洪 亮，葛如海

(江蘇大學汽車與交通工程學院，鎮(zhèn)江 212013)

?

2015116

正面碰撞后期駕駛員復位后頸部運動與傷害的研究*

洪 亮，葛如海

(江蘇大學汽車與交通工程學院，鎮(zhèn)江 212013)

針對目前國內(nèi)外對正面碰撞后期，駕駛員在安全氣囊反彈力與安全帶約束力作用下，向后復位運動，其腰部與座椅靠背接觸后的頸部傷害研究很少的現(xiàn)狀，進行了駕駛員上、下頸部運動狀態(tài)研究，并分析座椅特征參數(shù)對頸部傷害的影響。為此以某型轎車乘員室相關尺寸和性能參數(shù)為依據(jù)，采用碰撞仿真軟件MADYMO建立了駕駛員約束系統(tǒng)仿真模型，并進行仿真與試驗驗證。結(jié)果表明：減小座椅頭枕剛度，可降低上頸部伸張彎矩峰值；減小靠背上部剛度與靠背傾角調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)動剛度，可顯著降低上、下頸部伸張彎矩峰值和頸部傷害指標Nkm與Nij；增加頭枕前傾角，可大幅降低下頸部伸張彎矩峰值，但過大的頭枕前傾角會增大頸部傷害指標。

正面碰撞；駕駛員；回程復位；頸部傷害；低速后碰撞

前言

隨著汽車安全研究的不斷深入，人們對正面碰撞的關注不再只停留在乘員頭部、胸部、腹部和大腿的保護上，對頸部傷害的重視程度越來越高。頸部分上頸部和下頸部，上頸部一般指C1至C2，下頸部指C3至C7。

文獻[1]中通過分析正面碰撞試驗中，假人頭、頸部的運動狀態(tài)，指出碰撞初期頭部向前轉(zhuǎn)動滯后于頸部向前轉(zhuǎn)動，導致上頸部首先承受伸張彎矩，之后才開始向前彎曲運動。

文獻[2]中基于正面碰撞仿真模型，研究上頸部伸張傷害產(chǎn)生的原因，并分析了座椅防下潛結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)向管柱壓潰特性、安全氣囊泄氣孔直徑、拉帶長度和安全帶限力等級對上頸部伸張傷害的影響。

文獻[3]中通過建立正面碰撞仿真模型，分析了安全氣囊氣袋排氣孔直徑、氣袋直徑、織物滲透率和氣體發(fā)生器質(zhì)量流量等參數(shù)對離位女性假人頸部彎矩、剪切力與軸向力的影響。

文獻[4]和文獻[5]中通過對正撞試驗中假人運動情況的分析，發(fā)現(xiàn)安全帶約束導致向前運動的乘員頭部與胸部發(fā)生相對運動，引起頭部與胸部間產(chǎn)生約束作用，而對乘員頸部造成傷害。指出合理匹配安全帶和安全氣囊性能參數(shù)可顯著降低頸部傷害。

文獻[6]中基于正面碰撞事故數(shù)據(jù)，分析了碰撞波形對乘員頸部長期、中期傷害的影響，并指出安裝性能良好的安全帶預緊器與載荷限制器能夠顯著降低頸部AIS1傷害。

文獻[7]中通過分析一例低速正面碰撞死亡事故，指出未佩戴安全帶的副駕駛乘員在碰撞中身體易向前飛出，導致頭部撞擊風窗玻璃，和頸部瞬間向后過度伸張，造成乘員因頸部骨折死亡。

在正面碰撞中，乘員的運動過程大致可分為以下3個階段：

第1階段 乘員在慣性力的作用下向前運動，其間安全帶與安全氣囊共同為其提供保護，之后受安全氣囊反彈力與安全帶約束力作用，乘員向后復位運動，直至腰部與座椅靠背接觸；

第2階段 乘員腰部與靠背接觸后，頭部、胸部繼續(xù)向后運動，直至頭部與頭枕接觸；

第3階段 頭部與頭枕接觸后，在頭枕與靠背反彈力的作用下，頭部和胸部相對于座椅向前反彈，安全帶對胸部進行二次約束。

以上文獻對頸部傷害的研究集中于正面碰撞第1階段，而國內(nèi)外對第2和第3階段頸部傷害的研究很少。因此，本文中著重分析這兩個階段中駕駛員上、下頸部的運動狀態(tài)，和座椅特性對上、下頸部傷害的影響。

