正面碰撞时后排乘员的下潜损伤及其防护方案

王东林，胡子辰，赵 亮，靳鹏飞，唐 亮

（北京林业大学 工学院，北京100083，中国）

乘员下潜是汽车碰撞过程中一种常见的危害形式，下潜发生时，安全带滑离乘员髋骨直接侵入腹部，对乘员造成致命的伤害[1-2]。有学者提出了有效防止下潜的方案，如改变座椅结构[3-6]和安全带系统[6-8]等。事故发生后，后排乘员的受伤率和死亡率都明显高于前排[9-10]。目前广泛应用于汽车碰撞安全研究的混III假人的组织结构不完整，生物力学特性和真实人体响应具有很大差异[11]。因此，采用高生物逼真度人体模型对正面碰撞中后排乘员下潜问题的研究和防护具有重要意义。

本研究基于LS-DYNA有限元平台搭建汽车正面碰撞模型，分别对3种不同后排乘员模型（混III假人、FAST GHBMC和THUMS）进行下潜趋势分析，选择具有高生物逼真度的乘员模型对正面碰撞中后排乘员下潜防护进行研究，结合下潜机理，提出增大座椅坐垫角度、增大座椅坐垫长度、前移地板固定点、加装防下潜档杆、降低地板固定点、减小前排座椅距离等6种防下潜方案，并综合对比这几种方案下乘员下潜趋势和损伤情况，以确立最优防下潜方案。

1 有限元模型的验证

本研究使用的是基于一款中等尺寸的小轿车建立的前后排座椅有限元模型，其中包括前排座椅、后排座椅、安全带、卷收器、地板和其他内饰。为了验证该模型，使用50th 男性混III假人进行了56 km/h的正面碰撞台车试验。仿真中与试验中的设置保持一致。后排乘员模型采用LSTC 50th 男性假人有限元模型。

图1 为仿真中与试验中乘员假人运动姿态的对比。图2是仿真和实验中的ais为台车加速度、假人头部合成加速度ah、胸部合成加速度ach和骨盆合成加速度ap、上颈部轴向力Fn、胸部压缩量Lch的响应对比。图中，CORA为相关性分析的得分。

结果表明：仿真中与试验中的假人姿态基本保持一致。除了骨盆加速度峰值发生的时刻有些偏移，导致二者相关系数偏低（0.62），但这样的差异其实对约束系统参数影响较小，不会影响后续关于乘员下潜趋势的分析，其余相关性分析的得分（CORA）都高于86%。

2 不同乘员模型的下潜趋势

基于第1节建立的后排汽车座椅有限元模型，分别对正面碰撞中混III、FAST GHBMC和THUMS乘员模型的下潜趋势进行了分析。

图3 为标准后排乘员约束系统下的不同乘员模型的运动响应对比。根据唐亮[12]等人完善的BOP准则，计算各个模型中56 km/h碰撞速度下假人的安全带腹带沿着骨盆的安全带滑移距离ΔL和安全带腹带力FB随时间变化的曲线（见图4）。

2.1 混III 50th假人模型下潜分析

通过图3可以发现：在整个碰撞过程中，安全带腹带始终作用在假人骨盆上，未发生下潜。结合图4可以发现：碰撞发生初期，安全带基本没有发生滑移。随着碰撞加速度的增加，碰撞工况逐渐恶劣，在碰撞发生20 ms左右以后，安全带腹带开始沿着骨盆向上滑移，ΔL逐渐增大。碰撞发生30 ms左右时，假人上肢相对于座椅向前运动，安全带肩带作用力增大，卷收器中的冗余部分被拉出。在安全带肩带和腹带连接锁扣处，肩带力大于腹带力，安全带腹带滑向肩带方向，安全带腹带被拉紧。在安全带腹带拉紧过程中，安全带腹带沿着骨盆又向下滑移，ΔL逐渐减小。在碰撞发生后60 ms左右，安全带腹带力达到最大值，此时，肩带力与腹带力达到平衡，肩带不再滑向腹带部分，安全带腹带不再拉紧，腹带又开始沿着骨盆向上滑移，安全带滑移距离再次增大，直到碰撞末期。

在碰撞过程中，混III 50th假人左侧安全带滑移最大距离为9.85 mm，右侧安全带滑移最大滑移距离为1.2 mm，双侧安全带最大滑移距离均远小于大腿顶部到髂骨支撑的髋部皮肤的顶部的距离，并且安全带腹带力时间曲线并无波谷出现，进一步表明了碰撞过程中没有发生下潜。

2.2 FAST GHBMC人体模型下潜分析

如图3所示，在整个碰撞过程中，FAST GHBMC人体模型和混III假人的运动响应基本一致。FAST GHBMC人体模型与混III假人均保持较大的上肢的前向运动，整个过程中保持了前倾的上肢运动姿态。动画显示，安全带腹带始终作用在骨盆上，并无下潜发生。

