【摘要】為探究多樣化的乘員離位姿態(tài)對(duì)乘員碰撞損傷的影響，綜合考慮多種乘員典型離位姿態(tài)，借助成熟乘員艙模型和假人模型進(jìn)行了1 800次正面碰撞仿真，結(jié)果表明，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)工況，典型離位姿態(tài)下的乘員損傷均有一定程度的增加：座椅靠背角度增大會(huì)導(dǎo)致乘員頭頸部損傷水平提高，而使胸部損傷水平下降；自動(dòng)緊急制動(dòng)（AEB）系統(tǒng)制動(dòng)強(qiáng)度的增大會(huì)提高乘員胸部損傷水平而降低頭頸部損傷水平；乘員向右偏移工況均比向左偏移工況有更大的頭胸部損傷水平。

主題詞：離位乘員 數(shù)值模擬 正面碰撞 損傷風(fēng)險(xiǎn)

中圖分類(lèi)號(hào)：U467.14" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" "DOI： 10.19620/j.cnki.1000-3703.20230933

Frontal Crash Injury Study of Typical Non-Standard Seated Occupants in Intelligent Vehicle

Yun Weiguo1， Wang Guojie2， He Enze2

（1. Zhejiang Geely Farizon New Energy Commercial Vehicles Group Co.， Ltd.， Hangzhou 310018; 2. State Key Laboratory of Vehicle NVH and Safety Technology， China Automotive Engineering Research Institute Co.， Ltd.， Chongqing 401122）

【Abstract】In order to investigate the effects of diverse occupant out-of-position postures on occupant crash injuries， a variety of typical occupant out-of-position postures were considered， and 1 800 frontal crash simulations were conducted with the help of a mature occupant compartment model and dummy model. The results show that the occupant will suffer more injury in typical out-of-position posture than the standard posture; the increase of seatback angle leads to the increase of occupant head and neck injury level， while the decrease of thorax injury level; the increase of braking intensity of Automatic Emergency Braking （AEB） system increases the occupant thorax injury level， while decreasing the head and neck injury level; the occupants’ head and thorax injury level is greater in the rightward offset condition than in the leftward offset condition.

Key words： Occupant out-of-position， Numerical simulation， Frontal crash， Injury risk

1 前言

乘員的姿勢(shì)顯著影響其在車(chē)輛碰撞中受傷的風(fēng)險(xiǎn)。Bose等[1]使用多剛體人體模型研究了身材、體重、姿勢(shì)和肌肉支撐水平等特征對(duì)乘員在車(chē)輛正面碰撞中傷害風(fēng)險(xiǎn)的影響程度，發(fā)現(xiàn)乘員姿勢(shì)影響最大。Hwang等[2]的分析表明，在側(cè)面碰撞中，身體姿勢(shì)是預(yù)測(cè)乘員碰撞反應(yīng)的重要因素。

同時(shí)，乘員在乘車(chē)時(shí)可能出現(xiàn)各種姿勢(shì)。Zhang等[3]開(kāi)展的基于志愿者偏好姿勢(shì)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，前排乘員在行駛中僅45%的時(shí)間以標(biāo)準(zhǔn)姿勢(shì)乘坐。Reed等[4]對(duì)車(chē)內(nèi)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，前排乘員頭部在33%的時(shí)間中向左或向右旋轉(zhuǎn)，軀干在10%的時(shí)間里向左或向右旋轉(zhuǎn)且在10%的時(shí)間內(nèi)前傾。自動(dòng)駕駛汽車(chē)的發(fā)展擴(kuò)大了未來(lái)汽車(chē)駕乘人員的姿勢(shì)和活動(dòng)選擇[5-6]，如休息、娛樂(lè)，或與其他乘員交流，這對(duì)車(chē)內(nèi)布置提出了新的需求，包括設(shè)置靈活的座椅朝向[6-9]、高度傾斜的座椅[10-13]等，此時(shí)，車(chē)內(nèi)人員的姿態(tài)也更加多樣化。

