水平冲击下头排乘员损伤及保护姿势研究

解江，马士成，贺永龙，杨永攀，冯振宇，王亚锋，杨欢

1. 中国民航大学 适航学院，天津 300300 2. 民航航空器适航审定技术重点实验室，天津 300300 3. 中国飞机强度研究所 结构冲击动力学航空科技重点实验室，西安 710065

客舱内部设施在坠撞过程中和坠撞后发挥了保障乘员安全的关键作用，是民机客舱安全设计、验证的重点。在可生存事故中，除机体对乘员的保护作用外，座椅约束系统在对乘员保护方面起到尤为关键的作用[1]。适航规章对于座椅强度以及乘员损伤提出了严格的要求，CCAR 25.562(c)指出乘员的腰椎载荷、头部损伤判据(HIC)及股骨压缩载荷等不能超过规定值[2]。在航空座椅装机的适航验证中，“头排座椅”是一种典型的装机构型，头排乘员的伤害是关键的适航考查指标。头排座椅前部往往是分舱板、内饰板或者厨房、盥洗室的壁板，由于材料结构的刚度较大，如果在头排乘员碰撞包线之内，会对乘员造成严重的伤害[3]。大多数航空公司通过增大头排座椅间距的方法来避免头排座椅验证项目。FAA在咨询通告AC 25.561-1b 指出如果经济舱头排座椅间距大于42 in(1 in=2.54 cm)，就不需要进行头排座椅验证项目[4]，但这样的客舱布局会造成较大的经济损失。

头排乘员损伤评估是航空座椅装机取证的必需项目，同时也是最具有挑战和风险的试验验证项目。2012年巴西航空工业公司(Embraer)指出，在ERJ170/190新型客舱构型开发过程中，头排座椅验证项目占据了35%的费用[5]。为了降低航空座椅的研发、取证成本，FAA、工业方以及研究机构都针对头排座椅验证项目进行了大量的研究。2002年FAA的Lankarani和Mirza[6]针对波音727客舱分舱板进行参数研究，通过在蜂窝夹芯板上预置薄弱环节的形式降低分舱板刚度，从而降低头排乘员的头部伤害，设计了可以满足适航要求的吸能分舱板。美国国家航空研究所(NIAR)的Prabhu[7]借助MADYMO以及Hybrid II型假人针对头排乘员的头部伤害开展参数研究，指出隔板刚度对乘员头部伤害有直接影响，隔板刚度越大，头排乘员头部伤害越严重，但并未针对身体其他部位的伤害进行研究。此外，为了缩小试验成本和周期，提高试验的可重复性，FAA及相关科研机构研发了一系列的部件试验装置来替代全尺寸滑台试验[8]。以NIAR为头排座椅碰撞试验研发的HCT(Head Component Tester)为例，使用该试验装置进行一系列的头排座椅头部碰撞试验，同全尺寸滑台试验结果进行比较，发现在某些工况下HCT可替代全尺寸滑台试验[9]。

中国对民机乘员损伤的研究起步较晚。湖北航宇嘉泰飞机设备有限公司进行了头排座椅对前置隔板的碰撞试验，设计满足乘员头部损伤要求的前置隔板。2014年上海飞机设计研究院的张维方[10]在FAA的公开资料中分析总结出了头排乘员座椅HIC值的影响因素，对如何设计符合HIC要求的头排乘员座椅及隔板提出了建议。中国民航大学的袁鹏[11]利用MADYMO建立了精确有效的乘员伤害预测模型，并研究了中国体态假人与Hybrid III型假人的冲击响应差异性。湖南大学的林诗远[12]通过正交试验设计，研究三点式安全带的固定点位置、扶手高度等参数对民机侧向座椅乘员损伤的影响。

