栗 國，董文楷，方 銳，周 斌，于文灝

(1. 中汽研(天津)汽車工程研究院有限公司 天津300300；2. 中汽研(常州)汽車工程研究院有限公司 江蘇常州213000)

European New Car Assessment Program(Euro-NCAP)作為全球最權(quán)威的汽車安全機構(gòu)之一，長期引領(lǐng)著汽車安全研究的發(fā)展方向。Far Side 項目于2015年啟動，2018年相關(guān)法規(guī)開始實施，2020年全面實行。國外的統(tǒng)計表明，遠端乘員受傷在所有側(cè)面碰撞中受傷比例在30%，而在受到AIS 3+[1]的傷害中占 40%。然而作為側(cè)面碰撞極其重要的一環(huán)，F(xiàn)ar Side卻沒有得到汽車安全界足夠的重視，國內(nèi)對 Far Side碰撞工況的研究還處于空白，而國外機構(gòu)也只是通過試驗來驗證影響遠端乘員傷害的關(guān)鍵因素。

在傳統(tǒng)側(cè)面碰撞研究中，碰撞側(cè)的乘員受到的傷害主要為車門及B柱侵入對乘員頭部、胸部、腹部和臀部造成的傷害。但是在Far Side側(cè)面碰撞中，遠端乘員受到的傷害機理有所不同，當車輛受到側(cè)面撞擊時，遠端乘員的身體由于慣性作用會向撞擊側(cè)傾倒，腰、腹部及腿部會首先受到車輛內(nèi)飾物和中控臺的沖擊。隨著身體繼續(xù)傾倒，頭部會向下甩出，到最低點后再反彈，對頭部及頸部造成二次傷害。本文針對Far Side碰撞中的此現(xiàn)象進行驗證，并采用TEAM軟件對實驗視頻進行了分析。

1 EuroNCAPFarSide試驗介紹

1.1 波形選取及驗證

為研究實際工況中遠端乘員保護情況，F(xiàn)ar Side曲線采用實際碰撞中AE-MDB及柱碰的B柱加速度曲線，碰撞角度采用 75°偏置碰撞。為保證試驗結(jié)果具備比對性，對原始加速度乘以系數(shù) 1.035，保證 Far Side碰撞曲線在相同參考系下 X向加速度的一致性見圖1。

為進一步驗證曲線的有效性，需對曲線的嚴苛程度進行評估，保證Far Side實驗曲線和原始數(shù)據(jù)一致或更為嚴苛。采用積分差值方式對Far Side曲線有效性進行評估。某車型曲線驗證數(shù)據(jù)如圖2、圖3。

圖1 Far Side碰撞方向及加速度處理示意圖[2]Fig.1 Processing diagram of impact direction and acceleration[2]

圖2 Far Side DV驗證曲線Fig.2 Validation curve of DV

圖3 Far Side DX驗證曲線Fig.3 Validation curve of DX

1.2 相機及假人的布置

為記錄試驗數(shù)據(jù)，需要對相機進行布置，共采用8臺相機進行數(shù)據(jù)記錄，包括 6臺車載相機，2臺地面相機，見圖 4。車載相機分別對應：副駕最大侵入量，副駕座椅中線，副駕座椅靠近主駕 250mm，假人正面，副駕俯視，主駕側(cè)視。地面相機分別對應：正對臺面，正對車身。

假人采用WorldSID 50th傳感器通道應具備：頭部三向加速度及角速度傳感器，上頸部三向力及力矩傳感器，肩部三向力傳感器，肩肋位移及角度傳感器，胸腔上肋骨位移及角度傳感器，胸腔中肋骨位移及角度傳感器，胸腔下肋骨位移及角度傳感器，胸腔溫度，腹腔上肋骨位移及角度傳感器，腹腔下肋骨位移及角度傳感器，脊柱三向加速度、三向力及三向力矩傳感器，骨盆三向加速度及力傳感器。

圖4 Far Side相機布置圖[2]Fig.4 Arrangement of camera[2]

對假人按不同部位進行涂色，包括頭部重心、頭部中線、上頭部易撞區(qū)、臂部中線、胸腔及腹腔肋骨、頭部正面重心。涂色后如圖5所示。

圖5 Far Side假人涂色圖[2]Fig.5 Painting of dummy[2]

2 Far Side損傷生物力學分析

圖 6展示了由 NASS/CDS統(tǒng)計的美國在 Far Side側(cè)面碰撞中，身體各部位的受傷情況，頭部受傷概率最高，其次是四肢及胸部。而保障Far Side側(cè)面碰撞中遠端乘員安全的重要途徑就是對遠端乘員的頭部和胸腹部進行保護。

圖6 Far Side人體各部位傷害分布[3]Fig.6 Injury distribution of all parts of human body[3]

