40%正面偏置碰撞小身材驾驶员的安全性研究

葛如海，傅靖江，吕　玫，许长龙

(1.江苏大学汽车与交通工程学院， 江苏镇江212013；2.无锡职业技术学院， 江苏无锡214121)



40%正面偏置碰撞小身材驾驶员的安全性研究

葛如海1，傅靖江1，吕玫2，许长龙1

(1.江苏大学汽车与交通工程学院， 江苏镇江212013；2.无锡职业技术学院， 江苏无锡214121)

摘要:现有的汽车驾驶员约束系统都是基于50百分位的男性假人设计的，并不适用于小身材驾驶员。为了更好的保护小身材驾驶员，在研究了对50百分位男性假人在40%偏置碰撞中实现最大保护程度而设计的约束系统使用在小身材驾驶员之后的保护效果的基础上，分析偏置碰撞中车身绕Y轴、Z轴旋转的角度曲线，对角度波形进行优化分析。同时研究安全气囊的点火时间、排气孔直径大小对小身材驾驶员伤害的影响。结果表明，相比50百分位男性驾驶员，小身材驾驶员胸部和颈部受到的伤害更大，颈部向后时的剪切力增加了7倍，颈部弯矩也增加了0.5倍。车体绕Y轴旋转角度最小化可以有效的降低对小身材驾驶员头部和颈部造成的伤害。将气囊点火时间从35 ms提前至25 ms，可以降低颈部所受26%的向后的剪切力和30%的弯矩伤害，从而提升偏置碰撞中小身材驾驶员的安全性。

关键词:40%正面偏置碰撞；小身材驾驶员；角度波形；安全气囊；仿真分析

0前言

目前，车辆的正面碰撞试验主要分为完全正面碰撞试验(Full Width Frontal Impact Test)和偏置碰撞试验(Offset Deformable Barrier Frontal Impact Test)。根据交通事故的统计结果表明[1]，驾驶员在偏置碰撞事故中受到损伤最为严重。2012年，C-NCAP (China-New Car Assessment Program)将偏置碰撞试验的测试车速从56 km/h提升至64 km/h[2]，车速的提升使得大部分车型的伤害值高于完全正面碰撞。在偏置碰撞中，车身的结构和约束系统的设计决定了乘员的安全性。而如女性驾驶员的小身材驾驶员由于身材较小的原因，比一般的男性驾驶员在碰撞事故中受到的伤害更严重。因此，研究在偏置碰撞中如何提高小身材驾驶员的安全性具有较高的研究价值和实际意义。

随着全球汽车保有量的不断增加，女性驾驶员所占的比例也大幅度增加，女性驾驶员的安全问题受到的关注日益增多。美国国家高速管理委员会(NHTSA)的碰撞法规FMVSS 208包含了针对5百分位女性驾驶员的完全正面碰撞和40%偏置碰撞两大类型[3]。在欧洲，2015年版的《欧洲新车评价规程(E-NCAP)》增加了驾驶员侧采用5百分位女性假人的完全正面碰撞试验(Full Width Frontal Impact Test)[4]。目前，我国的《中国新车评价规程(C-NCAP)》只有针对后排的女性乘员的评价指标，暂时还没有针对小身材驾驶员的相应试验。

本文将选用5百分位女性假人作为小身材驾驶员，重点研究在40%偏置碰撞中针对50百分位男性驾驶员实现最优保护的约束系统，应用到5百分位女性假人的保护效果。同时从偏置旋转波形的旋转角度、旋转时刻、旋转趋势以及气囊点火时间、排气孔直径等方面研究偏置碰撞中小身材驾驶员的保护，以降低小身材驾驶员受到的伤害。

1模型建立

根据测得的驾驶舱总布置的几何参数，以多刚体动力学分析软件(Mathematical Dynamic Model，MADYMO)建立车体驾驶舱模型，其中包括：多刚体车体、假人驾驶员、三点式安全带、安全气囊等[5-6]。选用人体模型库中的第5百分位女性假人作为驾驶员。为了保证假人位置的真实性，通过在车辆试验中测出假人驾驶员与约束系统的相关数据，在仿真模型中直接输入物理假人定位参数的测量值[7-8]。安全带模型由接触于假人身体的有限元(Finite Element)安全带部分和不与假人身体接触的传统的多体(Multi-Body)安全带部分组成。

