3岁离位儿童损伤机理研究

张学荣　周进宝　黄硕　许长龙

（江苏大学，镇江 212013）

3岁离位儿童损伤机理研究

张学荣周进宝黄硕许长龙

（江苏大学，镇江 212013）

根据FMVSS 208法案的相关要求，在MADYMO软件中建立3岁儿童离位工况仿真模型，并对离位工况下气囊排气孔大小、织布渗透率、起爆角度等关键参数不同水平的损伤值进行计算，揭示了气囊在展开过程中内部物理场的变化过程。在此基础上对损伤机理进行研究，结果表明：头部加速度与气囊内部压力线性相关；胸部连续3 ms最大加速度与对应3 ms时间内气囊内部压力线性相关；颈部最大轴向拉伸力与头部和胸部在Z轴方向上的最大相对位移线性相关。

主题词：安全气囊离位儿童仿真损伤机理

1　前言

安全气囊在车辆发生碰撞时对于50百分位处于正常乘坐位置（in position）的成年男性具有较好的保护效果，但对于离位（out of position，OOP）儿童以及5百分位成年女性来说，由于其身材较小，乘坐位置靠近安全气囊，安全气囊的展开存在导致其损伤甚至死亡的风险。

乘员的离位状态是指不系安全带的情况下，乘员的乘坐位置比较靠前，或者在碰撞发生时由于惯性力向前运动，在气囊未完全展开的情况下与气囊发生接触的乘坐状态［1］。

本文用MADYMO软件建立副驾驶员位置儿童离位仿真模型［2～3］，选取安全气囊相关参数，分别计算每个参数的不同水平下离位儿童的损伤值，在此基础上研究其损伤机理。

2　离位儿童损伤机理研究

2.1头部损伤机理研究

乘员的静态离位试验中，假人在气囊的展开过程中与气囊接触，此时假人头部受到的力包括气囊的作用力、颈部的反作用力以及重力，其中气囊的作用力是产生头部加速度的主要原因［4］。在与头部接触的过程中，气囊内部的气体流速、温度和压力都会发生改变，从而导致气囊对假人的作用力发生改变［5］。本文主要研究气囊内部物理场变化与头部损伤之间的关系，因此需要进行相关性分析。

皮尔逊相关系数［6］（Pearson correlation coefficient，PCC）用于反映两个变量X和Y之间的线性相关程度，其计算公式为：

式中，ρX，Y为X、Y的总体相关系数；为协方差；E为数学期望；σX、σY分别为变量X、Y的总体方差；σX、σY分别为X、Y的总体平均数。

式（1）定义了总体相关系数，基于样本的相关系数为：

在离位工况下，假人的头部加速度会出现明显的峰值，但由于其持续时间太短，不会对儿童造成巨大的伤害。儿童的头部损伤判断指标HIC15根据头部加速度计算得出，用来反映气囊对头部造成的伤害［7］，因此对假人头部的损伤研究主要在HIC15的积分时间段内［8］。

经过计算，气囊内部温度与头部加速度的相关系数r=-0.03，说明两者之间没有线性关系，温度较高对乘员造成的伤害主要是烧伤、烫伤等，其变化与头部加速度之间的关系很小；气体流速与头部加速度的相关系数r=0.28，说明两者之间有一定的关系，但相关性很差，气体流速的改变对头部加速度的影响很小；气囊内部压力与头部加速度之间的相关系数r=0.93，可以认为两条曲线高度线性相关。将气囊内部压力按一定比例扩大，同时将头部加速度曲线进行4阶线性拟合（见图1），可以看出，经过线性拟合的头部加速度与气囊内部压力的重合度较高，尤其是在最大值附近，因此，在一定的误差范围内，可以认为头部加速度与气囊内部压力之间具有线性关系。

在研究头部加速度与气囊内部压力的比值关系时，比值系数的确定是一个重点。对于两条呈比例关系的曲线，可以选取一个可参考的变量进行研究。在HIC15的积分时间段内，当头部加速度达到最大值，且持续3 ms时才能对头部造成严重伤害［9］。因此，本文以连续3 ms最大加速度为研究对象，使其与对应3 ms气囊内部压力的比值K作为头部加速度与气囊内部压力的比值系数，即

