要來自前向揮鞭。

假人頭部傷害來源為內(nèi)力和外力，外力由頭部與安全氣囊或其他內(nèi)飾碰撞產(chǎn)生，內(nèi)力為頭部向前離心運(yùn)動(dòng)、頸部回拉時(shí)向頭部施加的載荷。當(dāng)頭部加速度與頭部質(zhì)量（4.54 kg）的乘積等于頸部上部載荷時(shí)，可以確認(rèn)該加速度為內(nèi)力作用產(chǎn)生[11-13]，其大小也反映了非接觸損傷的程度。A1和A2試驗(yàn)中，假人頭部a_z與頸部上F_z基于時(shí)域的對(duì)比如圖5所示，當(dāng)力的縱坐標(biāo)范圍是加速度縱坐標(biāo)范圍的4.5倍時(shí)，2次試驗(yàn)中假人頭部az與對(duì)應(yīng)頸部上Fz在主體部分基本吻合，在頭部向前揮鞭幅度較大的情況下，后頸部鋼索拉扯作用增強(qiáng)。這說明大角度坐姿下，HIC15增大是由頭部慣性作用下前向揮鞭增強(qiáng)造成的。

3.1.2 安全氣囊適時(shí)起爆情況下乘員頭部損傷

A3和A4試驗(yàn)中，HIC15分別為304（第98～113 ms）和388（第112～127 ms），與A0試驗(yàn)相比，分別增大了38%和76%。

正面碰撞頭部ay較小，可將其忽略。A0、A3和A4試驗(yàn)中假人頭部ax和az如圖6所示，在安全氣囊的作用下，頭部合成加速度均以ax為主，但大角度坐姿下，az幅值和脈寬與ax接近，且坐姿角度越大，az越大。

A3和A4試驗(yàn)中，假人頭部az與頸部上F_z如圖7所示，當(dāng)力與加速度的比值與頭部質(zhì)量相當(dāng)時(shí)，2次試驗(yàn)中假人頭部az與對(duì)應(yīng)頸部上F_z基本吻合，HIC15增大依然是內(nèi)力增強(qiáng)造成，適時(shí)起爆安全氣囊方案作用有限。

3.1.3 環(huán)抱式氣囊作用下乘員頭部損傷

B1和B2試驗(yàn)中，假人頭部HIC15分別為207（第75.5～95.5 ms）和471（第83.3～98.3 ms），B1試驗(yàn)與A0試驗(yàn)的傷害值接近，B2試驗(yàn)相對(duì)B1試驗(yàn)提高了128%。

2次試驗(yàn)中假人頭部加速度如圖8所示，頭部合成加速度均以az為主，ax幅值均約為300 m/s2，而az幅值則分別達(dá)到370 m/s2和590 m/s2。與A0試驗(yàn)假人頭部加速度對(duì)比，氣囊對(duì)頭部x向的約束作用及對(duì)z向的限制均減弱。B2試驗(yàn)中HIC15偏大的主要因素依然是az增大。

B1和B2試驗(yàn)中，假人頭部加速度az與頸部上Fz基于時(shí)域?qū)Ρ热鐖D9所示，當(dāng)力與加速度的比值與頭部質(zhì)量相當(dāng)時(shí)，2次試驗(yàn)中假人頭部az與對(duì)應(yīng)上頸部Fz全程接近，可確認(rèn)2次試驗(yàn)中的az主要由Fz作用產(chǎn)生，只是B2試驗(yàn)中Fz和az較大，造成HIC15相對(duì)B1試驗(yàn)有較大增幅。

3.1.4 大角度坐姿下頭部非接觸損傷

2組試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，大角度坐姿下，適時(shí)起爆安全氣囊，乘員頭部HIC15產(chǎn)生在第120 ms前后，相對(duì)正常坐姿有約40 ms的延時(shí)。采用包裹式氣囊，假人頭部HIC15產(chǎn)生的時(shí)間變化不大。兩種約束方式相比，適時(shí)起爆氣囊對(duì)乘員頭部x向約束較好，但因頭部與安全氣囊接觸前揮鞭作用時(shí)間相對(duì)較長，導(dǎo)致Fz增大。環(huán)抱式氣囊作用下，乘員頭部與氣囊接觸較早，但氣囊缺少支撐，對(duì)頭部x向的保護(hù)較弱，同時(shí)，又因其對(duì)頭頂缺少限制，其頸部Fz作用也較強(qiáng)。綜合分析表明，大角度坐姿下，乘員頭部前向揮鞭慣性作用增強(qiáng)，將導(dǎo)致腦部組織因拉扯、剪切造成嚴(yán)重?fù)p傷的風(fēng)險(xiǎn)增加，且當(dāng)前的2種保護(hù)方式均無法完全避免。