2.1 Far Side頭部損傷機理

在Far Side側(cè)面碰撞中，傷害的產(chǎn)生是瞬間發(fā)生的。在碰撞過程中，頭部可能直接與乘員艙內(nèi)的部件發(fā)生接觸導致顱骨變形骨折，造成大腦挫傷，腦膜血腫等大腦局部損傷。同時，快速變化的接觸載荷會產(chǎn)生應力波，在碰撞側(cè)及對側(cè)產(chǎn)生壓力差，造成腦組織間的局灶性擦傷和損傷。在此過程中，頭部主要受到頭部加速度的影響，包括平移加速度及旋轉(zhuǎn)加速度：平移加速度會對腦組織產(chǎn)生拉應力和壓應力，導致硬腦膜血腫之類的腦損傷；旋轉(zhuǎn)加速度會對腦組織產(chǎn)生張力和剪切力。由此對顱骨產(chǎn)生動脈撕裂之類的腦損傷[4-6]，而在頭部傷害來源中，主要來源是內(nèi)飾件，見圖7。

圖7 Far Side頭部傷害來源[7]Fig.7 Source of head injury[7]

2.2 Far Side胸部損傷機理

圖8 Far Side胸部傷害來源[7]Fig.8 Source of chest injury[7]

在Far Side側(cè)面碰撞中，胸部在碰撞沖擊作用下受到壓縮。胸骨、肋骨等器官產(chǎn)生變形，當胸部變形超過極限值后，會造成胸部肋骨骨折，內(nèi)部組織器官產(chǎn)生嚴重損傷。在此過程中，胸部主要受到座椅及靠背、安全帶及鎖扣、內(nèi)飾件的傷害，見圖8。

3 Far Side頭部傷害及運動軌跡分析

上一章節(jié)初步分析了在 Far Side中假人損傷的機理，現(xiàn)通過進一步試驗數(shù)據(jù)分析，對頭部傷害進行研究，分析傷害組成。

3.1 某車型的頭部平移加速度傷害分析

WorldSID假人頭部裝有三向加速度傳感器用于評估假人的拉應力及壓應力。原始曲線數(shù)據(jù)比較粗糙，對波形進行濾波后再進行處理分析。

3.1.1 X向頭部傷害分析

從圖 9分析可知，在車身坐標系下，假人的頭部由于慣性產(chǎn)生向擋風玻璃方向的加速度(0～60ms)，當運動到安全帶介入后，安全帶勒住胸部，由于頭胸相互作用，頭部產(chǎn)生頭枕方向加速度(60～125ms)，隨后安全帶滑落，假人由于相對運動繼續(xù)向擋風玻璃方向受力(125～150ms)，最后假人腹部碰撞到中控臺，身軀停止移動，由于頭胸相互作用，頭部也產(chǎn)生停止運動趨勢，受到頭枕方向的力。

圖9 Far Side某車型頭部X向加速度Fig.9 X-direction acceleration of head

在此方向中，頭部加速度最大為 2.26gn。由此可知，在 Far Side碰撞中，頭部受到 X向的力較少，不會產(chǎn)生嚴重的損傷。

3.1.2 Y向頭部傷害分析

從圖 10分析可知，在車身坐標系下，假人的頭部由于慣性產(chǎn)生保持原始位置的加速度(0～75ms)，當假人由下部傳遞到上部后，頭部產(chǎn)生副駕駛側(cè)方向加速度(75～250ms)，最后假人腹部碰撞到中控臺，身軀停止移動，由于頭胸相互作用，頭部也產(chǎn)生停止運動趨勢，受到頭枕方向的力(250～350ms)。

在此方向中，頭部加速度最大為 12.80gn。由此可知，在 Far Side碰撞中，頭部受到 Y向的力較大，很可能產(chǎn)生損傷。

圖10 Far Side某車型頭部Y向加速度Fig.10 Y-direction acceleration of head

3.1.3 Z向頭部傷害分析

從圖 11分析可知，在車身坐標系下，假人的頭部由于慣性產(chǎn)生保持原始位置(0～60ms)，當假人由下部傳遞到上部后，頭部產(chǎn)生向下的加速度(75～350ms)，最后身軀停止移動，由于頭胸相互作用，頭部也產(chǎn)生停止運動趨勢。

圖11 Far Side某車型頭部Z向加速度Fig.11 Z-direction acceleration of head

在此方向中，頭部加速度最大為 36.49gn。由此可知，在 Far Side碰撞中，頭部受到 Z向的力最大，是產(chǎn)生頭部損傷的主要來源。

3.1.4 頭部總體傷害分析

對三向加速度進行合成及分析，采用頭部 HIC值進行評估。

計算得出：

HIC高性能值在 500以下，低性能值在 700以上。可以看出此車型頭部HIC值較低，乘員頭部受傷程度較輕。

3.2 某車型的頭部旋轉(zhuǎn)加速度傷害分析

WorldSID假人頭部裝有三向角速度傳感器用于評估假人的張力及剪切力。原始曲線數(shù)據(jù)比較粗糙，對波形進行濾波后再進行處理分析。

3.2.1 RX向頭部傷害分析

結(jié)合圖 12進行分析，頭部首先與胸部一起運動(0～75ms)，當胸部受到中控臺的阻礙停止時，頭部由于慣性，產(chǎn)生滑動，會繼續(xù)向前(風擋玻璃方向)甩動，與胸部發(fā)生相對錯動，產(chǎn)生較大的剪切力，由于沒有中控臺氣囊進行保護，頭部產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生向前的剪切力(75～350ms)。

