车辆偏置碰撞中乘员头部惯性伤降低研究

卢静 郑颢 欧阳俊 王玉超 刘玉云

摘 要：车辆碰撞事故中乘员头部大且持续时间长的转动加速度会造成弥散性脑损伤，NHTSA2018版征求意见稿中提出用BRIC考察这种损伤。统计了美国市场部分车型中BRIC值，评价最差的工况是90km/h OMDB工况，获得优秀评价的比例为33.33%。通过对BRIC值评价优秀车型的分析，认为驾驶员头部在侧气囊和DAB之间稳定滑过是一种较好的保护模式。为验证分析结论，首先建立了OMDB工况下的驾驶员侧模型；研究了DAB、侧气帘、转向管柱对BRIC值的影响；仿真结果表明：a）侧气帘厚度过大过小都不利于BRIC值的降低；b）DAB直径增大有利于增加保护在区域；c）DAB刚度过大过小都不利于BRIC值的降低；d）DAB拉带变长有利于BRIC值的降低；e）转向管柱的溃缩，不利于BRIC值的降低；通过上述方案优化，BRIC值可从0.89降低至0.69，降低幅度可达20%。然后基于仿真优化方案进行了滑台试验，试验结果表明，BRIC值为0.64，与预测值0.69较为接近，预测精度为92.8%。最后基于滑台验证了乘员头部与侧面气帘接触区域平整度对BRIC值的影响，侧面气帘变薄后BRIC值从0.64增加为0.84，影响显著。

关键词：US-NCAP；OMDB工况；头部转动惯性伤；BRIC值

中图分类号：U461.9 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2019）01-0053-09

Abstract： Larger and longer rotational acceleration may lead to diffuse brain injury in vehicle collisions. BRIC was used to examine the injury in the NHTSA2018 draft. According to the statistics of BRIC in some American market cars， The worst condition was OMDB， The percentage of excellent evaluations was 33.33%. By analyzing the excellent vehicle， it is considered that the stable sliding of the drivers head between side airbags and DAB is a better protection mode. In order to verify the analysis conclusion， a drivers side model of OMDB was established， and the influence of DAB， CAB and steering column on BRIC was studied. The simulation results show ： a）a larger or smaller thickness of SAB is not conductive to the reduction of BRIC； b）Increase the diameter of DAB is beneficial to increase the protection region； c）a larger or smaller stiffness of DAB is not conductive to the reduction of BRIC； d） a longer straps of DAB is conductive to the reduction of BRIC； e） the collapse of the steering column is not conductive to the reduction of BRIC. Through the above optimization scheme， the BRIC can be reduced from 0.89 to 0.69， and the reduction rate can reach 20%. Then， the above optimization scheme was tested， the results show：the BRIC value is 0.64， which is close to the predicted value of 0.69， and the prediction accuracy is 92.8%. Finally， based on the sled test， the effect of the smoothness of the contact area between the head and the side air curtain was verified. BRIC value increased from 0.64 to 0.84 after side air curtain thinning.

Key Words： US-NCAP； OMDB； rotation inertia injury of head； BRIC

2017年，中国汽车销量达到2900万量，销量全球第一；随着中国汽车工业的发展壮大，自主汽车企业不断有进军美国市场的计划；美国市场是全球汽车碰撞安全考察最为严格的市场，给自主汽车企业带来不小挑战。2015年美国发布了新车评价规程2018版（US-NCAP2018）征求意见稿[1]，将用全新的评价体系，其中首次提出考察由转动加速度会造成的弥散性脑损伤，并提出新的考核指标BRIC（Brain Injury Criterion）[2]。

数据表明[3]，头部损伤造成的死亡在交通事故中所有致死原因中占到68%；其中转动加速度过大造成的弥漫性脑损伤占到因头部损伤死亡人数的三分之一[4]。目前各国法规评价头部损伤的标准为HIC（Head Injury Criteria）[7]，該标准主要和头部质心的线性加速度有关，未考虑到旋转加速度的影响。在国外已有大量文献[5-6]研究由旋转加速度引起弥散性脑损伤；国内相关研究文晓较少。