然而，傳統(tǒng)的乘員約束系統(tǒng)均針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)坐姿乘員設(shè)計(jì)，其對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)乘員的保護(hù)性能引起了研究人員的關(guān)注。Ji等[14]、Rawska等[15-16]分析了傾斜座椅靠背條件下的乘員損傷，發(fā)現(xiàn)靠背傾斜可能導(dǎo)致乘員下潛，增加胸腹部損傷風(fēng)險(xiǎn)。Kang[17]開(kāi)展了尸體試驗(yàn)，亦發(fā)現(xiàn)向后傾斜座椅的乘員將面臨更大的損傷風(fēng)險(xiǎn)。靈活的座位朝向也可能給乘員保護(hù)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)：Wu等[18]模擬了56 km/h車(chē)速且座椅不同旋轉(zhuǎn)角度條件下的正面碰撞過(guò)程，結(jié)果表明，在座椅旋轉(zhuǎn)角度為90°和135°時(shí)損傷風(fēng)險(xiǎn)更高。此外，智能汽車(chē)上搭載的主動(dòng)安全系統(tǒng)在觸發(fā)時(shí)，也可能導(dǎo)致乘員出現(xiàn)非標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)，如：自動(dòng)緊急制動(dòng)（Automatic Emergency Braking，AEB）系統(tǒng)的作用會(huì)使乘員的上軀干產(chǎn)生大幅前向位移導(dǎo)致離位，從而引起乘員碰撞損傷，尤其是胸部損傷風(fēng)險(xiǎn)增加[19-20]；自動(dòng)緊急轉(zhuǎn)向會(huì)使乘員產(chǎn)生明顯的橫向位移，且肩帶脫落，導(dǎo)致頭部、胸部損傷風(fēng)險(xiǎn)增大[21]。

可見(jiàn)，乘員坐姿顯著影響乘員整體運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)和損傷風(fēng)險(xiǎn)，但當(dāng)前主流研究[22-23]大多針對(duì)單一因素引起的乘員離位，尚未綜合考慮多樣化乘員離位坐姿對(duì)乘員損傷的影響。本文旨在綜合考慮多種乘員離位姿態(tài)，采用數(shù)值仿真方法探究乘員離位因素對(duì)典型部位損傷的影響規(guī)律。

2 正面碰撞仿真

2.1 仿真模型

本文使用的車(chē)輛模型是美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理局（National Highway Traffic Safety Administration，NHTSA）的豐田雅力士（Toyota Yaris）2010款車(chē)型的乘員約束系統(tǒng)MADYMO模型。假人模型使用MADYMO自帶的Hybrid-Ⅲ假人。將Hybrid-Ⅲ假人模型置于Yaris約束系統(tǒng)模型中，最終建立的仿真模型如圖1所示。

2.2 邊界條件

隨著自動(dòng)駕駛汽車(chē)的引入，乘員的姿態(tài)將更加多樣化，本文總結(jié)了文獻(xiàn)[5]、文獻(xiàn)[23]～文獻(xiàn)[25]中的乘員離位姿態(tài)，并以其中幾種典型的乘員離位姿態(tài)參數(shù)作為邊界條件。

本文中車(chē)輛的碰撞速度根據(jù)文獻(xiàn)[26]設(shè)置為50 km/h，加載在假人模型X向，重力加速度場(chǎng)的作用則施加在假人模型的Z向。

本文對(duì)AEB系統(tǒng)的設(shè)置參考文獻(xiàn)[24]建立主被動(dòng)一體化模型，該集成模型主要包括預(yù)碰撞階段和碰撞階段，在預(yù)碰撞階段加載AEB減速度曲線模擬制動(dòng)效果，碰撞階段加載碰撞速度為50 km/h的碰撞加速度曲線，如圖2a所示，其中0.7 g和1.0 g的制動(dòng)減速度曲線如圖2b所示。