在飞机应急着陆或坠撞事故中，乘员就坐姿势对乘员的保护至关重要。2009年，Viano等[13]使用95百分位男性和5百分位女性假人，研究在后向座椅中假人不同就坐姿势对乘员损伤的影响。在乘员上肢体、头部和颈部不支撑或者座椅的强度超过脊柱的伸展耐受性时，乘员损伤风险明显增加。针对系有两点式约束系统的乘员，FAA在咨询通告AC 121-24C附录4中给出了建议的3种水平冲击保护姿势[14]，目前，世界各大航空公司多数采用此建议在航班上放置安全须知卡。2009年，全美航空公司1549次航班在迫降哈德逊河过程中4名采用AC 121-24C建议的保护姿势的乘员受伤，因此，美国国家运输安全委员会(NTSB)要求FAA重新评估在应急着陆情况下乘员的保护姿势。2015年，美国国家民用航空医疗研究所(CAMI)的Taylor等[15]进行了15次排与排、2次靠近舱壁座椅的全尺寸滑台冲击试验，以评估假人头部、颈部、肩部及下肢损伤情况，但未针对头排乘员的保护姿势进一步研究。

本文以试验和仿真相结合的方法，研究水平冲击下头排乘员损伤影响因素及不同保护姿势对于乘员的保护效果。首先开展全尺寸滑台试验并利用MADYMO及FAA Hybrid III型数值假人建立相应的数值模型，验证模型的有效性。基于经验验证的模型及FAA开展的前置隔板试验，进行正交试验设计，研究头排座椅间距、安全带刚度、隔板刚度、安全带固定点位置等不同因素对于乘员损伤的影响。此外，在仿真分析模型中改变FAA Hybrid III型数值假人的姿势，在相同工况下评估不同保护姿势对于乘员的保护效果。为航空座椅的适航取证、装机以及保护姿势标准的制定提供参考。

1 乘员损伤评价指标

在飞机坠毁事故中，过大的瞬时加速度和载荷是引起人体各器官损伤的直接或间接原因，使乘员直接伤亡或丧失行动能力。因此，多数人体损伤评价指标都是基于加速度或载荷所提出，目的就是限制人体的过载，也是评估人体损伤的基本出发点。乘员损伤包括的人体部位众多，涉及到航空航天、汽车、生物医学等众多领域，所以乘员损伤评价指标众多。本文选取头部、颈部、股骨、胫骨4个部位的损伤评价指标。

1.1 头部损伤评价指标

在民机坠撞事故中，头部是造成乘员伤亡的主要部位[7]。在水平冲击下，头排乘员身体随座椅一起运动，头部由于受到惯性力的作用同刚度较大的舱壁等结构发生碰撞，产生较大的瞬时加速度，对乘员造成严重伤害。目前，航空领域主要应用头部伤害判据(HIC)量化评估头部损伤，适航规章中指出HIC值不得超过1 000，HIC的定义为[16-17]：

式中：t1为得到HIC最大值过程中的初始时刻；t2为得到HIC最大值过程中的结束时刻；a(t)为头部重心处测量的加速度。

民机坠撞时乘员头部往往有过大的瞬时加速度，所以头部峰值加速度也是头部损伤的参考指标。

1.2 颈部损伤评价指标

2012年美国国家民用航空医疗研究所(CAMI)在颁布的研究报告中指出，侧向座椅乘员在水平冲击下可能会遭受较为严重的颈部损伤，现有适航规章不能达到为侧向座椅乘员提供足够的安全保护水平[18]。FAA也在推动颈部损伤判据的研究，并借鉴汽车领域相关标准应用到航空颈部损伤判据的制定中。汽车领域对颈部损伤评价体系较为成熟。基于颈椎的运动机理，颈部的受载分为弯曲、压缩、拉伸、扭转和剪切5个类型。美国汽车安全技术法规FMVSS 208中采用Nij准则用来评估作用在乘员颈部的轴向力和弯矩[19]。此准则将颈部受载模式定义为4种类型，即拉伸伸展类型、拉伸屈曲类型、压缩伸展类型和压缩屈曲类型，这些类型称为“Nij”或者NTE、NTF、NCE和NCF，其中第1个下标代表轴向载荷，第2个下标代表弯矩，限定Nij值为1，具体定义为

式中：FZ为轴向力；Fint为临界轴向力的获取值，6 940 N；MY为屈曲/伸展弯矩；Mint为临界屈曲/伸展弯矩的获取值，135.48 N·m。

1.3 股骨损伤评价指标

适航规章CCAR 25.562(c)(6)明确规定，在航空座椅进行动载荷试验时，在可能与座椅或其他构件碰撞导致腿部受伤的情况下，必须提供防护措施使每一股骨上的轴向压缩载荷不超过10 008 N。头排乘员的膝部碰到隔板时，股骨载荷增大，所以股骨峰值载荷也是头排乘员损伤的重要考察项。