正面40%偏置碰撞和完全正面碰撞相比，加速度场更加复杂。通过实车碰撞试验测得加速度波形，包括作用于车体行驶方向的X向加速度[图1(a)]和车体所受的重力加速度(Z向)，还有偏置碰撞中车体的俯仰(绕Y轴)和旋转(绕Z轴)[9]。使用安置于驾驶员侧车门底部和左右B柱下方的传感器记录加速度波形，从而得到车体绕Y轴和绕Z轴的旋转角度曲线[图(1)b、图1(c)]。

(a)X轴方向加速度曲线

(b) 绕Y轴旋转角度曲线

(c) 绕Z轴旋转角度曲线

图1仿真模型曲线

Fig.1Curves of simulation model

2偏置碰撞中小身材驾驶员的伤害分析

该车型在C-NCAP 64 km/h偏置碰撞试验中测得的碰撞波形及车内总布置，设计的约束系统[图2(a)]确保50百分位乘员运动到最前位置时，气囊刚好被完全砸透，避免了驾驶员的头部、胸部与方向盘发生第二次碰撞，发挥了气囊的辅助保护作用，对乘员的保护达到最大化[10]。本文中驾驶员仿真模型[图2(b)]中座椅的位置，按照2015版E-NCAP对于正面碰撞试验中女性乘员前排座椅的定位要求，处于滑轨行程的最前程，高度处于上下行程的最高位置，使用的其余约束系统的配置与男性相同[11]。

(a) 50百分位男性乘员

(b) 5百分位女性乘员

图250百分位、5百分位乘员约束系统模型

Fig.2Restraint system model of 50 percentile male and 5 percentile female occupants

由于偏置碰撞中，驾驶员伤害主要集中在头部、颈部和胸部，所以选用以下指标作为参考[12-13]：HIC36和Head_3ms表示头部伤害指标；Chest_D表示胸部压缩量；T3ms表示胸部3 ms加速度；Neck_Fx+表示头颈部向后、胸部向前对颈部产生的剪切力；Neck_Fx-表示头颈部向前、胸部向后对颈部产生的剪切力；Neck_Fz+表示颈部受到的张力；Neck_Moy表示颈部弯矩。

表1　50百分位、5百分位乘员的伤害值

由于5百分位假人座椅的位置在最前端，所以5百分位女性假人比50百分位男性假人更靠近安全气囊。同时5百分位女性假人的身材小于50百分位的男性假人，所以在整个约束系统中，女性假人的头部、胸部位置比男性假人低，颈部受到的伤害会更大[13]。通过仿真，可以看出5百分位女性驾驶员[图3(b)]的头部伤害要小于50百分位男性[图3(a)]，主要的伤害增加于胸部的压缩量、颈部向后时的剪切力与颈部弯矩。其中，颈部向后时的剪切力增加了7倍，颈部弯矩也增加了0.5倍。可见在偏置碰撞中，小身材驾驶员所受的伤害有所增加，颈部的伤害增加尤为明显。现有的约束系统对小身材乘员的保护不够充分[14-16]。

(a) 50百分位男性乘员

图4　绕Y轴旋转曲线A0～A7Fig.4　Angular curve around Y axis A0～A7

3旋转角度曲线对小身材驾驶员的安全性影响分析

使用以上建立的小身材驾驶员约束系统模型，对不同的旋转曲线进行仿真分析。

选取绕Y轴旋转的8条曲线A0～A7(0～10°)进行分析研究，A0～A7为车体的最大旋转角度逐渐增大，但旋转起始时刻和趋势相同的一组曲线(图4,表2)，A0为基础模型曲线。

表2　车体绕Y轴旋转A0～A7的伤害值

图5　绕Y轴旋转曲线B0～B4Fig.5　Angular curve around Y axis B0～B4

由表2分析可知，随着车体绕Y轴旋转角度的增大，假人的头部伤害HIC36、头部的加速度、颈部所受张力与弯矩均有明显的增加，这是因为车体前倾的最大角度逐渐增大，假人头部竖直方向所受的最大加速度逐渐增大，导致头部的HIC36与合成加速度和颈部所受的弯矩明显增大。其中，旋转角度最大的A7位置对比A0位置，HIC36增加了0.5倍，Neck_Fz+与Neck_Moy均增加了1倍。但是由于5百分位女性假人的体积较小，相对位置较低，胸部对气囊的挤压变化不大，头部Z向加速度的增大对胸部的压缩量和加速度只是略微增大。A7位置对比A0位置，胸部压缩量增加约10%，胸部3ms加速度增加约15%。因此，通过车体的结构改变减小绕Y轴的旋转角度，有助于降低偏置碰撞中车体旋转对小身材驾驶员的头部和颈部的伤害，但车体旋转对胸部伤害的影响并不大。