以其中一种工况的仿真结果为研究对象，可知在HIC15的积分时间段内，3岁儿童头部加速度与气囊内部压力之间具有线性关系。但在离位儿童的损伤机理研究中，需要大量的数据研究，从而使研究结果具有科学性和稳定性。因此，本文继续研究不同工况下HIC15积分时间内气囊内部压力与头部加速度的相关性。

表1为全部工况下，气囊内部压力与头部加速度的相关系数，其结果大多在0.9以上，其中最小值为0.866，可以认定在HIC15的计算时间内气囊内部压力与头部加速度之间高度线性相关，因此可以继续研究其他不同工况下头部加速度与气囊内部压力的比值系数。表2为不同工况下的比值系数K，其中最大值为1.508，最小值为1.366，方差为0.036，说明该组数据的离散程度不高，具有较好的稳定性。将内部压力作为变量X，将头部加速度作为变量Y，将这些点标注在平面直角坐标系上，从而得到散点图，如图2所示。

表1　气囊内部压力与头部加速度的相关系数

表2　不同工况下的比值系数

由图2可以看出，数据点大致落在一条直线附近，其决定系数r2（相关系数的平方）为0.971 3，可以认定两者之间具有很强的线性关系。

2.2胸部损伤机理研究

在气囊触发点火前，假人的头部靠在仪表板上，胸部与气囊之间保持一定的距离，故气囊展开初期胸部不与气囊发生接触。但头部运动产生的动能经过颈部传递给胸部，造成胸部产生一定的加速度。FMVSS 208法规中规定的离位乘员胸部的损伤指标为胸部3 ms加速度以及胸部压缩量［10］。胸部加速度主要受气囊作用力的影响，因此主要研究胸部3 ms加速度与气囊内部压力之间的关系。

采用MADYMO软件计算并输出不同工况下的胸部连续3 ms最大加速度（T3）以及对应3 ms时间段内气囊内部压力（P3），结果如表3所示。

表3　胸部连续3 ms最大加速度与气囊内部压力

以胸部3 ms加速度为变量Y、气囊内部压力为变量X，将这些点标注在平面直角坐标系上，从而得到散点图，如图3所示。

由图3可以看出，数据点大致落在一条直线附近，其决定系数r2=0.982 6，可以认定胸部3 ms加速度与对应3 ms时间段内气囊内部压力之间满足线性关系。根据坐标系中的散点拟合出一条趋势线，设置截距为0，从而可以得到一元线性回归方程，因此，可以认定胸部3 ms加速度与对应3 ms时间段气囊内部压力满足

2.3颈部损伤机理研究

在气囊展开过程中，儿童颈部受到的载荷包括弯曲弯矩My+、伸张弯矩My-、拉伸轴向力Fz+、压缩轴向力Fz-、向前剪切力Fx+和向后剪切力Fx-［10］，如图4所示。

由图4可知，儿童的颈部较短且在头、胸部之间，故不会与气囊发生接触。当头部与胸部有较大的相对运动时，会使颈部过度后伸，超出人体运动的正常生理范围，造成颈部部分软组织的拉伤或扭伤［11］，这是造成颈部伤害的主要原因。

图5、图6分别为颈部轴向力和颈部绕Y轴的弯矩图，大致可以将上、下颈部的运动状态分为以下4个阶段：

a.0～7 ms：气囊初始起爆，头部在气囊的作用下向上运动，头部Z向加速度骤然增加，上、下颈部受到向上的力，从而颈部轴向力大于0，为拉伸力［12］。

b.7～33 ms：气囊的主要作用点是头部，头部加速度急剧增加，胸部加速度增加相对较小，从而造成头、胸部之间具有较大的相对运动。在头、胸部的作用下，整个颈部顺时针旋转。上颈部绕Y轴的弯矩为正值，处于向前弯曲的状态；下颈部绕Y轴的弯矩为负值，处于向后伸展状态。此时整个颈部呈反S型［13］，并且颈部轴向力为负值，即受到压缩力。

c.33～42 ms：胸部所受气囊的作用逐渐增大，因此头、胸部的相对运动减小。上、下颈部绕Y轴的弯矩逐渐趋于0，颈部的反S形状逐渐平缓，颈部轴向力变为拉伸力并且逐渐增大。

d.42～60 ms：在第42 ms时头部与气囊分离，此时气囊的作用点在胸部，因此胸部产生加速度峰值，但头部在惯性的作用下仍然向后运动。在这一阶段，上、下颈部绕Y轴的弯矩均为负值，说明上、下颈部都处于向后伸展状态，整个颈部呈C型［14］。颈部的轴向力为正，说明颈部处于拉伸状态。

