侧碰过程中侧门总成对前排外侧乘员人体损伤程度研究

于 琰，苏洋洋，熊 乐

侧碰过程中侧门总成对前排外侧乘员人体损伤程度研究

于 琰1，苏洋洋*2，熊 乐3

（1.中汽研汽车检验中心（常州）有限公司，江苏 常州 213100；2.江苏理工学院 电气信息工程学院，江苏 常州 213001；3.中汽研汽车检验中心（宁波）有限公司，浙江 宁波 315104）

由于中国城市交通道路的布局多以平面交叉为主，在汽车保有量逐年增加的同时，车辆侧面碰撞事故概率逐年增大，且较于正面碰撞对乘员的损伤更为严重。为分析车辆侧面碰撞过程中前排外侧乘员身体各部位损伤情况，对前排外侧乘员与车门内饰板直接碰撞的肩部、胸部、腹部、髋部损伤影响进行了损伤等级分析和车门受力模型建立，搭建了模拟车门侧碰冲击试验台，随切入车门变形量和时间的变化过程得到不同部位冲击块的最大加速度和最大作用力。研究结果表明，肩部、胸部、腹部、髋部最大等效加速度分别为10.53、23.02、12.28、26.75；最大作用力分别为2 035 N、3 718.87 N、2 631.94 N、5 419.25 N；肩部损伤程度小于AIS4、其他部位损伤程度小于AIS3，该实验数据为前排外侧乘员的安全出行和车门结构的可靠设计提供了依据。

侧面碰撞；人体损伤；冲击试验；等效加速度；最大作用力

随着经济的发展，我国公路数量逐年增多，城市交通道路的布局逐渐以平面交叉为主，十字路口、分叉路口、丁字路口分布甚广，复杂路况致使车辆发生碰撞的概率变大，其中车辆侧面碰撞是我国交通事故发生概率最高的一种交通事故形态，此类事故所引起的死亡和受伤人数占的比例在所有交通事故中分居第二和第一[1-2]。侧面碰撞事故中，乘员受到的伤害发生在车门内饰板与乘员开始接触直到内饰板将乘员推开这一过程中，相较于车辆的正面，车辆侧围变形空间较小，几乎没有缓冲空间来保证车内乘员的生存空间，导致乘员的肩部、胸部、腹部、髋部受到相较正面碰撞更为严重的身体损伤[3]。

通过对车辆侧面碰撞过程中乘员人体损伤程度的分析，搭建模拟车门侧碰冲击试验台，采用刚性块模拟前排外侧乘员的肩部、胸部、腹部、髋部尺寸及质量参数，对车辆右侧前门总车包括车门钣金件及内饰进行侧碰冲击试验，通过对四个部位冲击块对车门侵入的等效试验加速度和冲击力进行分析，来反映乘员在侧碰过程中所受到的伤害，为乘员的安全驾驶和车门结构的可靠设计提供了依据。

1 人体碰撞部位损伤分析

车辆发生侧面碰撞时，车门几乎没有足够的吸能缓冲空间来保证车内乘员的生存空间，由于大部分车辆侧门无安全气囊，车门内饰板将直接对乘员的胸部、腹部、髋部和肩部造成损伤，易导致肩部和肋骨骨折、肾脏受损以及髋骨骨折等问题。

为了研究车辆侧面碰撞过程中，车门总成对乘员身体的伤害程度，分别对胸部、腹部、髋部和肩部四个部位损伤进行分析。乘员人体侧面碰撞损伤程度常用简略损伤等级（Abbreviated Injury Scale, AIS）来进行评估，共分为6级，其中1级为轻微伤、2级为中等伤、3级为较严重伤（无生命危险）、4级为严重伤（有生命危险）、5级和6级为特别严重伤（致死损伤）[4-5]。

