碰撞工况下零重力姿态女性假人损伤对比分析

张浩铭　王凯　刘东春　陈勇旭

摘 要：随着自动驾驶和智能座舱技术的不断更新和完善，车辆内部相关结构部件被赋予了新的概念，比如“零重力座椅”，用户可以通过调整座椅使自身处于平躺的姿态，使身体处于失重状态，可以有效减少肌肉以及腰椎的疲劳，但目前针对这种姿态的碰撞工况研究和测试较少。本文依托模拟碰撞系统，搭建两种试验工况复现正面碰撞，对比分析了在正常坐姿以及零重力坐姿两种不同工况下5th女性假人损伤差异。

关键词：正面碰撞 滑车试验 假人损伤 零重力

1 前言

目前头部新能源车企在进行车型开发阶段，为满足消费者对车辆舒适性和智能化的要求，通过提高座椅的配置来改善座椅舒适性，比如“零重力座椅”（Zero-Gravity-Seats），所谓的零重力座椅就是将零重力原理和汽车座椅人体工业设计技术结合在一起，用户可以通过调节座椅使自身处于平躺的姿态，使座椅对自身的压力小于的重力，而表现出失重时的舒适感，在一定程度可有效减少肌肉和脊椎疲劳，使乘员保持充沛的状态，如图1所示。但从车辆安全方面考虑，这种新概念“零重力座椅”的安全性能是否符合要求，当车辆发生碰撞时，相关的约束系统能否有效的保护乘员，因此分析该姿态下的乘员伤害很有必要。本文以二排5th女性假人为研究对象，分析发生正面碰撞时，正常坐姿和零重力坐姿两种工况下假人损伤差异。

2 试验方法简述

本文研究的试验工况主要依托伺服液压加速模拟碰撞系统进行，在该系统的滑车上搭建试验工况，既能高精度再现整车碰撞过程，又可以降低采用整车碰撞方式所投入的成本。图2为模拟碰撞系统复现波形与目标波形的对比，实现高精度复现，图3为本文两次试验工况碰撞波形的对比，可以看出趋势基本一致，保证了假人伤害数据的可对比性。

3 2种姿态下假人损伤对比分析

假人伤害评价参考C-NCAP中正面 100%重叠刚性壁障碰撞相关程序，主要从5th假人的头部合成3ms加速度、颈部弯矩My、胸部压缩量、骨盆合成加速度等参数来表征假人各个部位的伤害情况，C-NCAP评价规程中会对假人各个部位的伤害设定高低性能值，分别对应该部位的满分或0分。

3.1 肩带力对比

由图1可以看出两种工况下肩部力趋势基本一致，安全带的力学性能基本一致，由于姿态的不同，零重力姿态工况比正常姿态下峰值延迟17ms左右，在81.4ms时达到峰值4.5kN，正常姿态在64ms达到峰值4.49kN。

3.2 假人头部损伤对比

由图４可以看出，相比正常姿态工况，零重力工况的峰值加速度提前5ms左右达到，正常姿态工况下头部伤害指标HIC15为214，3ms合成加速度值为47.55g，根据C-NCAP评价规程的评价方法进行线性插值法，对应得分为1.6分；零重力工况下头部伤害指标HIC15为289，3ms合成加速度值为58.84g，对应得分为1.6分。

两种工况下，虽然头部伤害都在低性能范围内，但是零重力姿态下，3ms合成加速度和HIC15偏高。

3.3 假人颈部损伤对比

假人颈部伤害主要考核颈部力以及颈部弯矩，由于假人颈部力矩传感器安装位置到头颈交界面的距离为0.01778m，因此颈部弯矩力与颈部Fx存在以下关系：实际颈部My=My-0.01778m*Fx，因此通过对比颈部弯矩力来表征颈部伤害。由图５看出颈部My在碰撞瞬间的力矩是先由负值而后增加至正值的，这是由于在发生碰撞瞬间，假人由于惯性相对于车身是向前运动的，而后安全带约束系统进行预紧，这时假人头部相对于胸部还是保持向前的运动的趋势，而后安全带预紧力逐渐增大，颈部力矩由负值逐渐变大，直到安全带预紧结束后，假人颈部逐渐增加为正值，而后进入反弹阶段；可以看出正常姿态工况，假人颈部My力矩11.7N·M，零重力工况下，假人颈部My力矩6.3N·M，根据C-NCAP假人伤害评价方法，颈部My高性能值为36N·M，低性能值为49N·M，两种工况下的颈部伤害都在高性能范围内。