1 仿真模型的建立與驗證

為實現(xiàn)研究目標，以某型轎車乘員區(qū)域相關尺寸和性能參數(shù)為依據(jù)，采用碰撞仿真軟件MADYMO建立駕駛員約束系統(tǒng)仿真模型。具體步驟為：

(1) 建立車內(nèi)環(huán)境模型，主要包括地板、防火墻、儀表板、加速踏板、擱腳板、風窗玻璃和座椅等；

(2) 建立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型，包括儀表板固定橫梁、轉(zhuǎn)向柱托架、傾角調(diào)整機構(gòu)、壓潰式轉(zhuǎn)向柱和轉(zhuǎn)向盤等；

(3) 建立安全氣囊模型，包括氣囊網(wǎng)格模型的建立、氣囊折疊、安裝和氣囊相關特性的定義等；

(4) 調(diào)入MADYMO軟件中自帶的Hybrid Ⅲ男性第50百分位橢球假人模型，并將其定位在駕駛員座椅上；

(5) 建立三點式安全帶模型，主要包括安全帶卷收器、高度調(diào)節(jié)器、固定錨點、帶扣點、預緊器和限力器，并對男性假人模型進行安全帶預定位；

(6) 定義各個部件的特性和載荷等，如加速度場、剛度特性等；

(7) 定義假人模型與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型、安全氣囊模型、座椅、地板、加速踏板與擱腳板的接觸，以及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型與安全氣囊模型的接觸。

所建立的仿真模型需要真實車輛碰撞試驗進行可靠性驗證。表1列出了試驗測得的假人傷害指標與仿真計算結(jié)果的對比。圖1為碰撞試驗中假人傷害響應與MADYMO模型中假人傷害響應的對比。圖中坐標定義為X沿汽車縱軸方向，向前為正；Z沿鉛垂方向，向上為正；Y按右手定則確定。

表1 試驗與仿真假人傷害指標的對比

由圖1可見，仿真得到的假人各傷害響應曲線與試驗曲線吻合較好；由表1可知，雖然仿真計算得到的假人各關鍵傷害指標與試驗結(jié)果存在一定誤差，但誤差均小于10%，因此該仿真模型可作為基本模型進行深入研究[8]。

2 頸部傷害指標

2.1 枕骨繞Y軸彎矩Myoc

Myoc=My-0.01778×Fx

式中：My為上頸部繞Y軸彎矩；Fx為上頸部的剪切力。

2.2 頸部傷害值Nkm

式中：Mint與Fint分別為Myoc與Fx的臨界值，F(xiàn)int取值為845N，上頸部在伸展和彎曲狀態(tài)下，Mint取值分別為47.5和88.1N·m。Nkm的極限值為1[9]。

2.3 頸部傷害值Nij

式中：Fz為上頸部的軸向力；Myc與Fzc分別為Myoc與Fz的臨界值。當Fz為拉力時，F(xiàn)zc取值為4 287N；當Fz為壓力時，F(xiàn)zc取值為3 880N；當上頸部為伸展狀態(tài)時，Myc取值為67N·m；當上頸部為彎曲狀態(tài)時，Myc取值為155N·m。Nij的極限值為1[10]。

3 駕駛員復位后頸部運動狀態(tài)與傷害分析

以所建立的仿真模型作為分析對象，研究正面碰撞中駕駛員向后復位，腰部與座椅靠背接觸后，駕駛員上、下頸部的運動情況，并分析頭枕剛度、靠背上部剛度、靠背下部剛度、靠背傾角調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)動剛度和頭枕前傾角度對上頸部伸張彎矩峰值Mupper、下頸部伸張彎矩峰值Mlower和頸部傷害值Nkm與Nij的影響。

3.1 頸部運動狀態(tài)