BRIC值尚未正式纳入US-NCAP考察，国内汽车企业在该领域的关注较少；为应对未来美国法规的变化，本文首先统计了NHTSA数据库中部分车型的BRIC考察指标得分情况，总结了BRIC值表现优秀车型的设计特点；建立了OMDB工况驾驶员侧仿真分析模型，分析了正面气囊和侧面气囊在OMDB工况中对BRIC值的影响规律，提出了降低BRIC值的设计思路；并在滑台试验中对设计方案进行试验验证。研究了头部转动惯性伤的机理及并得到工程解决方案。

2 头部转动惯性伤损伤机理和考察指标BRIC

弥散性脑损伤主要和角加速度大小、持续时间以及起始角加速度运动方向有关。美国新车评价规程2018版（US-NCAP2018）征求意见稿规定BRIC值通过头部三个不同方向的角速度计算得到，表达式如公式1所示。以头部质心为原点的局部坐标系，在X、Y、Z三个不同方向角速度的参考值分别是66.25rad/s、56.45rad/s、42.87rad/s，该表达式在绕Z方向转动的考核权重要高于绕X方向转动和绕Z方向转动。在绕X、Y、Z三个不同方向的转动如图1所示，分别取三个不同方向角速度绝对值最大值进行计算[8]。

NHTSA2018版征求意见稿中给出了56FRB、OMDB、27°MDB、75°POLE四个工况中BrIC值考察的上、下限值，如表1所示。

3 NHTSA数据库中BrIC值得分情况分析

统计了NHTSA数据库中12款车型在56FRB、OMDB、MDB、POLE四个碰撞工况下的BrIC值评价情况，获得优秀评价的比例如图2所示；在56FRB工况中，评价优秀车型占比62.5%；在OMDB工况中，评价优秀车型占比33.3%；在MDB工况中驾驶员侧，评价优秀车型占比50%；在MDB工况中后排乘员侧，评价优秀车型占比33.3%；在POLE工况中，评价优秀车型占比50%。可以发现，在上述5个分析工况中，BrIC值不满足上限值要求风险最大的工况是OMDB工况和MDB工况后排乘员。

为揭示BrIC值过大原因，本文首先在OMDB工况挑选了3个BRIC值评价较好车型和3个Bric 值评价较差车型进行了对比分析。从图3～图5可以发现，3个BRIC值较差车型具备相同的特点：头部从侧气帘和气囊的缝隙中快速滑过并产生旋转，侧气帘未对头部的侧向运动提供较好支撑；从图6～图8可以发现，3个Bric值较好车型具备相同的特点：头部从侧气帘和气囊的缝隙中缓冲滑过，头部没有出现明显的旋转运动。

4 OMDB工况驾驶员BRIC值降低仿真分析

本文研究处于项目开发概念阶段，无OMDB工况试验数据，故仿真分析模型基于在50km/h100%全正面碰撞中完成对标的分析模型，通过偏置角度的设置，碰撞波形更换、假人更换建立。基础模型的对标结果如图9示；由于偏置角度、碰撞波形、假人的变化不会影响到仿真模型的精度，故认为通过该种方法搭建的OMDB工况仿真模型具有可接受的分析精度。OMDB工况仿真模型如图10所示，其中假人采用MADYMO中自带的THOR-50M假人模块，可直接输出BrIC值。

基于上述模型，本文分析了DAB直径、DAB泄气孔直径、DAB拉带长度、侧气帘厚度、转向管柱溃缩对Bric的影响；分析参数选择如表3所示，DAB直径选择650mm、680mm、710mm三种参数，DAB泄气孔直径选择20mm、30mm、40mm三种参数，DAB拉带长度选择270mm、300mm、330mm三种参数，侧气帘厚度选择100mm、150mm、200mm三种参数，转向管柱选择溃缩和不溃缩两种状态。

4.1 侧气帘厚度对Bric的影响

首先分析了侧面安全氣囊厚度对Bric值的影响；选择50mm、100mm、150mm、200mm四种不同厚度侧气帘进行仿真对比分析，计算结果如表4所示，可以发现当侧气帘厚度为50mm时，BRIC值明显高于侧气帘厚度为100mm、150mm、200mm时；侧气帘厚度为50mm时，侧气帘对乘员头部的支撑不够，而当厚度为100mm、150mm时，侧气帘可以对乘员头部形成较好的支撑；当侧气帘厚度为200mm时，BRIC值呈现增加趋势，主要原因是较厚的侧气帘会影响到乘员头部的运动路径，增加乘员头部Y方向运动强度，并造成头部绕Z方向旋转运动趋势增加。通过优化侧气帘厚度，可以让BRIC值从0.89降低到0.81，降低幅度为9%。