3.2 大角度坐姿下乘員頸部損傷分析

在正面碰撞試驗(yàn)中，乘員頸部通常為非接觸損傷，《C-NCAP管理規(guī)則（2024年版）》評(píng)價(jià)指標(biāo)如表2所示。另外，圖2中假人頭部在環(huán)抱式氣囊作用下發(fā)生扭轉(zhuǎn)，因此，本文針對(duì)頸部上Fz、伸張彎矩My和扭矩Mz研究乘員頸部傷害。

3.2.1 假人頸部上軸向損傷

A0～A4、B1、B2試驗(yàn)中，假人頸部上Fz如圖10所示。A0試驗(yàn)最大軸向力為0.65 kN，對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為第65 ms。A1、A2試驗(yàn)最大軸向力分別為2.66 kN和2.07 kN，對(duì)應(yīng)的時(shí)刻分別為第130 ms和第139 ms。A3、A4、B1和B2試驗(yàn)最大軸向力依次為1.45 kN、1.68 kN、2.0 kN和2.5 kN，對(duì)應(yīng)的時(shí)刻分別為第98 ms、第113 ms、第83 ms和第88 ms，即所有最大值均發(fā)生在頭部與氣囊接觸過程中。7次試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明，碰撞中大角度坐姿將加重乘員頸部軸向拉伸損傷，且正面氣囊和環(huán)抱式氣囊不能起到有效保護(hù)作用。

3.2.2 假人頸部上伸張彎矩?fù)p傷

通常，在正面碰撞初期，乘員頭部會(huì)在胸部帶動(dòng)下抬起，頸部表現(xiàn)為伸張。7次試驗(yàn)頸部彎矩My如圖11所示，A1～A4試驗(yàn)最大伸張彎矩均低于20 N·m，且A0試驗(yàn)中的伸張彎矩最大，為13.8 N·m。B1和B2試驗(yàn)中伸張彎矩也較小，B2試驗(yàn)中較大，但僅為20.8 N·m，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的高性能限值。該結(jié)果表明，大角度坐姿下，胸部前傾帶起頭部的強(qiáng)度減弱，但在環(huán)抱式氣囊作用下，由于包裹式氣囊及其定位帶對(duì)胸部產(chǎn)生的約束作用，彎曲彎矩將顯著增大，B2試驗(yàn)中在第99 ms時(shí)刻My達(dá)到115 N·m，其是否會(huì)造成非接觸損傷需要關(guān)注。

3.2.3 假人頸部上扭矩?fù)p傷

在環(huán)抱氣囊的作用下，假人頭部發(fā)生扭轉(zhuǎn)。B1、B2和A3試驗(yàn)中假人頸部扭矩Mz如圖12所示，正常坐姿的B1試驗(yàn)中，Mz幅值達(dá)到33 N·m；對(duì)于靠背角同為45°的A3和B2試驗(yàn)，A3試驗(yàn)中Mz幅值僅為3 N·m，但B2試驗(yàn)中Mz幅值則達(dá)到57 N·m。扭轉(zhuǎn)與伸張均為頸部易損傷方式，當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)Mz沒有限制，但如參照伸張彎矩My限值，45°坐姿下Mz已達(dá)極限值。