將MADYMO仿真模型計算生成的kn3文件與injury文件導入Hyperworks后處理軟件中，分別得到整個碰撞過程的CAE動畫與上、下頸部繞Y軸彎矩的時間歷程曲線，如圖2和圖3所示。由CAE動畫和頸部彎矩時間歷程可見：

0-175ms：以駕駛員向前運動為起點，駕駛員在安全氣囊反彈力與安全帶拉力作用下，向后復位運動，腰部與座椅靠背接觸為終點；

175-200ms：以駕駛員腰部與靠背接觸為起點，頭部與頭枕接觸為終點；上頸部繞Y軸彎矩為正值，下頸部繞Y軸彎矩為負值，即上頸部處于向前彎曲狀態(tài)而下頸部處于向后伸展狀態(tài)，頸部呈現(xiàn)S形；

200-275ms：頭部與頭枕接觸后，210ms時在頭枕反彈力的作用下，頭部質(zhì)心開始相對頭枕向前平移，但頭部仍相對胸部向后旋轉(zhuǎn)，此后胸部相對靠背向前反彈，其間上頸部由向前彎曲狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橄蚝笊煺範顟B(tài)，而下頸部仍然為向后伸展狀態(tài)，頸部呈現(xiàn)C形，上、下頸部伸張彎矩峰值分別發(fā)生在225與205ms；

275-300ms：275ms時頭部開始相對胸部向前旋轉(zhuǎn)，上頸部、下頸部由向后伸展狀態(tài)變?yōu)橄蚯皬澢鸂顟B(tài)，頸部呈現(xiàn)倒C形。

3.2 頭枕剛度對頸部傷害的影響

座椅頭枕剛度決定了頭部與頭枕接觸力的大小及頭枕的吸能能力。為分析頭枕剛度對駕駛員上、下頸部傷害的影響，以原頭枕剛度值±10%、±20%、±30%、±40%的一組數(shù)值，代入仿真模型計算，結(jié)果如表2所示。

從表2看出，隨著頭枕剛度的減小，上頸部伸張彎矩峰值Mupper有下降的趨勢，而Nkm、Nij與下頸部伸張彎矩峰值Mlower無顯著變化。減小頭枕剛度，即頭枕變軟后，能夠增強頭枕的吸能能力，降低頭部質(zhì)心向前反彈的速度，從而緩和了上頸部向后伸張的程度，減輕上頸部傷害。

3.3 靠背上部剛度對頸部傷害的影響

表3為不同靠背上部剛度值對駕駛員頸部傷害影響的計算結(jié)果。由表3可知，隨著靠背上部剛度減小至原值的60%，上、下頸部伸張彎矩峰值、Nkm和Nij分別降低30.78%、21.95%、30.34%和29.27%。其原因是減小靠背上部剛度，使胸部更容易向后運動,緩和了頭部相對胸部向后運動的趨勢，導致下頸部伸張彎矩峰值下降；同理在頭部反彈過程中，胸部處于靠后的位置，使頭部相對于胸部向后轉(zhuǎn)動的角度變小，導致上頸部伸張彎矩峰值、Nkm和Nij明顯減小。

表2 頭枕剛度對頸部傷害的影響

表3 靠背上部剛度對頸部傷害的影響

3.4 靠背下部剛度對頸部傷害的影響

表4為靠背下部剛度對駕駛員頸部傷害的影響。從表4看出，靠背下部剛度對駕駛員頸部傷害

表4 靠背下部剛度對頸部傷害的影響

無明顯影響。

3.5 靠背傾角調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)動剛度對頸部傷害的影響

靠背傾角調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)動剛度對駕駛員頸部傷害的影響如表5所示。當轉(zhuǎn)動剛度減小至原值的60%時，Mupper、Nkm、Nij與Mlower分別降低33.30%、22.47%、36.59%以及26.02%，表明減小傾角調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)動剛度有利于保護駕駛員頸部。其原因是減小該轉(zhuǎn)動剛度，增大了駕駛員腰部與靠背接觸后軀干的向后轉(zhuǎn)動，有助于減少頭部相對胸部的向后運動，從而顯著降低了下頸部伸張彎矩；同時軀干向后轉(zhuǎn)動雖延遲了頭部與頭枕的接觸時間，但降低了頭部與頭枕的接觸力，從而緩和了頭部的向前反彈運動，使上頸部傷害值下降。