1.4 胫骨损伤评价指标

联邦汽车安全技术法规FMVSS 208并未对胫骨损伤明确限定，联合国欧洲经济委员会汽车法规ECE R94及最新的中国新车评价规程C-NCAP 2018基于小腿轴向压缩力及弯矩MX、MY对小腿损伤评价指标定义为TI[20]。胫骨损伤限定值为1，具体为

TI=|MR/(MC)R|+|FZ/(FC)Z|

式中：MX为绕X轴的弯矩；MY为绕Y轴的弯矩； (MC)R为临界弯矩；FZ为Z向的轴向压缩力；(FC)Z为Z向临界压缩力。

2 水平冲击试验

基于规章CCAR 25.562(b)(2)的动载荷要求开展水平滑台冲击试验，分析在水平冲击载荷下乘员的运动轨迹、安全带载荷响应特性，同时为后续数值模型的验证提供数据支持。水平冲击试验的加载脉冲波形如图1所示，理想脉冲是等腰三角波。规章中要求滑台在t1=0.09 s时间内减速度达到G=16g，模拟在应急着陆条件下机体的减速度[4]。

图1 理想脉冲波形Fig.1 Ideal pulse

水平冲击试验采用FAA Hybrid III型50百分位男性假人、刚性座椅、两点式安全带，重复3次试验。试验在中国飞机强度研究所进行，采用ServoSledTM 2.0MN水平加速式冲击试验台系统，包括水平冲击试验台、专用照明系统、高速摄像和测试系统等设备，如图2所示，最大负载3 000 kg，最大可加载载荷峰值100g。

图2 动态冲击试验系统Fig.2 Dynamic impact test system

水平冲击试验示意图如图3所示，在滑台上利用转接板和夹具安装座椅及脚踏，按假人安放要求放置假人并系紧安全带，根据负载质量和冲击脉冲波形确定发射压力和伺服刹车压力曲线并发射滑台。同时，通过数据采集系统，采集滑台、假人、座椅和安全带的动力学数据，通过高速摄像机记录假人的运动姿势及运动学数据，电测和光测数据满足工业标准SAE J211要求[21]。共布置5台高速摄像机，右侧的2台高速摄像机用于捕捉假人关键部位运动轨迹及假人初始坐姿三维坐标。左侧布置的2台高速摄像机仅用于捕捉假人初始坐姿三维坐标。在台车上座椅的正前方布置一台高速摄像机，随滑台一起运动，用于观察假人整体姿态变化及安全带的保持情况。

通过假人身上粘贴的40个马克标来获取初始时刻假人的初始姿态以及试验过程中的运动姿态。如图4所示，马克标分为关键部位马克标、辅助马克标和非关键部位马克标。假人关键部位指头部重心、肩部、H点、膝盖、脚踝，关键部位马克标用来定位假人各个时刻的姿态。辅助马克标包括2个头部重心辅助马克标、3个H点辅助点马克标，当头部重心、H点的马克标遮挡时用来辅助捕捉其动态轨迹的。而非关键部位马克标仅用于采集物理假人初始姿势下马克标的坐标为数值假人定位参考。

图3 水平冲击试验示意图Fig.3 Schematic of horizontal impact test

图4 马克标位置及局部坐标系统Fig.4 Location of targets and local coordinate system

3 数值模型的建立与验证

3.1 水平冲击模型的建立

基于已经完成的水平冲击试验，本文采用多体动力学软件MADYMO开展研究，建立的水平冲击模型包括FAA Hybrid III型50百分位假人数值模型、约束系统、刚性座椅以及滑台。安全带是约束系统的主要组成部件，在冲击过程中有滑动、滚转等复杂运动形式，采用刚体-有限元混合建模方法。

构建安全带材料模型需要输入载荷-延伸率曲线，因此开展相应的安全带材料试验。试验在中国飞机强度研究所进行，选用Amsafe牌尼龙材质安全带，在其上截取材料试样，试样宽度为50.8 mm，标距段254 mm，两端夹持段长度均为63.5 mm，夹持段粘贴砂纸防止滑动，将两端夹持段夹于拉伸试验机上进行试验，如图5所示。根据工业标准SAE ARP 5765A中的建议[22]，织带采用6.35 mm/min的速率进行3次重复加卸载试验得到安全带的载荷-延伸率曲线。