圖12 Far Side某車型頭部RX向加速度Fig.12 RX-direction acceleration of head

在此方向中，頭部最大角速度為739.22deg/s。在側(cè)面碰撞此方向的剪切力不大，假人傷害程度不高。

3.2.2 RY向頭部傷害分析

從圖 13進行分析，頭部首先與胸部一起轉(zhuǎn)動(0～85ms)，當胸部受到中控臺的阻礙停止時，頭部繼續(xù)甩動，與胸部發(fā)生相對錯動，產(chǎn)生較大的剪切力，由于沒有中控臺氣囊進行保護，頭部產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)動，視覺上產(chǎn)生折彎效果。在此過程中，頭部會有2次明顯的傷害：首先是由于慣性的頭部與胸部相對位移，頭部向門板方向的傷害，然后是胸部受到中控臺阻礙后，頭部向中控臺方向的折彎傷害，且第二次傷害明顯高于第一次的傷害(85～350ms)。53347.21deg/s，第二次傷害的最大角速度達到182542deg/s。在遠端乘員保護中，RY向的剪切力和張力明顯最大，是乘員受到嚴重傷害的主要原因。

圖13 Far Side某車型頭部RY向加速度Fig.13 RY-direction acceleration of head

3.2.3 RZ向頭部傷害分析

結(jié)合圖 14進行分析，在此過程中，頭部運動由于慣性先向天窗方向產(chǎn)生一個張力(0～110ms)，由于頭胸關(guān)系，頭部隨后伴著胸部向地板方向運動，產(chǎn)生向下的剪切力(110～165ms)，當頭部運動到最下方時，產(chǎn)生反彈，又受到向上的張力作用(165～350ms)。在整個運動中，頭部會受到 3次傷害，其中第2次傷害程度最高，第1次傷害及第3次傷害程度次之。

圖14 Far Side某車型頭部RZ向加速度Fig.14 RZ-direction acceleration of head

在此方向上，3次傷害的最大角速度依次為501.042、655.199、195deg/s。在此側(cè)面碰撞中該方向的剪切力并不大，不是假人受到嚴重傷害的主要原因。

3.3 某車型的頭部總體傷害分析

根據(jù)以上分析，在側(cè)面碰撞遠端乘員保護中，頭部主要傷害為RY的剪切力及張力，其次是Z方向的頭部的拉應力及壓應力，而且 RY方向的剪切力及張力遠遠高于其他方向的剪切力及張力。為防止此種傷害，可以在中控臺上方加入安全氣囊，以此來保護乘員頭部，防止頭部的折彎及Z向墜落。

4 Far Side頭部運動軌跡分析

為進一步驗證頭部傷害情況及頭部運動趨勢，與已有數(shù)據(jù)進行對比，分析頭部傷害情況。采用 TEMA軟件對試驗視頻進行分析，頭部運動軌跡如圖15。

首先運行TEMA Automotive軟件中的圖像處理模塊，設(shè)置軌跡跟蹤點(頭部重心點)，下一步對頭部運動軌跡進行校準，保證跟蹤點盡可能精確地與實際情況相符合。

結(jié)合運動軌跡及頭部加速度曲線對頭部傷害情況進行更深入的分析，分析頭部運動趨勢及汽車各部件對頭部傷害的影響。

圖15 Far Side某車型頭部運動曲線[2]Fig.15 Head motion curve of a car type[2]

在此錄像中，可以明顯看出，在側(cè)面碰撞中遠端乘員傷害主要是中控臺與肋骨的撞擊產(chǎn)生的受傷以及頭部劇烈甩動造成的。在頭部甩動過程中，很有可能與其他脫落的內(nèi)飾件接觸，產(chǎn)生二次傷害。

5 結(jié)論與展望

本文圍繞Euro-NCAP Far Side試驗中頭部傷害情況，對某車型的試驗數(shù)據(jù)進行研究分析，初步判斷產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因，然后基于視頻軌跡跟蹤技術(shù)對試驗數(shù)據(jù)進一步分析處理，驗證了產(chǎn)生頭部傷害的原因是 RY的剪切力及張力、Z方向的頭部的拉應力及壓應力。假人頭部在側(cè)面碰撞中會產(chǎn)生極大的甩動，產(chǎn)生較大的傷害。針對此現(xiàn)象可以看出，若有中控氣囊對假人頭部進行保護，可以很大程度上減輕頭部甩動導致的傷害。

另一方面，本文的結(jié)論不具備唯一性，可能還有其他方面的原因?qū)е聜?cè)面碰撞中遠端乘員的頭部傷害，還需要不斷地積累相關(guān)的工程經(jīng)驗，繼續(xù)探索完善造成此現(xiàn)象的其他原因。

此外，本文結(jié)論對研究側(cè)面碰撞中遠端乘員傷害具有現(xiàn)實的工程指導意義：為側(cè)面保護中遠端乘員保護提供數(shù)據(jù)分析，為提升遠端乘員安全提供了一種思路。