表5 靠背傾角調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)動剛度對頸部傷害的影響

3.6 頭枕前傾角度對頸部傷害的影響

為分析頭枕前傾對駕駛員上、下頸部傷害的影響，將頭枕導桿向前傾斜5°、10°、15°與20°，帶入仿真模型進行計算，其計算結(jié)果如表6所示。

表6 頭枕前傾角度對頸部傷害的影響

由表6可知，當頭枕向前傾斜15°時，Mupper降至最低，向前傾斜10°時，Nkm與Nij分別減小至最小值0.77和0.36。隨著頭枕向前傾斜角度由0°增至20°時，Mlower由124.28N·m降至64.14N·m，降低了48.39%，其下降幅度大于其他情況。

頭枕向前傾斜能顯著減少頭部相對于胸部的向后轉(zhuǎn)動，導致下頸部伸張彎矩明顯下降。

但頭枕向前傾斜過多會引起上頸部剪切力與軸向力增加，如圖4和圖5所示，導致Nij、Nkm峰值發(fā)生時間早于上頸部伸張彎矩峰值時間，且Nij、Nkm顯著增大，給駕駛員上頸部造成嚴重傷害。因此應合理選擇頭枕前傾角。

4 討論

國內(nèi)外對低速后碰撞中駕駛員頸部揮鞭傷害的研究已經(jīng)比較成熟。眾多研究結(jié)果顯示：當頭枕剛度較高，靠背上部剛度較低(或靠背上部凹陷程度較大)，靠背下部剛度較高，靠背傾角調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)動剛度較低，頭枕適當前傾時，駕駛員受到頸部揮鞭傷害的幾率較低，或程度較小[11-18]。

正面碰撞中駕駛員回程復位后頸部傷害與低速后碰撞中駕駛員頸部揮鞭傷害的區(qū)別在于：頭枕剛度對兩種碰撞中上頸部傷害的影響恰恰相反，靠背下部剛度對后碰撞中駕駛員頸部傷害有影響，而對正面碰撞中駕駛員頸部傷害無顯著影響。

因此，進一步研究須綜合考慮在兩種碰撞形式下，座椅特征參數(shù)對駕駛員頸部傷害的影響，使兩種碰撞中頸部傷害值都降至理想范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

(1) 當前正面碰撞后期頸部傷害的研究很少，有必要進行深入研究。

(2) 仿真結(jié)果表明，靠背上部剛度與靠背傾角調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)動剛度對上頸部伸張彎矩峰值Mupper、Nkm與Nij影響最大，頭枕剛度次之；減小靠背上部剛度與傾角調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)動剛度可顯著降低Mupper、Nkm與Nij；頭枕前傾角度對下頸部伸張彎矩峰值Mlower影響最大，靠背上部剛度與靠背傾角調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)動剛度次之；增大頭枕前傾角度可大幅降低Mlower，但前傾角度過大，會導致Nij、Nkm增大；靠背下部剛度對頸部傷害值影響不大。

(3) 比較了座椅特征參數(shù)對正面碰撞中駕駛員回程復位后頸部傷害與低速后碰撞中駕駛員頸部揮鞭傷害的影響差異，指出應兼顧正面碰撞與低速后碰撞，研究座椅對駕駛員頸部的綜合保護效果，使頸部傷害值在這兩種碰撞中都降至理想范圍內(nèi)。

[1] 李向榮,龍海靖.碰撞試驗中乘員頸部運動及其受力分析[J].交通標準化,2008(2/3).

[2] 杜亮,朱西產(chǎn),張紹衛(wèi).正面100%RB碰撞中假人頸部My傷害分析[J].上海汽車,2011(4):54-59.

[3] 葛如海,藍善斌,陳曉東.安全氣囊對離位乘員損傷影響的仿真研究[J].汽車工程,2007,29(9):766-770.

[4] 商恩義,李洪梅,楊斌.正面碰撞試驗中假人頸部傷害分析方法的研究與應用[J].上海汽車,2010(6):51-55.

[5] 商恩義,李成祥.正面全寬碰撞中假人及安全帶關系的研究與應用[J].汽車技術,2011(11):23-26.