FMVSS 208中关于颈部载荷的损伤指标为颈部轴向力，包括拉伸轴向力和压缩轴向力。在全部35种工况仿真计算中：拉伸力大于压缩力的工况有32种，所占比例为91.4%；拉伸力小于压缩力的工况只有3种，分别为工况R（气囊采用卷绕式折叠）、工况A1（气囊起爆角度为100°）和工况A2（气囊起爆角度为90°）。在拉伸力小于压缩力的3种工况下，气囊在展开过程中将假人的头部包裹在气袋织布内，并向头部施加向下的压力，从而导致颈部压缩轴向力过大。FMVSS 208中规定的颈部拉伸力损伤限值为1 130 N，颈部压缩力损伤限值为1 380 N，说明颈部对拉伸轴向力的承受能力要小于压缩轴向力［15］，因此本文主要对颈部拉伸轴向力进行研究分析。

用MADYMO软件计算并输出颈部最大轴向拉伸力与头部和胸部在Z轴方向的最大相对位移Δs，如表4所示。

表4　假人运动过程中颈部轴向拉伸力和头胸Z轴方向相对位移

以Δs为变量X、Fz+为变量Y，将这些点标注在平面直角坐标系上，从而得到散点图，如图7所示。

由图7可以看出，数据点大致落在一条直线附近，其决定系数r2=0.935 8，可以认定颈部最大轴向拉伸力与头、胸部最大相对位移之间满足线性关系。根据坐标图里面的散点拟合出一条趋势线，设置截距为0，从而可以得到一元线性回归方程，因此，可以认定颈部最大轴向拉伸力与头、胸部在Z轴方向上的最大相对位移之间满足：

式（6）是在大量不同工况的计算样本上得到的，能够在一定程度上说明颈部轴向拉伸力与头部和胸部相对位移的关系。

3　结束语

本文研究了气囊参数与离位假人损伤指标之间的关系，在气囊内部压力、气体流速、温度等参数中，压力与头部、胸部、颈部的损伤值的相关性较大。同时采用统计学方法对仿真结果进行研究分析，得出头部加速度和胸部加速度与气囊内部压力的关系以及颈部轴向力与头部和胸部相对位移的关系。但本文在乘员损伤研究中忽略了其他影响因素，包括气囊摩擦力、气袋惯性力等，从而也导致公式有一定的误差。

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13贾林夕.儿童约束系统侧面碰撞台车及其安全性研究：［学位论文］.镇江：江苏大学，2014.

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15褚新华.汽车安全气囊对人体颈部保护效果的研究：［学位论文］.长春：吉林大学，2007.

（责任编辑斛畔）

修改稿收到日期为2016年5月11日。

Research on the Injury Mechanism of Three-year-old Child in Out-of-position

Zhang Xuerong，Zhou Jinbao，Huang Shuo，Xu Changlong
（Jiangsu University，Zhenjiang 212013）

According to the requirements of FMVSS 208 Act，a simulation model with a three-year-old child in outof-position was built in MADYMO software to calculate injury value in different levels of airbag vent size，fabric permeability，deployment angle and other key airbag parameters.The research showed the internal airbag physical field change process during airbag deployment.Furthermore，the injury mechanism was investigated and the results showed that head acceleration had linear correlation with airbag internal pressure；the relationship between chest acceleration in consecutive 3ms and airbag internal pressure was a linear correlation；the maximum neck axial tension and the maximal relative displacement between head and chest along Z axis was also a linear correlation.

Airbag，Child in out-of-position，Simulation，Injury mechanism

U461.91

A

1000-3703（2016）10-0048-05