乘员下潜倾向判断准则的研究*

唐 亮，刘晋浩，程朋乐，周 青，王青春

(1.北京林业大学工学院，北京 100083; 2.清华大学，汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084)

前言

安全带的使用大大降低了乘员在碰撞事故中的伤亡［1］。安全带正确的作用位置为乘员的肩部、胸部和髋部。但若在碰撞过程中乘员安全带的腰带滑离乘员的髋骨，直接作用于腹部和内脏器官;安全带的肩带滑离并直接作用于乘员的颈部等，这种现象称为下潜［2－3］。下潜是碰撞事故中非常危险的一种现象，可能对乘员造成严重的伤害。

现有关于下潜的研究主要分为3类:(1)下潜的定义和表征［4－7］;(2)下潜的测量［8－10］;(3)下潜的预防［11－13］。虽然对下潜发生的判断比较清楚，但实际上，不同工况下发生下潜的可能性或倾向并不相同，目前关于乘员下潜倾向判断准则的研究较少。

据此，作者在前期关于乘员下潜机理的理论研究中初步提出了几个乘员下潜倾向的判断准则［14－15］。本文中进一步分析和完善了其中两个较为合理有效的准则，并将其中一个应用到安全带腰带走向对下潜倾向的影响分析中。首先，基于安全带腰带与骨盆间的相对运动理论提出了两个能有效判断正面碰撞中下潜倾向的准则;然后，采用混III 5百分位女性假人正面碰撞的有限元模型对下潜倾向判断准则进行了验证;最后，应用所验证的下潜判断准则，评估安全带腰带水平角度对乘员下潜倾向的影响。

1 下潜倾向判断准则

提出两个下潜倾向的判断准则:(1)安全带腰带在骨盆上的相对位置(lap belt position on pelvis，LBOP);(2)髂骨传感器的力矩与力的比值(iliac wing moment-to-force ratio，IMFR)，以量化下潜倾向，进行乘员约束系统参数的优化计算或敏感性分析，从而指导乘员约束系统的防下潜设计。

1.1 安全带腰带在骨盆上的相对位置

图1为美国第一技术公司(FTSS)开发的混III 5百分位女性假人髋部有限元模型的侧视图［16］，其中p表示髂骨支撑的髋部皮肤的高度，也可近似作为大腿到腹部的距离，q表示髂骨传感器的高度。对于混III 5百分位女性假人，p和q的值分别为40和50mm;对于混III 50百分位男性假人，分别为76.3和95.3mm。由于小身材的假人更容易发生下潜［2］，本文中选择5百分位女性假人为研究对象。

定义ΔL为安全带织带的下端到大腿的距离，如图2所示。在碰撞过程中，当ΔL＞p时，表明安全带腰带已经完全滑离骨盆，直接作用在腹部软组织上，即发生了下潜。当腰带尚未完全滑离骨盆，ΔL的数值也可以作为衡量下潜倾向的参数，即ΔL值越大，下潜的倾向也越大。

为方便不同尺寸假人之间的比较，前面已定义一个无量纲参数LBOP指标来判断下潜的倾向和下潜的发生，即

式中:LBOPL和LBOPR分别为乘员左侧和右侧的下潜倾向判断指标。作为下潜倾向的衡量指标，如果LBOP值的变化范围在－1～0之间，则有LBOP值越大，下潜倾向越大;如果LBOP大于或等于0表明下潜已经发生。

1.2 髂骨传感器的力矩与力的比值

在碰撞试验中，安全带相对于骨盆的瞬时位置可能难以测得，但通过髂骨力传感器输出的安全带作用下的瞬时力与力矩，可间接估算得到安全带相对于骨盆的位置。

混III 5百分位女性假人髂骨左右两翼的传感器，如图3所示，可分别测量髂骨左右两翼的力FL、FR与力矩ML、MR(只考虑安全带腰带对髂骨的作用力，其余可能作用于髂骨的力和力矩可以忽略不计)。力和力矩的正方向定义见图3。安全带相对于髂骨两翼的位置可用前面已定义的IMFR来表示，即