在水平冲击模型中，安全带采用刚体-有限元混合建模方法，与假人接触区域采用二维膜单元建模，模拟安全带任意方向滑动、翻转，未接触区域采用多刚体建模，节约计算成本。安全带的主要变形材料是尼龙，具有高度的迟滞效应。在MADYMO中铰、弹簧、接触及约束系统的弹性特性都是通过各种函数定义的，这些力模型中能量的耗散可以通过迟滞模型来表示[23]，建立的安全带材料模型如图6所示。

数值假人初始坐姿显著影响其动态响应，因此，在建模中，保持数值假人与物理假人初始坐姿的一致性至关重要。如图7所示，依据物理假人关键和非关键部位的马克标及头部、颈部和胸部的轮廓的三维坐标摆放数值假人，使数值假人与物理假人初始坐姿基本一致。

图5 安全带材料试验Fig.5 Test of seatbelt material

图6 安全带材料模型Fig.6 Model for seatbelt material

图7 数值假人初始姿态Fig.7 Numerical dummy initial posture

3.2 水平冲击模型的验证

验证数值模型的有效性主要从假人运动姿势、假人关键部位运动学响应、关键部件载荷3个方面进行验证。在FAA颁布的咨询通告AC20-146A附录B中给出了3种误差评估方法[24]，以评估仿真结果和试验结果之间的相关性。2条时间历程曲线相关性的评估指标为曲线的峰值误差(GPV)、峰值时刻误差(GPT)和形状误差(S&G)。峰值误差使用式(1)计算：

(1)

式中：Peak1为参考曲线峰值；Peak2为对比曲线峰值。峰值时刻误差的计算方法类似峰值误差。

形状误差采用同时考虑幅值和相位误差的Sprague和Geers综合误差法(S&G)，计算方法如下：

(2)

(3)

(4)

式中：m(t) 为参考曲线；c(t) 为对比曲线。

幅值误差(S&G-M)定义为

(5)

相位误差(S&G-P)定义为

(6)

Sprague和Geers综合误差定义为

(7)

表1给出了试验和仿真中假人的运动姿势对比，在200 ms时，物理假人的小腿上扬角度大于数值假人，膝部位置低于数值假人。整体上，数值假人头部、四肢、躯干在不同时刻的响应姿势基本与物理假人一致。

数值假人的头部重心、膝盖、脚踝的X、Z向位移-时间历程与物理假人的对比，如图8～图10所示，在150 ms后，由于物理假人与数值假人下肢体运动的差异性，膝部和脚踝的位移曲线存在差异，但整体上曲线走势吻合性较好。

左右侧安全带加载段曲线的吻合性较好，仿真的卸载段载荷整体小于试验，如图11所示，这是因为多刚体假人依靠椭球体建立的腹部、骨盆外表面与物理假人存在一定的差异，且物理假人腹部有一定弹性。

表1 试验与仿真假人运动姿势比较Table 1 Comparison of postures of dummy between test and simulation

图8 试验与仿真头部重心位移比较Fig.8 Comparison of head centers of gravity displacement between test and simulation

图9 试验与仿真膝部位移比较Fig.9 Comparison of knee displacements between test and simulation

图10 试验与仿真脚踝位移比较Fig.10 Comparison of ankle displacements between test and simulation

图11 试验与仿真安全带载荷比较Fig.11 Comparison of seatbelt loads between test and simulation

仿真与试验的各项误差值总结如表2所示，各项误差值均在10%内，认为数值模型能够较好地反映物理现象，可以用于后续仿真分析。

表2 试验与仿真各响应项误差总结Table 2 Summary of response error between test and simulation

注：“-”表示不适用

3.3 头排座椅模型的建立

基于经验证的水平冲击模型，结合FAA对波音727前置隔板进行的静态材料试验，建立包括加卸载载荷-位移曲线、迟滞斜率的隔板材料模型。得到前置隔板的材料模型如图12[6]所示。建立的头排座椅模型如图13所示。

图12 前置隔板的材料模型[6]Fig.12 Bulkhead material model[6]

