汽车正面碰撞乘员非正常坐姿下的损伤研究

颜伏伍

摘要：为研究汽车正面碰撞时副驾驶乘员非正常坐姿对其损伤的影响，根据实车碰撞试验数据，建立车辆约束系统的MADYMO多刚体仿真模型。利用整车有限元仿真模型开展车速为56km/h的100%正面刚性壁碰撞，将假人定位并调整其参数。将提取相关参数并导入MADYMO多刚体仿真模型，分析乘员碰撞前的2种大幅度姿态对其碰撞后损伤风险的影响，并对比头部损伤指数（HIC）、颈部弯矩、胸部加速度、胸部压缩量以及腿部的受力情况。结果表明，碰撞时副驾驶乘员的坐姿对身体各个区域的损伤风险有较大影响。

关键词：100%正面碰撞;乘员坐姿;损伤风险

0  引言

据交通事故统计，正碰在所有汽车事故中占比最高且乘员损伤比例也最高[1]。在汽车正面碰撞事故中，乘员约束系统对人体的保护起着关键性作用。约束系统设计都是依靠法规或行业标准进行设计[2][3]。Adam等[4]表明在某些交通事故中标准设计的约束系统会增加乘员的损伤风险。文献[5]对车辆正面碰撞人体损伤风险敏感性进行了研究，结果表明驾驶人坐姿是影响整体损伤风险最显著的因数。鞠海蒙等[6]研究了车辆正碰时假人上躯干倾角变化对人体头、胸部伤害的影响，结果表明安全气囊的保护效果随着上躯干倾角的改变而变化。综上所述，汽车正面碰撞下驾驶人坐姿对约束系统的保护效果有较大影响。

多数研究是汽车正面碰撞驾驶人小幅度的非正常坐姿對损伤风险的影响[4-7]。而相对于驾驶侧，副驾驶侧的空间更大。乘员为了获得更好的舒适性，坐姿通常随意非标准化，可能会翘起小腿或更大角度的后放座椅后背，非正常坐姿幅度更大。在汽车发生正面碰撞时，副驾驶乘员的损伤风险可能会更大。因此，本文通过使用多刚体动力学软件MADYMO建立副驾驶室正面碰撞模型，以假人头部伤害指数（HIC）、颈部弯曲力矩（My）、胸部加速度、胸部变形量、大腿压缩力（Fz）及小腿压缩力（Fz）等参数，利用仿真模型分析坐姿对副驾驶乘员伤害的影响，为汽车自适应约束的设计提供理论依据。

1  模型的建立

在MADYMO软件中固定好假人H点，调整假人处于正常坐姿。基于假人正常坐姿模型，通过对假人铰链及座椅靠背倾角的调节，实现2种非正常坐姿姿态。一种是假人翘腿坐姿（图1a），另一种是后仰坐姿（图1b）。

2  结果

由图2a可以看出，翘腿姿态头部合成加速度峰值以及响应时刻与正常坐姿基本一致。而后仰姿态假人头部合成加速度相应时刻延迟，最大数值为849.4m/s2（@95ms）;其次是翘腿坐姿假人头部合成加速度，数值为730.9m/s2（@89ms）;正常坐姿假人头部合成加速度最小，数值为726.1m/s2（@76ms）。翘腿姿态假人HIC36峰值为1041.4;正常坐姿假人HIC36峰值为927.7，翘腿坐姿假人HIC36峰值为670.5。

从图2b可以看出，翘腿和后仰两种坐姿下产生的颈部前屈弯矩和后仰弯矩都要比正常坐姿的大。后仰坐姿假人颈部最大前屈弯矩和后仰弯矩分别为90.1Nm（@72ms）和56.8Nm（@107ms）;翘腿坐姿假人颈部最大前屈弯矩和后仰弯矩分别为61.7Nm（@83ms）和88.0Nm（@103ms）;正常坐姿假人颈部最大前屈弯矩和后仰弯矩值分别为21.9 Nm（@64ms）和26.9Nm（@78ms）。

从图3b可以看出，翘腿坐姿下假人胸部最大压缩量为45.0mm（@75ms）;正常坐姿假人胸部最大压缩量为36.5mm（@63ms）;后仰坐姿假人胸部最大压缩量为18.2mm（@64ms）。而后仰坐姿假人胸部最大加速度数值为515.7m/s2（@70ms）;翘腿坐姿假人胸部最大加速度为439.2m/s2（@61ms），正常坐姿假人胸部最大加速度为423.5m/s2（@59ms）。

3  讨论与结果

从图2a分析可知，翘腿姿态假人在碰撞后去头部加速度出现二次峰值，这是由于假人头部在碰撞后期发生偏转，从气囊右侧滑下撞击到翘起的右腿导致的。后仰坐姿假人头部加速度响应时刻延迟，假人的“飞行”时间增加，肩带滑落不能起到很好地约束作用，安全带吸收的能量较少，气囊则吸收了较多的能量，从而导致了后仰坐姿假人头部加速度增加。

从图2b分析可知，在碰撞69ms以后，颈部后仰弯矩急剧增大;而前屈弯矩增加，这是由于碰撞后期翘腿坐姿假人头部没有得到良好的支撑。后仰坐姿假人颈部后仰弯矩在碰撞过程中急剧增大，这是由于在碰撞中期肩带滑落至假人颈部，导致假人颈部产生很大的后仰弯矩。

从图3中分析可知，翘腿坐姿假人胸部压缩量有所增加，这是由于翘腿坐姿假人在碰撞后期头部发生偏转从气囊右侧滑出，气囊没有很好地支撑假人胸部造成的。后仰坐姿假人在碰撞中，肩带滑落没有对假人起到很好地约束，则胸部变形量略小，胸部加速度加大。

综合可得，汽车发生正面碰撞时，非正常坐姿乘员损伤风险提高，主要是由于特定设计标准下的约束系统无法满足非标准坐姿下的约束能力。比如乘员大幅度后仰，离气囊的距离增加，若气囊按设定时间起爆，将无法满足原设计接触刚度。可以通过传感器或摄像头等设备设计一款乘员坐姿识别系统，且设计相关算法时刻改变约束系统相关参数（气囊刚度、气囊起爆时间、安全带预紧等），或对乘员坐姿进行分类并设计相对应的约束系统参数。在乘员不同坐姿碰撞下自适应的改变约束系统参数，对乘员实施最优的保护效果。

参考文献：

[1]公安部交通管理科学研究所.中华人民共和国道路交通事故统计年报（2015年度）[R].2016，6.

[2]Federal motor vehicle safety standard 208 [S].2015.

[3]GB11551—2014，汽车正面碰撞的乘员保护[S].

[4]Adam T ， Untaroiu C D . Identification of occupant posture using a Bayesian classification methodology to reduce the risk of injury in a collision[J]. Transportation Research Part C Emerging Technologies， 2011， 19（6）：1078-1094.

[5]Bose D ， Crandall J R ， Untaroiu C D ， et al. Influence of pre-collision occupant parameters on injury outcome in a frontal collision[J]. Accident Analysis and Prevention， 2010， 42（4）：1398-1407.

[6]鞠海蒙，沈辉，孙亚，等.汽车正面碰撞中人体坐姿对驾驶员伤害的分析[J].机械工程与自动化，2015（5）.

[7]唐灿，李平飞，黄海波，等.汽车正面碰撞中驾驶人坐姿对其损伤影响研究[J].中国安全科学学报，2017（3）.