[6] Anders K, Maria K, Claes T, et al. Neck Injuries in Frontal Impacts: Influence of Crash Pulse Characteristics on Injury Risk[J]. Accident Analysis & Prevention,2000,32:197-205.

[7] Park S J, Chae S W, Kim E S. Analysis of Neck Fractures from Frontal Collision at Low Speeds[J]. International Journal of Automotive Technology,2010,11(3):441-445.

[8] 葛如海,臧綾,王浩濤,等.汽車座椅坐墊傾角對正面碰撞乘員保護影響分析[J].機械工程學報,2009,45(11):230-234.

[9] Schmitt K U, Muser M H, Niederer P. A New Neck Injury Criterion Candidate for Rear-end Collisions Taking into Account Shear Forces and Bending Moments[C]. The 17thEnhanced Safety of Vehicle Conference,2001, Amsterdam, The Netherlands, Paper Number 124.

[10] DOT and NHTSA. 49 CFR Part 571—Federal Motor Vehicle Safety Standards No.208 Occupant Crash Protection[S]. Department of Transportation, National Highway Traffic Safety Administration,1971.

[11] 肖志,楊濟匡.汽車低速追尾碰撞中乘員動力學響應和頸部損傷的仿真研究[J].中國機械工程,2007,18(10):1239-1243.

[12] Romilly D P, Skipper C S. Seat Structural Design Choices and the Effect on Occupant Injury Potential in Rear End Collisions[C]. SAE Paper 2005-01-1294.

[13] Watanabe Y, Ichikawa H, Kayama O, et al. Influence of Seat Characteristics on Occupant Motion in Low-speed Rear Impacts[J]. Accident Analysis & Prevention,2000,32(2):243-250.

[14] Svensson M Y, L?vsund P, H?land Y, et al. The Influence of Seat-back and Head-restraint Properties on the Head-neck Motion During Rear-impact[J]. Accident Analysis & Prevention,1996,28(2):221-227.

[15] Welcher J B, Szabo T J. Relationships Between Seat Properties and Human Subject Kinematics in Rear Impact Tests[J] . Accident Analysis & Prevention,2001,33(3):289-304.

[16] Jo H C, Kim Y E. A Study on the Influence of the Seat and Head Restraint Foam Stiffnesses on Neck Injury in Low Speed Offset Rear Impacts[J]. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing,2009,10(2):105-110.

[17] Prasad P, Kim A, Weerappuli D. Biofidelity of Anthropomorphic Test Devices for Rear Impact[C]. SAE Paper 973342.

[18] Fielding M, Mullins J, Nahavandi S, et al. Intelligent Headrest[C]. IEEE International Conference on Systems,2005 , Man and Cybernetics, Hawaii, USA:1240-1245.

A Research on Neck Movement and Injury After Driver Backsto Seat in the Later Stage of Frontal Crash

Hong Liang & Ge Ruhai

SchoolofAutomobileandTrafficEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013

In view of the present situation of the lack of research on the neck injury in the later stage of crash process after driver backs to seat with his waist pressing against seat back under the actions of air bag reaction force and the constraint force of seat belt, the movement states of driver’s upper and lower necks is studied to analyze the effects of seat parameters on neck injuries. To this end, based on the related dimension of passenger compartment and performance parameters of a car, a simulation model for the constraint system of driver is built with crash simulation software MADYMO and a simulation is conducted and verified by tests. The results indicate that the peak stretch bending moment of upper neck decreases with the reduction of headrest stiffness while decreasing the stiffness of upper seat back and the rotational stiffness of seatback recliner can significantly reduce the peak stretch bending moments of both upper and lower neck and neck injury indicatorsNkmandNij. Reasonably increasing the forward inclination of headrest can greatly reduce the peak stretch bending moment of lower neck, but over doing may lead to the increase of neck injury indicators.

frontal crash; driver; back to seat; neck injury; low speed rear collision

*江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃項目(CXLX12_0631)和汽車智能乘員約束系統(tǒng)控制策略研究項目(20091106)資助。

原稿收到日期為2013年11月6日，修改稿收到日期為2014年1月28日。