图13 头排座椅模型Fig.13 Front-row seat model

4 头排乘员损伤影响因素

4.1 正交试验设计

选定头排座椅间距、安全带刚度、隔板刚度、安全带固定点X向移动距离、安全带固定点Y向移动距离、安全带固定点Z向移动距离6个因素，研究其对头排乘员损伤的影响。如表3所示，以上6个因素对应表中C1～C6，设计6因素4水平32次试验正交表L32(46)，研究其对头部峰值加速度、HIC、颈部损伤Nij、股骨峰值载荷、胫骨损伤TI影响的显著度及趋势。正交试验设计的结果通过极差分析和方差分析显示各因素的影响大小及趋势，因素的极差越大，说明该因素对试验指标的影响越大，方差分析可识别试验误差并构造F统计量，作F检验得到P值，当P值小于0.05 时，可判断因素影响显著[25]。

表3 正交试验表Table 3 Table of orthogonal test

国内航空公司经济舱座椅装机时，常用的座椅间距是28 in(0.71 m)～34 in(0.86 m)，本文为了方便计算，近似取头排座椅间距变参范围为0.70～0.85 m，每隔0.05 m取一水平；安全带刚度、隔板刚度分别选用原刚度的0.8倍、0.9倍、1.1倍、1.2倍4个水平；安全带固定点的变化范围为0～0.087 m，每隔0.029 m选一水平。

4.2 结果分析

头部损伤指标的极差及显著度如表4所示，根据P值，头排座椅间距、隔板刚度对头部峰值加速度、HIC值影响显著，随着头排座椅间距的增大，头部峰值加速度和HIC值均减小，整体看，隔板刚度与头部峰值加速度、HIC值正相关，如图14 所示，对于安全带固定点位置，仅Z向位置对HIC值影响显著，与HIC值负相关。头部HIC值是适航规章CCAR 25.562损伤评估项，考虑低HIC值，最优组合是C14C24C31C41C53C64。

颈部损伤指标Nij分为拉伸伸展(NTE)、拉伸屈曲(NTF)、压缩伸展(NCE)和压缩屈曲(NCF)4种 类型，各因素对颈部损伤指标的影响如图15所示，对比4种Nij类型，颈部的NCE损伤值较大且部分水平的响应大于1，是因为在假人直立坐姿下，颈部损伤主要发生在头部碰撞到隔板后，此时颈部的受载方式是压缩伸展类型，如图16所示。根据表5，头排座椅间距和隔板刚度对NCE值影响显著，随头排座椅间距的增大，NCE值先增大后突变减小，随隔板刚度的增大，NCE值整体增大。考虑低NCE值，最优组合是C14C23C31C41C52C62。

表4 头部损伤显著度Table 4 Significance levels of head injury

下肢体损伤会影响乘员在事故中的应急撤离，股骨轴向载荷也是规章明确要求的损伤评估项。如表6所示，头排座椅间距对胫骨TI值影响显著，头排座椅间距与胫骨TI正相关，与股骨峰值载荷负相关。如图17所示，因为在碰撞隔板时，股骨的轴向载荷主要由膝盖传递，小腿先接触隔板后减弱膝盖的载荷，进而减弱股骨载荷，也是股骨轴向峰值载荷对6个因素均不敏感原因之一。股骨轴向峰值载荷远小于规章限定值10 008 N，所以考虑低TI值，最优组合是C11C22-C34C42C53C62。

图14 各因素对头部损伤指标的影响Fig.14 Influence of different factors on head injury

图15 各因素对颈部损伤指标的影响Fig.15 Influence of different factors on neck injury

图16 头部碰到隔板后颈部的受载模式Fig.16 Neck loading mode when head struck bulkhead

表5 颈部损伤显著度Table 5 Significance levels of neck injury

表6 下肢体损伤显著度Table 6 Significance levels of lower torso injury

图17 各因素对下肢体损伤指标的影响Fig.17 Influence of different factors on lower torso injury

5 头排乘员保护姿势

5.1 模型建立

基于建立的头排乘员模型，通过调整FAA Hybrid III型数值假人身体各部位的姿态，建立如表7所示的3种姿势。在这3种姿势中，直立式为正常情况下乘员的姿态，抱脚式、手顶式为应急着陆条件下的保护姿势。本文针对以上3种姿势，采用典型的头排座椅适航取证间距，为0.81 6 m(32 in)[7]，考察不同保护姿势对乘员损伤的影响，损伤指标包括头部HIC、头部峰值加速度、颈部Nij、股骨峰值载荷、胫骨TI。