4.2 正面气囊直径对Bric的影响

基于侧面气囊厚度100mm，分析了正面安全气囊直径对Bric值的影响；选择了650mm、680mm、710mm三种方案进行仿真对比分析，计算结果如表5所示，可以发现随着DAB直径的增加，BRIC值呈现降低趋势；从图15、图 17可以看出，当DAB直径为650mm时，具有支撑不足的风险；当DAB直径为710mm时，可以明显增加对乘员头部的支撑。DAB直径增大，保证了乘员头部不会从缝隙中滑脱；同时DAB直径的增加会降低DAB刚度，这可以给乘员头部更好的缓冲作用。通过优化DAB直径，可以让BRIC值从0.816降低到0.773，降低幅度为5.3%。

4.3 正面气囊刚度对Bric的影响

基于侧面气囊厚度100mm，正面气囊直径710mm，分析了正面安全气囊刚度对Bric值的影响；选择了孔直径20mm、30mm、40mm三种方案进行仿真对比分析，计算结果如表6所示，可以发现随着DAB泄气孔直径的增加，BRIC值呈现先降低后增加的趋势；从图18-图20可以看出，随着DAB 泄气孔直径的增加时，刚度较小的DAB可以对乘员头部提供更好的缓冲，但当刚度过小时，会造成对乘员头部的支撑不足，由于乘员肩部受安全带约束，乘员头部会造成较大的让Y方向旋转运动，并进而造成较大的转动惯性伤。从图18可以看出，乘员颈部具有明显的向上弯曲，从图20可以看出，乘员颈部明显的向下弯曲；过大的向上弯曲和向下弯矩都会造成较大的头部绕Y方向旋转，增加BRIC值。通过DAB刚度的优化，可以让BRIC值从0.773降低到0.738，降低幅度为4.5%。

4.4 正面氣囊拉带对Bric的影响

基于侧面气囊厚度100mm，正面气囊直径710mm、泄气孔40mm，分析了正面安全气囊拉带对Bric值的影响；选择了拉带长度270mm、300mm、330mm三种方案进行仿真对比分析，计算结果如表7所示，可以发现随着DAB拉带长度的增加，BRIC值呈现先降低趋势；从图21-图23可以看出，随着DAB 拉带长度的增加时，DAB可以更早的对乘员头部提供缓冲，增加气囊的做功距离，让气囊的缓冲作用发挥更充分，进而造成较大的转动惯性伤。通过DAB拉带长度的优化，可以让BRIC值从0.747降低到0.735，降低幅度为2%。

4.5 转向管柱对Bric的影响

基于侧面气囊厚度100mm，正面气囊直径710mm、泄气孔30mm，拉带300mm，分析了转向管柱对Bric值的影响；选择了转向管柱溃缩和不溃缩两种状态进行仿真对比分析，计算结果如表8所示，可以发现转向管柱不溃缩时，BRIC值呈现降低趋势，且趋势明显；从图24-图25可以看出，转向管柱溃缩后，乘员颈部具有更大的弯曲，头部具有更大的前移量，同时乘员肩部在安全带的约束作用下不能继续前移， 故乘员头部然Y方向转动趋势更强烈，进而造成较大的转动惯性伤。与转向管柱溃缩相比，转向管柱不溃缩时，BRIC值可以从0.738降低为0.689，降低幅度为6.6%。

4.6 设计因素影响大小分析

从表9可以看出，在仿真中通过上述5个设计因素的优化分析，可以将模型中乘员BRIC值从0.89降低至0.689，减低幅度为20%；其中对BRIC值影响最大的因素依次为侧气帘厚度、转向管柱溃缩、DAB直径、泄气孔刚度、拉带长度；对BRIC值的影响幅度分别为9%、6.6%、5.3%、4.5%、2%。