式中:IMFRL和IMFRR分别为髂骨左翼和右翼传感器的力矩与力的比值。为使IMFR指标与LBOP指标对下潜倾向的判断一致，在式(2)的定义中添加了一个负号，可以使IMFR值越大，下潜倾向越大。若IMFR为正值，则表示安全带在相对应的髂骨传感器中轴线的上方;若IMFR为负值，则表示在该中轴线的下方。IMFR判断指标与LBOP判断指标的关系为

IMFR值反映了安全带相对于髂骨传感器中轴线的位置。作为下潜倾向的判断指标，对于混III 5百分位女性假人，IMFR值应在－15～25mm之间。当IMFR值大于q/2时，表明下潜已经发生。例如，对于混III 5百分位女性假人，当IMFR＞25mm时，下潜发生。

2 下潜倾向判断准则的验证

在LS-DYNA平台上，用混III 5百分位女性假人进行了48km/h台车正面碰撞试验的有限元模拟，来验证LBOP和IMFR下潜倾向判断准则的有效性。台车碰撞加速度波形的时间历程曲线如图4所示。乘员约束系统的设置均满足FMVSS法规的要求［17］。安全带与假人之间的间隙定义为100mm，其中肩带间隙为70mm，腰带间隙为30mm。为表述方便，定义此模型为基准模型。

在基准模型中，将座椅靠背角度δ设置为25°，座椅椅垫角度α设置为10°，安全带与碰撞假人间的滑动摩擦因数设置为0.3(记之为:Back_25°模型)，模型的初始构型如图5所示。Back_25°模型的碰撞模拟动画如图6所示，在整个碰撞过程中，安全带腰带始终作用在骨盆上，没有发生下潜。

在Back_25°模型的基础上设置并运算另外两个模型，一个模型在安全带锁扣端加装预紧器(记之为:BucklePre_25°)，另一个模型在安全带锚点端加装预紧器和安全带单向锁止器(记之为:AnchorPre_25°)。通常情况下，安全带被锁扣划分为肩带和腰带部分，安全带肩带和腰带可以在锁扣处双向窜动。单向锁止器允许安全带腰带滑向肩带，阻止安全带的肩带滑向腰带。两个模型中的安全带预紧器的最大预紧行程均定义为50mm，预紧器的触发时间定义为碰撞发生后的10ms。

图7和图8分别为 BucklePre_25°模型和AnchorPre_25°模型在碰撞过程中的模拟动画。由图可见，BucklePre_25°和 AnchorPre_25°两个模型在碰撞过程中都没有发生下潜现象。使用锁扣预紧器可以很快地在碰撞初始时刻消除安全带与假人之间的间隙，从而提供更有效的骨盆约束力，以减小下潜倾向;使用锚点预紧器和单向锁止器可以更大程度地减小下潜倾向，锚点预紧器消除了腰带和假人骨盆之间的间隙，同时安全带单向锁止器可在整个碰撞过程中有效阻止安全带肩带进入腰带部分，防止增加腰带与假人之间的间隙。这些措施都可为假人骨盆提供有效的约束力，从而减小下潜的倾向。

下面分别用上述3个模型评价LBOP和IMFR准则预测下潜倾向的有效性。

2.1 LBOP准则的验证

计算仿真可以输出安全带腰带在骨盆上的滑动距离ΔL，由式(1)计算得到对应的LBOP值，表1列出了LBOP峰值。3个模型的LBOP峰值均为负，根据LBOP下潜判断准则可以得出下潜均未发生;进而根据LBOP值列出3个模型的下潜倾向的排序。

表1 LBOP峰值

2.2 IMFR准则的验证

计算仿真可以输出髂骨两翼的力和力矩，表2列出IMFR峰值，由式(2)计算得到3个模型的IMFRL和IMFRR时间历程曲线，如图9所示。在碰撞初期和末期，髂骨受到的力和力矩接近零，按式(2)作除法运算会有较大误差，因此IMFR曲线的计算只包含了髂骨力和力矩相对较大的时间段，对于48km/h的正面碰撞，这个时间段为60－100ms。