图4 a中，ΔL峰值为0 mm。整个碰撞过程中安全带腹带被拉紧，并且向下滑移，滑移距离为负，未发生下潜。图4b中安全带腹带力在40 ms左右出现小波谷，但是整个碰撞过程中并未发生下潜。因此，安全带腹带力只能作为研究下潜的参考，无法根据安全带腹带力波谷的有无判断下潜趋势。

2.3 THUMS人体模型下潜分析

由图3可得，在碰撞发生初期，THUMS人体模型的运动情况与混III 50th男性假人基本相似。随着碰撞时间增大，THUMS人体模型下肢的前向位移明显大于混III假人，上肢的前向位移小于混III假人，并且THUMS人体模型上肢的前向弯曲明显大于假人模型。80 ms以后的仿真动画显示，安全带腹带开始侵入人体腹部，下潜开始发生，到碰撞末期，安全带腹带完全侵入人体腹部。如图4a所示，THUMS人体模型的ΔL时间历程曲线与混III假人模型差异明显。THUMS人体模型在碰撞发生20 ms以后，安全带腹带开始沿着骨盆向上滑移。不同于混III假人，THUMS人体模型直到60 ms左右才又开始向下滑移，此时，安全带腹带开始被拉紧。THUMS人体模型安全带腹带拉紧的程度明显小于混III假人，在80 ms左右安全带腹带力再次达到最大，安全带腹带再次沿着骨盆向上滑移，滑移程度明显大于混III假人。

左侧安全带最大滑移距离达到了62 mm左右，右侧安全带最大滑移距离最终达到55 mm。THUMS人体模型的安全带腹带最大滑移距离大于大腿顶部到髂骨支撑的髋部皮肤的顶部的距离。如图4b所示，在碰撞发生70 ms左右，安全带腹带力出现了波谷，安全带腹带作用在腹部上，下潜发生。

2.4 不同模型下潜差异原因分析

3种乘员有限元模型的下潜趋势不同。 THUMS人体模型发生了严重下潜，而混III假人和FAST GHBMC人体模型并未发生下潜。人体脊柱作为上肢的中柱[13]，是整个上肢的基石结构，下端骶骨处与大腿相连，将上肢和下肢联系起来，脊柱的结构和载荷传递功能直接影响了上肢的运动。

图5 是3种模型不同时刻乘员脊柱形状。随着碰撞工况的加剧，混III假人和FAST GHBMC人体模型的脊柱呈“弓”形，而THUMS人体模型乘员脊柱呈现“C”状变形。不同的脊柱变形，导致不同的下肢和上肢的相对运动，下潜趋势也就不同。THUMS人体模型脊柱整体呈现“C”状变形，脊柱载荷明显增加。作为脊柱的一部分，腰椎传递了来自人体下肢的载荷，是脊柱载荷的主要贡献者。

图5 中混III假人的弯曲变形小于THUMS人体模型，这很有可能是因为混III假人具有较刚硬的腰椎。对于FAST GHBMC人体模型，刚性的骨盆和骶骨在周围的骨盆肉和肌肉包裹之下，载荷敏感性不高[14]，载荷传递不够明显，骨盆相对旋转较小，导致传递到腰椎的载荷较小，整个脊柱载荷变小，弯曲变形不明显，没有下潜发生。

测量了不同模型的腰椎轴向力Fsax（见图6）。可见：混III假人的腰椎轴向力大于人体模型腰椎轴向力，THUMS人体模型的腰椎轴向力明显高于FAST GHBMC人体模型。

3 后排乘员下潜的防护措施

混Ⅲ假人刚硬的腰椎结构组织限制了整条脊柱的弯曲变形，在碰撞试验中掩盖了下潜发生的事实。本研究将高生物逼真度THUMS人体模型应用到后排乘员下潜的研究中，结合下潜机理相关参数，提出若干防下潜方案，并通过56 km/h正面碰撞的有限元模拟，验证防下潜方案的的有效性。

3.1 基于BTP的防下潜方案

安全带与骨盆之间的夹角(belt position on pelvis，BTP)为乘员下潜的主要影响参数，以车身为研究对象，分析乘员相对于车身运动，BTP值的变化受骨盆作用力的影响。当安全带作用在腹部时，BTP的值相对变大，保持较小的BTP的值是防止下潜发生的有效措施。本研究运用Horsch和Hering[15]研究中使用的下潜评价指标，即进行BTP的分析。

如图7所示，以安全带腹带固定点为坐标原点建立XOZ直角坐标系，其中A(X0,Z0)为H点的初始位置，A′(X,Z)为碰撞过程中安全带腹带作用点的位置。图中：FB为安全带腹带力；FCh为上躯干内力；FFe为股骨内力；FS为座椅反作用力；θB为安全带腹带与水平面的角度；θP为髂骨法线与水平面的夹角。

通过几何分析得知：

减小θP或者增大θB，可以降低BTP的值。θP的值主要与乘员骨盆的后向旋转有关，降低θP最终还是要以增大上肢的前向旋转来实现。本研究的防下潜措施的目的主要是增大θB的值。