5 OMDB工况驾驶侧BRIC值降低试验验证

为了验证4中仿真分析结论的准确性，基于直径 710mm、泄气孔直径30mm、拉带长度300mm的DAB，在滑台试验中进行了试验验证，试验方案见图26所示；试验结果如表10所示，试验中BRIC值为 0.64，仿真中BRIC值为0.689，仿真分析精度为92.9%，验证了仿真分析模型及优化方案的准确性。

6 接触区域平整度对BRIC值降低分析

为进一步研究OMDB工况中乘员头部与侧气帘接触区域平整度对BRIC值的影响；进一步在侧气帘与乘员头部接触区域设置了凹坑，并进行滑台试验验证。试验验证结果如表10所示；试验曲线对比见图28～图30所示，可以发现接触区域平整的气帘可以较好的降低X方向和Z方向转动角速度，降低幅度分别达到34.7%和61.9%，计算得到的Bric值从0.84降低到0.64，降低幅度为23.8%；侧气帘与乘员头部接触区域的平整度对BRIC值影响显著。

7 结论

1）美国发布了新车评价规程2018版（US-NCAP2018）征求意见稿，其中首次提出了考察由转动加速度会造成弥散性脑损伤，并提出新的考核指标BRIC（Brain Injury Criterion）；自主汽车企业有必要提前开展技术储备。

2）统计了NHTSA数据库中BRIC值得分情况，56FRB工况、OMDB工况、MDB工况、POLE工况中BRIC值获得优秀评价的比例分别为62.5%、33.3%、50%、50%；整体表现较差。分析了BRIC值评价较好车型，具有共同特点：乘员头部从侧气帘和DAB之间缓冲滑过，头部转动趋势小。

3）基于完成对标的基础模型建立了OMDB工况仿真模型，优化了DAB、CAB、转向管柱等环境件， BRIC值从0.89降低至0.69，降低幅度可达20%。对仿真中的优化方案进行了滑台试验，滑台试验中BRIC值为0.64，与仿真预测值0.69接近，仿真预测精度为92.9%。

4）基于滑台验证了乘员头部与侧面气帘接触区域平整度对BRIC值的影响，侧面气帘变薄后BRIC值增加为0.84，影响显著。

参考文献：

[1]TYLKO.S，German.A，Dalmotas. D， Bussieres. A IMPROVING SIDE IMPACT PROTECTION： RESPONSE OF THE ES-2RE AND WORLDSID IN A PROPOSED HARMONIZED POLE TEST. IRCOBI Conference Paper， September 2006.

[2] Takhounts， E.， Eppinger， R.， Campbell， J.，Tannous， R.， Power， E.， Shook， L.， “On the Development of the SIMon Finite Element Head Model.” Stapp Car Crash Journal， Vol. 47 （October 2003）， pp. 107-133.

[3] Lee J W， Yoon K H， Kang Y S， et al. Vehicle hood and bumper structure design to mitigate casualties of pedestrian accidents. In： Proc of 19th ESV Conference Washington DC， 2005.

[4] 许伟.车辆碰撞事故中头部生物力学响应和损伤机理分析：[湖南大学博士学位论文].长沙：湖南大学机械与运载工程学院，2008，16-17.

[5]Omm aya A K， Yarnell P， Hirsch A E， et al. Scaling of experimental data on cerebral concussion in sub-human primates to concussion threshold froman. In： Proc of 11th Stapp Car Crash Conference. California， USA： Society of Automotive Engineers， 1967， 73-80.

[6]Abel J M， Gennarelli T A， and Segawa H. Incidence and Severity of cerebral concussion in the rhesus monkey following sagittal plane angular acceleration. In： Proc of 22nd Stapp Car Crash Conference. Ann Arbor， Michigan， USA： Society of Automotive Engineers， 1978， 35-53.

[7]Versace J. A review of severity index. In： Proc of 15th Stapp Car Crash Conference. San Diego： Society of Automotive Engineers，1971， 771-786.

[8]Erik G. Takhounts， Matthew J. Craig， Kevin Moorhouse， Joe McFadden. Development of Brain Injury Criteria （BrIC）. Stapp Car Crash， Journal， Vol. 57 （November 2013）， pp. 243-266.