表2 IMFR峰值

根据IMFR准则可知:(1)3个模型的IMFR值均小于25mm，可以判断这3个工况都没有发生下潜;(2)对于 AnchorPre_25°模型，由于 IMFR值为负，可以判断安全带腰带处于髂骨传感器中轴线的下方，即下潜倾向较小;(3)对于 Back_25°和BucklePre_25°模型，由于IMFR值为正，可以判断安全带腰带处于髋骨两翼传感器中轴的上方，即下潜倾向较大。

可见IMFR准则与LBOP准则预测的下潜倾向一致。

3 下潜倾向判断准则的应用

在台车碰撞有限元基准模型基础上，对比了安全带地板固定点分别在A、B、C 3处时的下潜倾向，如图10所示。计算模拟中椅背角度δ=30°，椅垫角 度 α =10°。 按 照MVSS210 法 规 规 定［18］，在地板固定点处安全带走向的水平角β应为30°～75°。图 10中安全带地板固定点A、B、C分别对应的安全带水平角β为 73°、52°、45°，均 在MVSS 210法规规定的范围内。

针对不同的安全带地板固定点的工况进行碰撞模拟，表3列出这3种工况下表征乘员下潜倾向的参数值，3个工况的LBOP时间历程曲线如图11所示。当 β 为45°时，LBOPL和 LBOPR峰值大于0，基于LBOP准则可知，此工况发生了下潜;当β为73°和52°时，LBOPL和 LBOPR峰值小于 0，即没有发生下潜现象;同时，随着β的增大，LBOPL和LBOPR减小，根据LBOP下潜倾向判断准则可以得出，β越大，下潜倾向越小。

表3 不同β角的下潜参数和下潜判断

3个工况的碰撞模拟动画如图12所示。由图可见:β为73°和52°时，在碰撞过程中下潜没有发生;β为45°时，在85ms时，安全带腰带侵入腹部，即下潜发生。碰撞模拟动画进一步验证了LBOP指标对下潜倾向的判断。

从力学机理上进一步分析，安全带腰带与水平方向角度对乘员下潜倾向的影响实际上可以归结于安全带张力对髋部力矩的影响。髋部力矩理论［10］表明，假人髋部的逆时针转动(按图10的视角)的倾向可以降低假人的下潜倾向。作用于髋部质心处的合力矩主要由以下几个力和力矩贡献:安全带腰带张力、假人上体在腰椎处对髋部产生的力和力矩、座椅坐垫对髋部的垂直和水平作用力、大腿给髋部的作用力等。其中安全带腰带张力对髋部产生力矩的方向(顺时针还是逆时针)取决于腰带的角度β。当β较大时(如图10中固定点A位置)，腰带的走向通过髋部质心的下方，腰带张力对髋部产生逆时针方向的力矩，可降低假人的下潜倾向;当β较小时(如图10中固定点C位置)，腰带的走向通过髋部质心的上方，腰带张力对髋部产生顺时针力矩，增加假人的下潜倾向。综上所述，下潜判断准则的预测结果与下潜产生的力学机理分析结果一致。

4 结论

在乘员约束系统设计中须考虑如何避免乘员下潜的发生。判断下潜发生与否只须判断安全带腰带是否完全滑离髋部并侵入腹部，但是，在下潜不发生的情况下，不同的约束系统设计和在不同碰撞工况下发生下潜的倾向不同。判断发生下潜的倾向需要一个量化的指标和准则。本文中提出了两个判断下潜倾向的准则，即LBOP准则和IMFR准则，并用台车正面碰撞的有限元模型验证了这两个准则的有效性。最后应用LBOP准则，评估了安全带腰带水平角度对乘员下潜倾向的影响，结果表明，随着安全带腰带与水平方向夹角的增大，下潜倾向会降低。

仿真验证所建立的下潜倾向判断准则合理有效，有助于进一步研究下潜发生的机理和设计防止下潜的乘员保护措施。本文中分析了安全带固定点位置对乘员下潜倾向的影响，除此以外，座椅靠背角度和坐垫角度对下潜和下潜倾向亦有很大影响。这些约束系统参数对乘员下潜倾向的影响，均可以应用LBOP和IMFR准则进行分析和优化，这也是后续要开展的研究工作。

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