表7 不同姿势下假人的动态响应Table 7 Dynamic response of dummy with different postures

5.2 运动姿态分析

乘员在不同姿势下的动态响应如表7所示。直立式为全尺寸滑台试验中假人的摆放姿势，假人上躯干保持直立，两手放于膝盖之上。在水平冲击下，假人下躯干在约束系统的作用下同滑台及座椅一起运动，假人上躯干由于受到惯性力的作用前倾，手臂先同前置隔板发生碰撞并回弹，随后头部与隔板发生碰撞。假人脚部在水平冲击下向前滑动，同前置隔板发生碰撞，但假人膝部及大腿未与隔板发生碰撞。

抱脚式假人上躯干前倾，胸部与大腿接触，假人头部同前置隔板之间留有一定空间，手臂下垂同脚部接触。在水平冲击下，假人臀部与椅盆之间发生相对滑动，假人整体向前移动直至头部与前置隔板发生碰撞，颈部受到较大轴向压缩。假人脚部在水平冲击下向前滑动，同前置隔板发生碰撞，但假人膝部及大腿未与隔板发生碰撞。

手顶式假人上躯干前倾，手臂向上扬起与前置隔板接触，假人头部同前置隔板之间留有一定空间。在水平冲击下，虽然手臂对前置隔板施加了一定载荷，但由于隔板固定，手臂并未推动隔板向前运动，假人头部在惯性力的作用下与隔板发生碰撞。假人脚部在水平冲击下向前滑动，同前置隔板发生碰撞，但假人膝部及大腿未与隔板发生碰撞。不同姿势下假人身体各部位的损伤值总结如图18所示。

注：图中HIC、头部峰值加速度的所标数值均为原数值的1/1 000，股骨峰值载荷的所标数值为原数值的1/10 000图18 不同姿势下假人的损伤值Fig.18 Injury of dummy in different postures

5.3 头部损伤分析

头部损伤是乘员损伤评估的首要指标。在乘员头部质量及头部碰撞角度相同的情况下，头部碰撞速度越大，动能越大，头部伤害也就越大[26]。不同姿势的头部HIC、峰值加速度及头部碰撞速度等参数总结如表8所示，不同姿势下假人头部加速度-时间历程曲线如图19所示。很明显，在正常直立式坐姿下，假人的HIC远远大于1 000，后2种保护姿势的头部HIC、峰值加速度均大幅降低，远远小于1 000，其中抱脚式姿势的头部碰撞速度最小，头部HIC、头部峰值加速度最低，对乘员头部的保护效果最佳。

设计如表9所示的仿真模型，研究在采用抱脚式保护姿势下不同头排座椅间距对于乘员头部损伤的影响。模型1、2、3、4中头排座椅间距分别为28、30、32、34 in。仿真结果总结如表10所示。在相同姿势下，头部碰撞角度相同，随着假人头部与隔板的间距增大，头部碰撞速度增加，头部损伤增加。因此，若水平冲击下采取该保护姿势，头部与隔板之间的距离越小，乘员头部伤害越小。

表8 不同姿势下的假人头部伤害Table 8 Head injury of dummy with different postures

图19 不同姿势下假人头部加速度-时间曲线Fig.19 Head acceleration-time curves of dummy with different postures

表9 不同头排座椅间距下假人的动态响应Table 9 Dynamic response of dummy with different seat setback distances

续表

表10 不同头排座椅间距下假人的头部伤害Table 10 Head injury of dummy with different seat setback distances

5.4 下肢体损伤分析

下肢体的损伤在飞机坠撞事故中会影响人员的撤离，也会降低乘员的二次生还几率。对于股骨轴向峰值载荷规章CCAR 25.562限定为10 008 N，不同姿势下乘员的股骨峰值载荷及胫骨TI值总结如表11所示。在水平冲击下，由于脚部与前置隔板的碰撞阻碍了下肢体的运动，导致乘员腿部未与前置隔板发生碰撞，因此乘员股骨峰值载荷均远小于限定值，胫骨TI值也均远远小于1，说明3种姿势的下肢体损伤均远远小于限定值。