对骨盆进行运动学分析有：

其中：AX、AZ分别为乘员骨盆在水平方向和竖直方向的位移；正切函数在 （-π/2，π/2）上是单调递增的。由式（2）可知：θB与Z0的单调性一致，θB与X0、AX、AZ的单调性相反，即θB随着Z0的增大而增大；θB随着X0、AX、AZ的减小而增大。

依据以上分析可以通过调整以下参数提出防下潜方案：

1） 增大Z0，在汽车碰撞安全法规允许的范围内降低安全带腹带的地板固定点，或者增加座椅坐垫的高度。

2） 减小X0，在汽车碰撞安全法规允许的范围内向前移动安全带腹带的地板固定点。

3） 减小AX，对于后排座椅可以适当减小后排座椅以前排座椅的距离，也可使用安全带限力器，或带单向锁止器的安全带。还可以通过增大座椅坐垫的角度来实现。

4） 减小AZ，在不影响乘员舒适性的前提下可以加装防下潜档杆结构，或者增大座椅坐垫的刚度。也可以通过增加座椅坐垫的长度来实现，增加座椅坐垫的长度实质还是增加了座椅坐垫的刚度。

基于上述分析，对某特定车型的后排座椅，考虑到防下潜措施的成本、试制周期、措施的可行性等，最终确定了6种具体防下潜方案，如表1所示。

表1 防下潜方案

3.2 最优防下潜方案的确定

3.2.1 下潜趋势对比

以第2节中以THUMS模型为乘员模型的正面碰撞模型为Baseline模型。Baseline模型和6种防下潜方案的安全带腹带相对骨盆的滑移距离ΔL时间历程曲线如图8所示。

由图8可以观察得到，各方案下，左侧安全带相对于骨盆的滑移距离明显小于Baseline模型。方案3中右侧ΔL大于初始下潜模型，其他方案中的ΔL的值均远远小于初始下潜模型。从安全带滑移距离时间历程曲线中，可以看到各个方案下的下潜趋势是明显减小的。

表2 总结了各个方案下的ΔL的峰值。

表2 ΔL峰值

方案3中的右侧ΔL大于大腿顶部到髂骨支撑的髋部皮肤的顶部的距离，因此该防下潜措施未能防止下潜。其他方案均没有发生下潜。各方案的下潜趋势（从大到小顺序）为：左侧：方案6、方案3、方案2、方案1、方案5、方案4；右侧：方案3、方案6、方案1、方案5、方案2、方案4。因此，综合来讲，方案4的防下潜性能最好，方案5次之。

3.2.2 乘员损伤情况对比

本研究还结合碰撞过程中乘员的损伤情况对各方案做出更全面的评价。本研究考虑的乘员损伤输出包括：头部合成加速度、胸部合成加速度、骨盆合成加速度、胸部压缩量DCh、大腿轴向力。表3总结了碰撞过程中乘员各损伤值的峰值情况。将各方案下的乘员伤害指标和FMVSS 208 法规的乘员伤害指标对比，如表4所示，所有方案伤害指标基本都在法规要求之内。其中：HIC15为头部15 ms损伤指标；a3mm为胸部3 ms加速度。

表3 各损伤指标峰值

表4 FMVSS 208 法规规定的伤害指标

本研究使用雷达图分析法对不同防下潜措施中乘员损伤综合影响进行系统分析， 见图9。方案3中的乘员发生了下潜现象，将不再纳入损伤综合分析对比。各个方案中，乘员大腿力、胸部压缩量差别不大，并且远远小于乘员伤害质指标，也将不作为综合损伤对比范围。

如图9所示，从雷达图中心同一点引出6个变量作为坐标轴，连接各个方案下的损伤值，形成了不规则的闭环六边形。综合损伤趋势与六边形的面积成负相关，对比每个六边形的面积，即可得出综合损伤的大小。图中六边形面积（从大到小顺序）：方案2、方案6、方案5、方案1、方案4；即综合损伤（从大到小顺序）：方案2、方案6、方案5、方案1、方案4。

依据上述分析，方案4的防下潜性能最好，同时能够将乘员其它部位的损伤保持在合适的范围。

4 结 论

论文通过正面碰撞的有限元模拟与台车碰撞试验对比了3种乘员模型的碰撞响应，结果表明THUMS人体模型具有更加接近真实人体的腰椎结构和更加合理的碰撞响应，更适合作为后文研究后排乘员下潜问题的工具。

本研究以某乘用车的后排座椅为研究对象，通过改变后排乘员约束系统相关参数提出6种防下潜方案。根据LS-DYNA有限元仿真结果，以安全带滑移距离的大小判断下潜趋势，并对后排座椅的不同的防下潜方案进行乘员损伤综合对比，在满足FMVSS 208 法规要求的条件下，防下潜档杆是最优防下潜方案，提高了后排乘员约束系统的安全性能，为后排乘员下潜的防护设计提供了参考价值。

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