选取绕Y轴旋转的5条曲线B0～B4进行仿真分析研究，B0～B4为旋转趋势由先缓后急向先急后缓逐渐变化但最大旋转角度相同的一组曲线(图5,表3)，B0与A0一样为基础模型曲线。

表3　车体绕Y轴旋转B0～B4的伤害值

图6　绕Z轴旋转曲线C0～C7Fig.6　Angular curve around Z axis C0～C7

由表3分析可知，保持车体最大旋转角度不变，旋转趋势由先缓后急向先急后缓的变化过程中，绕Y轴旋转趋势对头部的伤害影响不大；B1和B4曲线中，车体的旋转角度变化较快，导致颈部受到的弯矩伤害Neck_Moy明显增大。曲线B1和B4所受弯矩伤害对比初始曲线B0增加约30%，其余的伤害变化并不明显。

选取绕Z轴旋转的8条曲线C0～C7(0～10°)进行分析研究，C0～C7为车体最大旋转角度逐渐增大的曲线，但保持车体旋转起始时刻和旋转趋势不变(图6,表4)，C0为基础模型曲线。

由表4分析可知，当绕Z轴最大旋转角度在0～10°之间时，对小身材驾驶员的头部、胸部、颈部的伤害值影响均不明显。

1）管道互联互通程度不够。互联互通是实现资源无阻流通的前提。各投资主体建设的管道都采用输销一体化模式运营，之前考虑市场竞争而互相隔离，仅在少数几个点或管道实现互联互通，影响资源跨主体流通，在一定程度上制约了应急条件下统一调度和资源串换的实现。

选取绕Z轴旋转的7条曲线D0～D6进行研究，D0～D6(表5，图7)曲线的旋转过程由先缓后急向先急后缓逐渐变化，但车体的最大旋转角度不变。D0与C0一样为基础模型曲线。

表4　车体绕Z轴旋转C0～C7的伤害值

表5　车体绕Z轴旋转D0～D6的伤害值

图7　绕Z轴旋转曲线D0～D6Fig.7　Angular curve around Z axis D0～D6

分析表5的数据可知，当车体绕Z轴的旋转趋势由先缓后急向先急后缓逐渐变化过程中，假人头部和颈部所受到的伤害变化均不大。胸部压缩量则有一些减少，对胸部有一些保护作用，D6对应D1胸部压缩量减少了12%。

根据以上分析结果可知，随着车体绕Y轴旋转角度的逐渐增大，小身材驾驶员的头部和颈部所受的伤害值明显增大。而小身材驾驶员胸部所受的伤害则变化不明显；绕Y轴最大旋转角度相同时，在车体旋转由先缓后急向先急后缓的逐渐变化中，变化急剧的时候对颈部的伤害极大，对头部和胸部的伤害则变化不明显；当车体绕Z轴的最大旋转角度和旋转角度变化趋势逐渐变化过程中，对假人的头部、颈部和胸部伤害均不大。

4安全气囊对驾驶员安全性的影响

安全气囊系统是一种被动安全性的保护系统，它与座椅安全带配合使用，可以为乘员提供有效的防撞保护。

由于气囊点火时间的设定将会影响到假人和气囊的接触时间，假人各部位的伤害值也随之产生一定的变化。本文选取25～35 ms的5组气囊点火时间作为研究对象。

排气孔直径的大小将会影响气囊泄气的快慢，随着排气孔的变化，气囊与人体接触的时间将会不同，假人各部位的伤害值也随之产生一定的变化。本文选取15～35 mm的5组排气孔直径作为研究对象(见表6)。

表6　安全气囊参数类别与调节值

由表7分析可知，随着气囊点火时间的延迟，小身材的驾驶员在40%偏置碰撞中受到的伤害略微有所增加，提前点火时刻有助于降低对小身材驾驶员的伤害。头部伤害与胸部压缩量的变化并不明显，但颈部弯矩有明显的增大，35 ms时，颈部向后时的剪切力是25 ms的1.36倍，颈部弯矩是25 ms的1.43倍。其余伤害指标无明显变化。这是由于点火时间越晚，驾驶员的头部与气囊的接触时间越晚，弯曲的更为严重，所受的伤害也越大。