表11 不同姿势下假人的下肢体伤害Table 11 Lower torso injury of dummy with different postures

5.5 颈部损伤分析

在3种姿势下，假人颈部的受载模式不同，因此，综合考察颈部Nij的拉伸伸展类型NTE、拉伸屈曲类型NTF、压缩伸展类型NCE和压缩屈曲类型NCF共4种指标。3种姿势的4种颈部损伤指标如表12所示，直立式姿势的Nij的最大指标NCE值为1.14，抱脚式姿势的Nij的最大指标NCF值为1.69，手顶式姿势的Nij的最大指标NCF值为1.52，3种姿势Nij的最大指标均大于1。

对乘员头部保护效果最好的抱脚式保护姿势的颈部损伤压缩屈曲类型NCF超限。在美国国家民用航空医疗研究所进行的头排座椅乘员保护姿势研究中，采用抱脚式保护姿势的头排乘员颈部损伤也超限，主要是因为在水平冲击下，假人颈部以下身体部位受到惯性力的作用向前移动，头部与隔板发生碰撞后无可移动空间，此时假人颈部承受较大的轴向压缩并产生颈部屈曲现象，如图20所示。

针对抱脚式保护姿势颈部损伤超限问题，研究在该姿势下不同的颈部角度对颈部损伤的影响，建立颈部角度为-30°、-15°、0°、15°、30°共5组模型，如表13所示，规定头部后仰时颈部角度为负，头部前倾时颈部角度为正。

表12 不同姿势下的假人头部伤害Table 12 Neck injury of dummy with different postures

图20 抱脚式下颈部受载模式Fig.20 Neck loading mode with “hand-hold-feet” posture

表13 不同颈部角度下假人的动态响应Table 13 Dynamic response of dummy with different neck angles

仿真结果总结见表14，很明显，当颈部角度为负(头部后仰)时，Nij值大于1，当颈部角度为正(头部前倾)时，假人颈部损伤减小，且头部前倾30°时，假人颈部损伤指标均小于限定值，因此在水平冲击下采用头部前倾的抱脚式姿势可以较好地保护乘员颈部。

采用头部前倾(以30°为例)的抱脚式保护姿势乘员身体其他部位损伤如图21所示，假人身体各部位损伤均小于限定值，因此建议头排乘员在水平冲击下采用头部前倾的抱脚式保护姿势。

表14 不同颈部角度下假人的颈部损伤Table 14 Neck injury of dummy with different neck angles

注：图中HIC、头部峰值加速度的所标数值均为原数值的1/1 000，股骨峰值载荷的所标数值为原数值的1/10 000图21 头部前倾抱脚式与其他姿势假人的损伤值对比Fig.21 Comparison of injury of dummy between hand-hold-feet posture with head forward and other postures

6 结 论

本文采用试验与仿真相结合的方法，对水平冲击下头排乘员损伤及保护开展研究。基于经验证的航空假人/座椅约束系统模型及FAA开展的前置隔板材料试验，采用正交试验设计方法，识别影响头排乘员损伤的显著因素，研究不同保护姿势对于乘员的保护效果，得到以下结论：

1) 在直立式坐姿下，股骨损伤远小于限定值，颈部的受载方式是压缩伸展类型，头排座椅间距对头部峰值加速度、HIC值、TI值影响显著，头排座椅间距与头部损伤负相关，与胫骨损伤正相关，隔板刚度对头部峰值加速度、HIC值影响显著，隔板刚度与头部损伤正相关。头排乘员头部、颈部、股骨、胫骨损伤对安全带材料特性及安全带固定点位置不敏感。

2) 试验用仿生假人及仿真用数值假人能代表真实乘员的体格、质量以及质量分布等特征，但并不包含如肌肉、器官等人体细节，在仿真模型中也并未考虑乘员肌肉发力等预加载动作，仅考察不同姿势下乘员的动态响应。同直立式姿势相比，抱脚式、手顶式2种保护姿势均能大幅降低HIC值，2种姿势对乘员头部均有较好的保护效果。在抱脚式保护姿势下，随着乘员头部与隔板的间距减小，头部碰撞速度减小，乘员头部损伤降低。

3) 直立式、抱脚式以及手顶式3种姿势的颈部损伤均超过限定值。头部前倾的抱脚式姿势对乘员颈部有较好的保护效果，且头部损伤、下肢体损伤均小于限定值。因此建议头排乘员在水平冲击下采用头部前倾的抱脚式保护姿势。