1.1 胸部损伤

车辆侧碰过程中对胸部的损伤主要在肋骨和较低脊骨部分，胸部伤害指数()如式（1）所示。

()=1/2 (+) （1）

式中，为胸腔中上面或下面肋骨的最高加速度；为胸腔中较低脊骨(T12)的最高加速度。

通过参考Stalnaker和Tarriere的实验测试数据[6]，胸部侧碰的耐受限度如表1所示。

胸部侧碰损伤等级为3级和4级以上概率与肋骨变形量之间的关系如式（2）所示。

式中，x为胸部损伤概率；Rib_def 为肋骨变形量。

表1 胸部侧碰的耐受限度

耐受限度损伤等级 力/kN7.4AIS0 10.2AIS3 5.5AIS≥4的可能性为25% 加速度/gT8-Y轴45.2AIS≥4的可能性为25% T12-Y轴31.6 60 TTI(d)/gTTI (d)85四门车测试中 SID假人的最大值 TTI (d) 90二门车测试中 SID假人的最大值 TTI 145AIS≥4的可能性为25% TTI 151AIS≥4的可能性为25% 单侧胸压缩/%35AIS3 33AIS≥4的可能性为25% 胸部整体压缩/%38.4AIS≥4的可能性为25% 单侧胸VCmax /(m·s−1)0.85AIS≥4的可能性为25% 胸部整体VCmax /(m·s−1)1.0AIS≥3的可能性为50% 1.47AIS≥4的可能性为25%

1.2 腹部损伤

车辆侧碰过程中，与胸部相比腹部更容易受到伤害，内部器官在外物撞击过程中更容易产生变形而造成体内血管破裂和内部组织器官的损伤。

腹部各器官的损伤形式和损伤机理如图1所示。

图1 腹部各器官的损伤形式和损伤机理

腹部侧碰损伤等级为3级和4级以上概率与腹部受力之间的关系如式（3）所示。式中，f为腹部损伤概率；f为腹部受力。

1.3 髋部损伤

在车辆侧面碰撞过程中，易造成骶骨左侧与骼骨接缝处、骶骨、骼骨和股骨的骨折，以及骨关节脱臼与耻骨结合处脱离等损伤。髋部骨折机理的可以分解为压缩、垂直剪切或二者的组合，侧碰时髋关节受到侧面压缩极易发生骨折。

髋部侧碰损伤等级为3级以上概率与髋部受力之间的关系如式（4）所示。

k(AIS3+)=[1+e(7.5969-0.0011Fk)]-1（4）

式中，k为髋部损伤概率；k为髋部受力。

1.4 肩部损伤

在车辆侧碰过程中，乘员肩部损伤主要是肱骨损伤和肩关节损伤，通过近年来的实验数据[7]，肱骨的失效耐受限度如表2所示。

表2 肱骨的失效耐受限度

肱骨弯曲力矩/(N·m)剪切力/kN 男性女性男性女性 11573 15185 157841.96（忽略性别） 2301302.51.7 138 154 217128

2 模拟车门侧碰冲击试验

2.1 侧碰受力分析

为了研究车辆侧碰过程中车门对乘员人体损伤程度，依据牛顿第三定律对车门进行受力分析可知，车门受到的力主要包括施加在车门上的外力m、车身侧面结构阻碍车身变形的力s以及车门与乘员身体之间的相互作用力d。

车门受到的合力如式（5）所示。

式中，Σ为合力；d为车门质量；d为车门变形速度。

车门承受的合力主要来自侧面外部、车身侧围结构以及乘员人体的反作用力，侧面碰撞整个过程中车门的运动过程是车门随着车辆发生碰撞，然后车身侧面结构发生变形，车门与乘员身体接触，在这个过程中快速变形的车门直接作用于乘员身体，使乘员产生侧向的加速运动。

2.2 模拟车门侧碰冲击试验台

结合人体碰撞部位损伤分析和侧碰受力分析，为研究车辆侧面碰撞过程中车门对乘员人体的作用过程，通过搭建车门冲击侧碰试验台，模拟《汽车侧面碰撞的乘员保护》（GB 20071－2006）中侧面碰撞过程中车内前排外侧乘员运动状态，根据SID-Ⅱ假人的肩部、胸部、髋部、腹部尺寸及质量参数加工刚性冲击块来对车门钣金件及其内饰进行低速冲击的试验，准确测量并记录在侧面冲击过程中刚性冲击块受到的作用力及侵入量。