表7　安全气囊不同点火时间对应的伤害值

由表8分析可知，虽然随着气囊排气孔直径变大，安全气囊泄气越快，假人与安全气囊接触时，气囊会更软，对于50百分位男性假人一定程度内有利于胸部的保护，但对于小身材的驾驶员而言，由于体积较小和相对位置较低，影响并不大；颈部向后的剪切力Neck_Fx+有一定变小，15 mm时的所受的剪切力为35 mm时的1.47倍；但颈部弯矩Neck_Moy随着气孔增大而明显增大，15 mm时所受的弯矩为35 mm时的0.67倍，其余伤害指标无明显变化。

表8　安全气囊不同排气孔大小对应的伤害值

5结论

利用仿真模型分析车身绕Y轴、Z轴的角度曲线和气囊点火时间、排气孔直径的大小对女性驾驶员伤害值的影响，得出以下结论：

①在40%偏置碰撞中，5百分位的女性假人受到胸部和颈部伤害大于50百分位的男性假人，其中，颈部向后时的剪切力增加了7倍，颈部弯矩也增加了0.5倍。但头部伤害要更小，HIC36为0.56倍。

②车体绕Y轴旋转角度最小时将减小Z向加速度的峰值，有利于减少对小身材驾驶员的头部和颈部伤害。绕Y轴旋转角度的变化趋势更平稳时，可以减少颈部所受的扭矩伤害，对小身材驾驶员的伤害较小。

③车体绕Z轴最大旋转角度的大小变化对小身材驾驶员的伤害影响不大。车体绕Z轴的旋转趋势由先缓后急向先急后缓逐渐变化的时候，假人胸部压缩量变小，能起到一定的保护作用。

④安全气囊点火时间在25～35 ms之间调节时，由于小身材驾驶员头部与气囊接触较晚，接触气囊时，颈部已有很大的弯曲，所以提前气囊点火时间有利于保护驾驶员的头部和颈部。25 ms时，由于较早接触安全气囊，颈部向后时的剪切力较35 ms时降低了26%；颈部所受弯矩伤害较35 ms时降低了30%。

⑤安全气囊气孔大小15～35 mm之间调节时，安全气囊的气孔大小对小身材驾驶员的胸部影响不大，减小气孔大小有利于减少颈部所受的弯矩，但却会增加颈部所受的向后的剪切力。15 mm时颈部所受到的向后的剪切力是35 mm时的1.47倍，而颈部所受的弯矩为35 mm时的0.67倍。

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(责任编辑梁健)

Research on small body driver safety in car 40% offset collision

GE Ru-hai1, FU Jing-jiang1, LV Wen2, XU Chang-long1

(1.School of Automobile & Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China;2.Wuxi Institute of Technology, Wuxi 214121, China)

Abstract:At present, the car restraint system is designed mainly based on the 50 percentile male occupants, which is not suitable for small body drivers. The protection effectiveness of a restraint system designed for 50 percentile male occupants in 40% offset collision when applied to small body occupant is firstly studied. The angular curves around Y and Z axis based on restraint system model are researched and analyzed, which provide suggestion for improving safety restraint system design of car. Meanwhile, the effects of ignition time of airbag and diameter of airbag hole on small body driver injury are analyzed. The results show that the small body driver would be injured more seriously on chest and neck. Shear force of laid back neck increases 7 times and bending moment of neck increases 0.5 times. The minimum spinning angular around Y axis can effectively reduce the injury on small body driver’s head and neck. And advance ignition time of airbag from 35 ms to 25 ms can reduce 26% shear force injury of laid back neck and 30% bending moment of neck. The safety of small body drivers is improved.

Key words:40% offset collision; small body driver; angular curve; airbag; simulation

中图分类号:U461.91

文献标识码：A

文章编号：1001-7445(2016)02-0355-08

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0355

通讯作者：葛如海(1957―)，男，江苏如皋人，江苏大学教授，博士生导师；E-mail:grh@ujs.edu.cn。

基金项目：中国博士后科学基金项目(2013M541607)

收稿日期：2015-12-06；

修订日期：2016-01-10

引文格式：葛如海，傅靖江，吕玫，等.40%正面偏置碰撞小身材驾驶员的安全性研究[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(2)：355-362.