本文所使用的假人模型均為Hybrid-Ⅲ假人模型，包括第5百分位女性假人、第50百分位男性假人及第95百分位男性假人，如圖3所示。參考文獻(xiàn)[14]、文獻(xiàn)[25]、文獻(xiàn)[27]將座椅靠背傾斜角度范圍設(shè)置為23°～63°，間隔10°，如圖4所示。根據(jù)文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[23]中的設(shè)置，乘員左、右傾斜角度設(shè)置為-20°～20°，間隔10°，其中0°為中間標(biāo)準(zhǔn)坐姿，如圖5所示。本文駕駛員姿勢(shì)的調(diào)整主要參考文獻(xiàn)中所述方法并進(jìn)行綜合[5]，共設(shè)置8種，分別為雙手平放（姿勢(shì)1）、左手持手機(jī)（姿勢(shì)2）、右手持手機(jī)（姿勢(shì)3）、雙手抱胸（左手在前，姿勢(shì)4）、雙手抱胸（右手在前，姿勢(shì)5）、左腿屈曲（姿勢(shì)6）、右腿屈曲（姿勢(shì)7）、雙腿屈曲（姿勢(shì)8），如圖6所示。

本文將8種乘員上下肢姿勢(shì)分為8類(lèi)，每一類(lèi)中對(duì)AEB制動(dòng)強(qiáng)度（無(wú)AEB、0.7 g、1.0 g）、乘員左、右偏移角度（-20°～20°，間隔10°）、不同體型乘員（第5百分位、第50百分位、第95百分位）及座椅靠背傾斜角度（23°～63°，間隔10°）進(jìn)行全因子分析，共計(jì)進(jìn)行了1 800次正面碰撞仿真。

2.3 損傷評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

本文正面碰撞中乘員各部位損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)參照《C-NCAP管理規(guī)則（2021年版）》[28]和《中國(guó)保險(xiǎn)汽車(chē)安全指數(shù)規(guī)程 第2部分：車(chē)內(nèi)乘員安全指數(shù) 整體評(píng)價(jià)規(guī)程（2020版）》[29]中各項(xiàng)規(guī)定，其中常用的乘員損傷指標(biāo)如表1所示。

其中頭部、頸部、胸部造成的損傷是主要的致命性損傷[30]，因此本文主要研究乘員頭部、頸部、胸部損傷。

3 仿真結(jié)果

3.1 乘員姿勢(shì)對(duì)碰撞損傷的影響

為便于表述，在結(jié)果分析與討論中，均用“工況”表示乘員上、下肢姿勢(shì)變化后的各仿真案例。圖7～圖9描述了8種工況下乘員各部位的碰撞損傷分布情況，由底部、第25百分位數(shù)、中位數(shù)、第75百分位數(shù)和頂部數(shù)值構(gòu)成，其中每個(gè)數(shù)據(jù)組包括225個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，代表不同姿勢(shì)下乘員的碰撞損傷結(jié)果。

總體來(lái)說(shuō)，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)工況的損傷，姿勢(shì)改變工況下乘員各部位損傷均有不同程度的增加，尤其是頭部損傷。

由圖7、圖8可知，相比于工況1，乘員上肢姿勢(shì)改變情況下頭部和頸部損傷更嚴(yán)重，尤其是工況4和工況5。而且與下肢姿勢(shì)改變的工況對(duì)比，乘員上肢姿勢(shì)的改變對(duì)乘員頭頸部損傷的影響更大，乘員上肢姿勢(shì)的改變影響了乘員頭部與安全氣囊的接觸性質(zhì)與接觸時(shí)間，從而削弱了安全氣囊對(duì)乘員頭部的保護(hù)效果，使乘員頭部的損傷增大。

3.2 座椅靠背角度對(duì)乘員碰撞損傷的影響

圖10～圖12描述了不同座椅靠背傾斜角度下乘員各部位碰撞損傷的分布情況，圖中每個(gè)數(shù)據(jù)組包括360個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。

對(duì)比圖10中離位乘員頭部損傷的中位線與標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)乘員的損傷可以發(fā)現(xiàn)，隨座椅靠背角度增大，頭部3 ms加速度和HIC15超出標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)乘員損傷的案例比例分別從61.4%（221個(gè)）和44.2%（159個(gè)）增加到96.1%（346個(gè)）和93.3%（336個(gè)）。這一現(xiàn)象也出現(xiàn)在乘員頸部損傷中，見(jiàn)圖11。而從圖12中可以看出，隨座椅靠背角度增大，胸部損傷超出標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)乘員的損傷的案例減少。