本次研究高度还原静止车辆在受到行驶速度为50 km/h车辆侧面撞击时，被撞车辆内部前排外侧乘员在车厢内与碰撞侧临近车门发生内部碰撞的运动方式。刚性冲击块安装在动力发射器发射杆的前端，试验前通过调整冲击块安装位置使发射杆推力作用于冲击块质心位置，避免冲击块运动过程中发生自转及翻转。四个部位模拟冲击器实物如图2所示；侧门总成模拟实车安装方式竖直固定在不低于车辆固定强度的刚性结构件上，车门冲击侧碰试验台实物如图3所示。

图3 模拟车门冲击侧碰试验台实物

2.3 试验步骤

1）参照《汽车侧面碰撞的乘员保护》（GB 20071－2006）附录F.6在前排外侧安放SID-Ⅱ假人，标记SID-Ⅱ假人在碰撞侧临近车门的垂直投影，划分肩部、胸部、髋部、腹部冲击试验区域。

在试验开始前不同位置的冲击器分别对应相应的冲击试验区域，并对第一接触点进行追踪。

2）根据国家标准要求碰撞速度在50 km/h[8]，通过前期实车侧碰试验追踪和行业要求[9]发生侧面碰撞时车内乘员各部位与车门冲击的速度，从而制定零部件车门碰撞时的冲击速度。

3）在试验台冲击块上加装两个单向加速度传感器用以采集冲击车门总成时人体的减速度，通过减速度计算冲击块受到的最大力值，其中冲击块分为四部分，胸部冲击块（16 kg）、腹部冲击块（22 kg）、髋部冲击块（20 kg）、肩部冲击块（20 kg）。

4）冲击过程采用冲击块自由飞行的方式垂直冲击车门总成。

2.4 试验结果分析

为降低试验过程误差影响，通过在各部分冲击块质心处安装2个单向加速度传感器以获得冲击块等效试验加速度，整个冲击试验过程均在100 ms内完成无二次撞击产生，分别获得不同部位冲击块试验速度工况下随冲击块切入车门变形量的等效试验加速度变化曲线和随试验时间的冲击块作用力变化曲线。

在肩部冲击块试验速度为7.37 km/h时，试验获得肩部冲击块等效试验加速度在试验100 ms过程中的变化曲线如图4所示；获得肩部冲击块等效试验加速度在其切入车门变形量的变化曲线如图5所示；获得肩部冲击块作用力在试验过程中的变化曲线如图6所示。通过试验可知，当试验进行到23.5 ms时，肩部冲击块切入车门变形量为28.47 mm，其等效试验加速度最大且为10.53，其作用力最大且为2 035 N，满足C-NCAP[10]侧面碰撞≤3 000 N的限值要求，损伤程度＜AIS4，未达到严重伤程度条件。

图4 肩部冲击块等效试验加速度变化曲线

图5 肩部冲击块切入车门变形量的等效试验加速度变化曲线

图6 肩部冲击块作用力变化曲线

在腹部冲击块试验速度为9.12 km/h时，试验获得腹部冲击块等效试验加速度在试验100 ms过程中的变化曲线如图7所示；获得腹部冲击块等效试验加速度在其切入车门变形量的变化曲线如图8所示；获得腹部冲击块作用力在试验过程中的变化曲线如图9所示。通过试验可知，当试验进行到9.9 ms时，腹部冲击块切入车门变形量为21.81 mm，其等效试验加速度最大且为12.28，其作用力最大且为2 631.94 N，满足GB 20071－2006中腹部峰值力＜2 500 N（相当于4 500 N外力）的限值要求，损伤程度＜AIS3，未达到较严重伤程度条件。

图7 腹部冲击块等效试验加速度变化曲线

图8 腹部冲击块切入车门变形量的等效试验加速度变化曲线

图9 腹部冲击块作用力变化曲线

在胸部冲击块试验速度为18.07 km/h时，试验获得腹部冲击块等效试验加速度在试验100 ms过程中的变化曲线如图10所示；获得胸部冲击块等效试验加速度在其切入车门变形量的变化曲线如图11所示；获得胸部冲击块作用力在其切入车门变形量的变化曲线如图12所示。通过试验可知，当试验进行到10 ms时，胸部冲击块切入车门变形量为45.79 mm，其等效试验加速度最大且为23.02，其作用力最大且为3 718.87 N，满足FMVSS 214[11]胸腔伤害指数()≤85的限值要求，损伤程度＜AIS3，未达到较严重伤程度条件。