3.3 大角度坐姿下乘員胸部非接觸損傷分析

C-NCAP針對(duì)胸部的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括壓縮變形量和粘性指數(shù)，主要考慮對(duì)肋骨的擠壓損傷進(jìn)行評(píng)價(jià)。事實(shí)上，心臟主動(dòng)脈破裂在事故中屬于致命損傷，生還率極低。另外，當(dāng)乘員發(fā)生下潛時(shí)，上軀干對(duì)胸椎過度擠壓也會(huì)導(dǎo)致胸椎錯(cuò)位、碎裂。正面碰撞事故中，大角度坐姿下的乘員下潛趨勢顯著增加，當(dāng)骨盆受阻，胸椎受擠壓的強(qiáng)度及心臟沿z向慣性下墜的強(qiáng)度都將增加。

3.3.1 大角度坐姿下骨盆加速度

7次試驗(yàn)中假人骨盆加速度如圖13所示，綜合幅值和曲線所圍面積，正常坐姿A0和B1試驗(yàn)中骨盆axp大于azp，大角度坐姿的5次試驗(yàn)中azp大于axp。A0和B1試驗(yàn)中azp幅值分別為250 m/s2、420 m/s2，B1試驗(yàn)相對(duì)A0試驗(yàn)增大了68%。A1～A4試驗(yàn)中，azp幅值分別為496 m/s2、424 m/s2、476 m/s2、490 m/s2，平均值為471.5 m/s2，比A0試驗(yàn)中結(jié)果增大了88.6%；B2試驗(yàn)中azp幅值為640 m/s2，相對(duì)A0試驗(yàn)增大了156%。該結(jié)果表明，在56 km/h正面碰撞試驗(yàn)中，正常坐姿下，環(huán)抱式氣囊造成的心臟大動(dòng)脈拉傷風(fēng)險(xiǎn)將提升60%以上。大角度坐姿下，相對(duì)正常坐姿，心臟大動(dòng)脈拉傷風(fēng)險(xiǎn)將提升80%以上，且靠背角度越大，傷害風(fēng)險(xiǎn)越高，環(huán)抱式氣囊較正面氣囊高。

3.3.2 大角度坐姿下胸椎T12-Fz損傷

THOR假人在胸椎T12位置安裝有T12-Fz傳感器。某車型25°坐姿下MPDB滑臺(tái)試驗(yàn)與A1～A4試驗(yàn)中假人胸椎T12-Fz對(duì)比如圖14所示?；_(tái)試驗(yàn)中，T12-Fz表現(xiàn)為前期受壓、后期受拉，最大壓力為0.87 kN，最大拉力為1.55 kN。A1～A4試驗(yàn)中，胸椎T12-Fz均表現(xiàn)為受壓，最大壓力分別為6.83 kN、6.72 kN、2.36 kN和3.72 kN。該結(jié)果表明，假人下潛及翻起初期胸椎T12-Fz變化趨勢相似，角度越大，壓力越趨于增大。碰撞后期前方無約束試驗(yàn)中胸椎T12-Fz有明顯增強(qiáng)過程，有約束試驗(yàn)中胸椎T12-Fz趨于平臺(tái)化，即后排大角度乘員損傷風(fēng)險(xiǎn)會(huì)翻倍增加；胸椎T12位置的受壓程度也反映了胸腔內(nèi)部器官相對(duì)胸腔的相對(duì)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，因此，大角度坐姿下心臟大動(dòng)脈受拉扯損傷風(fēng)險(xiǎn)也將成倍增加。

4 結(jié)束語

本文通過滑臺(tái)試驗(yàn)研究，指出大角度坐姿下的乘員在碰撞過程中非接觸損傷風(fēng)險(xiǎn)增加：腦部組織因拉扯、剪切造成的損傷將更加嚴(yán)重；頸部彎曲彎矩?fù)p傷有加重風(fēng)險(xiǎn)；乘員長時(shí)間近似水平下潛造成心臟向腹腔運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度增加，提高了心臟主動(dòng)脈拉斷風(fēng)險(xiǎn)；胸椎受軀干擠壓斷裂風(fēng)險(xiǎn)成倍增長。對(duì)于大角度坐姿下乘員的非接觸損傷，通過適時(shí)起爆氣囊和環(huán)抱式氣囊均不能有效解決，采用正面氣囊適時(shí)起爆并配以膝部氣囊進(jìn)行保護(hù)是一種研究方向。

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（責(zé)任編輯 白 夜）

修改稿收到日期為2024年7月3日。