對(duì)比圖10中不同座椅靠背傾斜角度下頭部損傷均值，可以觀察到大傾角座椅靠背條件下乘員頭部損傷水平普遍高于23°座椅靠背條件下頭部損傷水平，且隨著座椅靠背傾斜角度增大，頭部損傷水平也增大。同樣的現(xiàn)象在乘員頸部損傷中也能觀察到，見(jiàn)圖11。對(duì)于胸部損傷，大傾角座椅靠背條件下的胸部損傷水平普遍低于23°座椅靠背條件下，且隨著座椅靠背傾斜角度增大，胸部損傷水平降低，見(jiàn)圖12。

總體而言，座椅靠背角度增大時(shí)，乘員頭頸部損傷水平也隨之提高，而胸部的損傷水平隨之下降。

3.3 自動(dòng)緊急制動(dòng)對(duì)乘員碰撞損傷的影響

圖13～圖15描述了不同AEB工況下乘員各部位碰撞損傷分布情況，圖中每個(gè)數(shù)據(jù)組包括600個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。

對(duì)比圖13、圖14中離位乘員頭、頸部損傷的中位線與標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)乘員的損傷可以發(fā)現(xiàn)，AEB作用工況中頭、頸部損傷超出標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)乘員的損傷的案例減少。而從圖15中可以看出，AEB作用工況中胸部損傷超出標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)乘員的損傷的案例增加。

通過(guò)對(duì)比3種工況下的乘員頭、頸部損傷均值可知，相比于無(wú)AEB工況，AEB作用的工況中的乘員頭頸部損傷水平下降，且1.0 g制動(dòng)強(qiáng)度工況下乘員頭頸部損傷水平最低，見(jiàn)圖13、圖14。對(duì)于乘員胸部損傷，胸部壓縮量與胸部粘性指數(shù)VC表現(xiàn)出相反的情況：相比于無(wú)AEB工況，AEB作用工況中胸部壓縮量的均值增大，而胸部粘性指數(shù)的均值下降，見(jiàn)圖15。

總體而言，AEB的作用使乘員胸部損傷水平提高，頭頸部損傷水平下降，一定程度上對(duì)乘員起到保護(hù)作用，而且這種保護(hù)效果在1.0 g制動(dòng)強(qiáng)度工況下更為明顯。

3.4 乘員左、右偏移角度對(duì)乘員碰撞損傷的影響

圖16～圖18描述了不同乘員左、右偏移角度下乘員各部位碰撞損傷分布情況，圖中每個(gè)數(shù)據(jù)組包括360個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。

對(duì)比圖16中離位乘員頭部損傷的中位線和標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)乘員的損傷，在乘員偏移-20°的工況下頭部損傷超出標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)乘員損傷的案例最多。圖18中的胸部損傷也表現(xiàn)出這一現(xiàn)象。

通過(guò)對(duì)比圖16～圖18中的損傷均值水平，乘員偏移-20°的工況下乘員的頭、胸部損傷水平最大，這種極限工況下安全帶不經(jīng)過(guò)乘員鎖骨中心，而是貼合在乘員肩膀外側(cè)，甚至是左手部位，此時(shí)安全帶無(wú)法有效約束乘員且容易從左肩滑落，碰撞過(guò)程中乘員的加速度更大，導(dǎo)致乘員損傷增加。相反，在乘員偏移20°的工況中，由于安全帶與乘員的貼合處靠近頸部，發(fā)生碰撞時(shí)，安全帶更容易與頭頸部發(fā)生相互作用，而對(duì)胸部的擠壓作用減弱，從而導(dǎo)致乘員頭頸部損傷水平上升、胸部損傷水平下降。此外，乘員的左、右偏移角度會(huì)影響碰撞過(guò)程中乘員頭、胸部與安全氣囊的接觸部位，導(dǎo)致安全氣囊作用效果減弱，更容易撞擊轉(zhuǎn)向盤(pán)，駕駛員頭頸部損傷更大。