图10 胸部冲击块等效试验加速度变化曲线

图11 胸部冲击块切入车门变形量的等效试验加速度变化曲线

图12 胸部冲击块切入车门变形量的作用力变化曲线

在髋部冲击块试验速度为21.06 km/h时，试验获得髋部冲击块等效试验加速度在试验100 ms过程中的变化曲线如图13所示；获得髋部冲击块等效试验加速度在其切入车门变形量的变化曲线如图14所示；获得髋部冲击块作用力在试验过程中的变化曲线如图15所示。通过试验可知，当试验进行到15.5 ms时，髋部冲击块切入车门变形量为80.42 mm，其等效试验加速度最大且为26.75，其作用力最大且为5 419.25 N，满足FMVSS 214髋部横向最大加速度≤130的限值要求，满足GB 20071－2006中髋部峰值力≤6 000 N的限值要求，损伤程度＜AIS3，未达到较严重伤程度条件。

图13 髋部冲击块等效试验加速度变化曲线

图14 髋部冲击块切入车门变形量的等效试验加速度变化曲线

图15 髋部冲击块作用力变化曲线

3 结论

基于损伤理论模型，分析了在车辆侧碰过程中乘员的碰撞部位损伤和侧碰受力，搭建了车门冲击侧碰试验台，模拟侧碰过程中车内乘员运动状态，随切入车门变形量和时间的变化过程得到不同部位冲击块的最大加速度和最大作用力，为乘员的安全驾驶和车门结构的可靠设计提供了依据。

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[9] 曲杰,覃威,郑温洛.车门内饰板总成耐撞性实验分析及优化[J].机械科学与技术,2015,34 (8):1273-1278.

[10] 中国汽车技术研究中心有限公司. C-NCAP管理规则[S].天津:中国汽车技术研究中心有限公司,2021.

[11] Office of Regulatory Analysis and Evaluation National Center for Statistics and Analysis.Fmvss no.214 Ame- nding Side Impact Dynamic Test Adding Oblique Pole Test[S].New York:Department of Transportation,2019.

Research on the Damage Degree of the Passenger's Body Caused by the Door in the Process of Lateral Collision

YU Yan1, SU Yangyang*2, XIONG Le3

( 1.CATARC Automotive Test Center (Changzhou) Company Limited, Changzhou 213100, China;2.School of Electricaland Information Engineering, Jiangsu University of Technology, Changzhou 213001, China;3.CATARC Automotive Test Center (Ningbo) Company Limited, Ningbo 315104, China )

Since the layout of urban traffic roads in China is dominated by plane intersections, the probability of vehicle side collision accidents increases year by year with the increase of vehicle ownership, and the damage to passengers is more serious than that of frontal collision. In order to analyze the injuries of various parts of the passenger's body in the process of vehicle side impact, the damage grade analysis and damage mechanics model of the shoulder, chest, abdomen and hip caused by the direct collision between the passenger and the door interior panel are carried out, and a simulation test bench for the side impact of the car door is built. The maximum acceleration and the maximum force of the impact block at different positions are obtained with the changing process of the deformation amount and time of the door. The results show that the maximum equivalent acceleration of shoulder, chest, abdomen and hip is 10.53, 23.02, 12.28and 26.75, the maximum force is 2 035 N, 3 718.87 N, 2 631.94 N and 5 419.25 N. The damage degree of shoulder is less than AIS4, the injury degree of other parts is less than AIS3.These experimental data provide the basis for the safe travel of front and outside occupants and the reliable design of the door structure.

Lateral collision; Body injury; Impact test; Equivalent acceleration; Maximum force

467.5+23

A

1671-7988(2023)18-82-07

于琰（1990－），女，助理工程师，研究方向为汽车被动安全测试，E-mail:yuyan@catarc.ac.cn。

苏洋洋（1991－），女，硕士，助理实验师，研究方向为生物医学与生物信息学，E-mail:suyangyang@jsut.edu.cn。

江苏省高等学校自然科学研究资助项目（20KJB580005）；常州市科技支撑计划（社会发展）资助项目（CE2020 9002）；常州市领军型创新人才引进培育资助项目（CQ20210093，CQ20220089）；江苏省高等学校自然科学研究资助项目（22KJB460021）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.018.017