同时可以明显看到正常姿态的颈部弯矩比零重力姿态高出50%左右，通过观察试验过程的高速摄像，可以看出在正常坐姿工况下，假人颈部相对于胸部的旋转角度是大于零重力工况的，这是假人坐姿差异所导致，零重力工况下由于假人是接近平躺的姿态，碰撞瞬间整体在向前向上运动会受到自身重力向下的影響，减少了颈部相对于胸部的旋转运动。

3.4 假人胸部损伤对比

两种工况下，假人胸部位移曲线趋势基本一致，正常姿态下在68.2ms时达到峰值20.78mm，胸部粘性指标VC值为0.099m/s；零重力姿态下在97.7ms达到峰值15.83mm，胸部粘性指标VC值为0.141m/s；胸部损伤比较接近，正常姿态的胸部损害略高，根据C-NCAP假人伤害评价方法，颈部My高性能值为0.5m/s，低性能值为1m/s，均能达到满分。

3.5 假人骨盆损伤对比

两种工况下，假人骨盆合成加速度趋势基本一致，正常坐姿工况下，在61.2ms时达到峰值44.77g，左髂骨力Fx峰值为2.40kN，右髂骨力Fx峰值为2.38kN，髂骨力减少速率为190.10N/ms；零重力坐姿工况下，在57.8ms时达到峰值49.53g，左髂骨力Fx峰值为1.75kN，右髂骨力Fx峰值为1.68kN，髂骨力减少速率为136.70N/ms。

由图７可以看出，正常坐姿下骨盆合成加速度以及髂骨力总体比零重力坐姿偏大，这是由于正常坐姿的5th女性假人在碰撞瞬间基本被安全带的预紧力有效的束缚在座椅上，因此总体受力会偏大，而零重力姿态的5th女性假人在碰撞瞬间由于惯性以坐垫作为缓冲向前滑移，安全带也没有按照正确约束路径进行预紧；根据C-CANP假人伤害评价方法，两种工况下髂骨力变化速率均不大于700N/ms，没有发生下潜的现象。

3.6 假人大腿力损伤对比

大腿力参数也是表征假人伤害重要参数之一，由图８可以看出正常坐姿下5th女性假人的左大腿力峰值为2.02kN，右大腿力峰值为1.25kN；零重力坐姿下5th女性假人的左大腿力峰值为2.58kN，右大腿力峰值为2.54kN；总体上两种工况下的伤害比较接近，但零重力姿态下的伤害偏高。

4 结论

本文依托模拟碰撞系统，搭建了两种试验工况，分析对比5th二排女性正常坐姿和零重力坐姿两种不同姿态下在碰撞过程中的损伤差异，主要结论如下：根据C-CANP（2021版）假人伤害评价方法，两种工况的假人部位伤害都在高性能范围内，但是由于姿态的不同，不同部位的伤害存在一定差异，相对比正常姿态，零重力姿态的头部HIC15和大腿力Fz偏高，颈部My、胸部以及骨盆损伤表现稍好。但通过观察实验过程中的高速摄像，可以看到零重力姿态下假人会在碰撞瞬间由于自身惯性出现下滑，导致安全带偏离设计的指定约束路径。因此，从安全以及长远的角度来看，要保证零重力座椅在应用时能对乘员提供全面的保护，车辆配备的相关被动安全系统也许进行一定的升级迭代，并进行不断反复验证优化，保证车辆的主被动安全性能。

参考文献：

[1]黎海兵，胡宁，张成伟 . 安全带和安全气囊对乘员胸部的影响。[J] 上海工程技术大学学报，2014，28（1）：25-29.

[2]武永强，张爱法，娄磊 .车辆斜角碰撞中不同百分位假人伤害对比研究.[J]2021 年（第 43 卷）第 8 期：起止页码4-7.

[3]中国汽车技术研究中心.CNCAP乘员保护2021版测评方案.[R]2019-09：29-32.