3.5 乘員體型對(duì)乘員碰撞損傷的影響

圖19～圖21描述了不同體型乘員離位姿態(tài)下各部位碰撞損傷分布情況，圖中每個(gè)數(shù)據(jù)組包括600個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)比圖19～圖21中各損傷的均值水平可以觀察到，相對(duì)于第50百分位男性乘員的碰撞損傷，第5百分位女性乘員頭部及大腿損傷水平下降，頸部及胸部損傷水平提高，而第95百分位男性乘員頭頸部、胸部及小腿損傷水平則不同程度提高，大腿損傷水平下降。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用經(jīng)驗(yàn)證的乘員艙模型進(jìn)行了離位乘員的正面碰撞仿真，并探索離位因素對(duì)乘員各部位損傷的影響規(guī)律。結(jié)果表明，非標(biāo)準(zhǔn)坐姿下乘員各部位損傷均不同程度增加，且乘員上肢姿勢(shì)的改變對(duì)乘員頭頸部損傷的影響更大。這一發(fā)現(xiàn)與Leledakis等[5]的研究結(jié)論略有差異，Leledakis等[5]認(rèn)為下肢姿勢(shì)變化對(duì)下肢、骨盆和全身反應(yīng)的總體影響最大。產(chǎn)生這種差異可能是由于本研究綜合考慮了乘員不同的離位坐姿對(duì)乘員損傷的影響。

座椅靠背角度增大時(shí)，乘員頭頸部損傷增大，而胸部損傷風(fēng)險(xiǎn)降低。產(chǎn)生這種趨勢(shì)的原因可能是座椅靠背傾角增大導(dǎo)致乘員上軀干與轉(zhuǎn)向盤(pán)距離增大，進(jìn)而導(dǎo)致乘員頭部與安全氣囊的接觸時(shí)間推遲，使頭部加速度增大，HIC15增大。在大傾角座椅靠背下乘員和安全帶無(wú)法有效貼合，導(dǎo)致碰撞時(shí)發(fā)生下潛現(xiàn)象。這些現(xiàn)象與現(xiàn)有研究[14，27，31]中觀察到的現(xiàn)象一致。

AEB制動(dòng)強(qiáng)度的增大使得乘員胸部損傷水平提高、頭頸部損傷水平下降，一定程度上對(duì)乘員有保護(hù)作用，而且這種保護(hù)效果在1.0 g制動(dòng)強(qiáng)度工況中更為明顯。這與Wen等[32]的結(jié)論略有差異，其研究表明，相同碰撞速度下，碰撞前采取緊急制動(dòng)措施，將增大胸部加速度和頸部損傷。本文乘員頸部損傷存在一定程度的降低，這可能是由于本文考慮了座椅靠背傾斜的工況，AEB的介入導(dǎo)致乘員的前向離位增大，會(huì)減小座椅靠背傾斜工況導(dǎo)致的離位。

乘員向右偏移工況均比乘員向左偏移工況有更大的乘員頭胸部損傷，尤其是乘員偏移-20°工況。這種極限工況下安全帶不經(jīng)過(guò)乘員鎖骨中心，而是貼合在乘員肩膀外側(cè)，甚至是左手部位，此時(shí)安全帶無(wú)法有效約束乘員且容易從左肩滑落，碰撞過(guò)程中乘員的加速度更大，導(dǎo)致產(chǎn)生更大的HIC15，這與Donlon等的研究[23]類(lèi)似。

基于本文的研究結(jié)果中，可得到以下主要結(jié)論：與標(biāo)準(zhǔn)坐姿的乘員相比，離位乘員各部位損傷均不同程度增加；相比乘員下肢姿勢(shì)，乘員上肢姿勢(shì)的改變對(duì)乘員頭頸部損傷水平的影響更大；座椅靠背角度增大會(huì)增大乘員的頭頸部損傷，而降低胸部損傷風(fēng)險(xiǎn)；乘員向右偏移比向左偏移會(huì)導(dǎo)致更大的頭胸部損傷。

參 考 文 獻(xiàn)

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（責(zé)任編輯 斛 畔）

修改稿收到日期為2023年10月16日。

*基金項(xiàng)目：重慶市科學(xué)技術(shù)局重慶市博士“直通車(chē)”項(xiàng)目（CSTB2023NSCQ-BSX0011）。

【引用格式】 運(yùn)偉國(guó)， 王國(guó)杰， 何恩澤. 智能車(chē)輛典型非標(biāo)準(zhǔn)坐姿乘員正面碰撞損傷研究[J]. 汽車(chē)技術(shù)， 2024（4）： 30-39.

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