基于侧面碰撞的远端乘员头部伤害及轨迹分析

栗 国，董文楷，方 锐，周 斌，于文灏

(1. 中汽研(天津)汽车工程研究院有限公司 天津300300；2. 中汽研(常州)汽车工程研究院有限公司 江苏常州213000)

European New Car Assessment Program(Euro-NCAP)作为全球最权威的汽车安全机构之一，长期引领着汽车安全研究的发展方向。Far Side 项目于2015年启动，2018年相关法规开始实施，2020年全面实行。国外的统计表明，远端乘员受伤在所有侧面碰撞中受伤比例在30%，而在受到AIS 3+[1]的伤害中占 40%。然而作为侧面碰撞极其重要的一环，Far Side却没有得到汽车安全界足够的重视，国内对 Far Side碰撞工况的研究还处于空白，而国外机构也只是通过试验来验证影响远端乘员伤害的关键因素。

在传统侧面碰撞研究中，碰撞侧的乘员受到的伤害主要为车门及B柱侵入对乘员头部、胸部、腹部和臀部造成的伤害。但是在Far Side侧面碰撞中，远端乘员受到的伤害机理有所不同，当车辆受到侧面撞击时，远端乘员的身体由于惯性作用会向撞击侧倾倒，腰、腹部及腿部会首先受到车辆内饰物和中控台的冲击。随着身体继续倾倒，头部会向下甩出，到最低点后再反弹，对头部及颈部造成二次伤害。本文针对Far Side碰撞中的此现象进行验证，并采用TEAM软件对实验视频进行了分析。

1 EuroNCAPFarSide试验介绍

1.1 波形选取及验证

为研究实际工况中远端乘员保护情况，Far Side曲线采用实际碰撞中AE-MDB及柱碰的B柱加速度曲线，碰撞角度采用 75°偏置碰撞。为保证试验结果具备比对性，对原始加速度乘以系数 1.035，保证 Far Side碰撞曲线在相同参考系下 X向加速度的一致性见图1。

为进一步验证曲线的有效性，需对曲线的严苛程度进行评估，保证Far Side实验曲线和原始数据一致或更为严苛。采用积分差值方式对Far Side曲线有效性进行评估。某车型曲线验证数据如图2、图3。

图1 Far Side碰撞方向及加速度处理示意图[2]Fig.1 Processing diagram of impact direction and acceleration[2]

图2 Far Side DV验证曲线Fig.2 Validation curve of DV

图3 Far Side DX验证曲线Fig.3 Validation curve of DX

1.2 相机及假人的布置

为记录试验数据，需要对相机进行布置，共采用8台相机进行数据记录，包括 6台车载相机，2台地面相机，见图 4。车载相机分别对应：副驾最大侵入量，副驾座椅中线，副驾座椅靠近主驾 250mm，假人正面，副驾俯视，主驾侧视。地面相机分别对应：正对台面，正对车身。

假人采用WorldSID 50th传感器通道应具备：头部三向加速度及角速度传感器，上颈部三向力及力矩传感器，肩部三向力传感器，肩肋位移及角度传感器，胸腔上肋骨位移及角度传感器，胸腔中肋骨位移及角度传感器，胸腔下肋骨位移及角度传感器，胸腔温度，腹腔上肋骨位移及角度传感器，腹腔下肋骨位移及角度传感器，脊柱三向加速度、三向力及三向力矩传感器，骨盆三向加速度及力传感器。

图4 Far Side相机布置图[2]Fig.4 Arrangement of camera[2]

对假人按不同部位进行涂色，包括头部重心、头部中线、上头部易撞区、臂部中线、胸腔及腹腔肋骨、头部正面重心。涂色后如图5所示。

图5 Far Side假人涂色图[2]Fig.5 Painting of dummy[2]

2 Far Side损伤生物力学分析

图 6展示了由 NASS/CDS统计的美国在 Far Side侧面碰撞中，身体各部位的受伤情况，头部受伤概率最高，其次是四肢及胸部。而保障Far Side侧面碰撞中远端乘员安全的重要途径就是对远端乘员的头部和胸腹部进行保护。

图6 Far Side人体各部位伤害分布[3]Fig.6 Injury distribution of all parts of human body[3]

2.1 Far Side头部损伤机理

在Far Side侧面碰撞中，伤害的产生是瞬间发生的。在碰撞过程中，头部可能直接与乘员舱内的部件发生接触导致颅骨变形骨折，造成大脑挫伤，脑膜血肿等大脑局部损伤。同时，快速变化的接触载荷会产生应力波，在碰撞侧及对侧产生压力差，造成脑组织间的局灶性擦伤和损伤。在此过程中，头部主要受到头部加速度的影响，包括平移加速度及旋转加速度：平移加速度会对脑组织产生拉应力和压应力，导致硬脑膜血肿之类的脑损伤；旋转加速度会对脑组织产生张力和剪切力。由此对颅骨产生动脉撕裂之类的脑损伤[4-6]，而在头部伤害来源中，主要来源是内饰件，见图7。

图7 Far Side头部伤害来源[7]Fig.7 Source of head injury[7]

2.2 Far Side胸部损伤机理

图8 Far Side胸部伤害来源[7]Fig.8 Source of chest injury[7]

在Far Side侧面碰撞中，胸部在碰撞冲击作用下受到压缩。胸骨、肋骨等器官产生变形，当胸部变形超过极限值后，会造成胸部肋骨骨折，内部组织器官产生严重损伤。在此过程中，胸部主要受到座椅及靠背、安全带及锁扣、内饰件的伤害，见图8。

3 Far Side头部伤害及运动轨迹分析

上一章节初步分析了在 Far Side中假人损伤的机理，现通过进一步试验数据分析，对头部伤害进行研究，分析伤害组成。

3.1 某车型的头部平移加速度伤害分析

WorldSID假人头部装有三向加速度传感器用于评估假人的拉应力及压应力。原始曲线数据比较粗糙，对波形进行滤波后再进行处理分析。

3.1.1 X向头部伤害分析

从图 9分析可知，在车身坐标系下，假人的头部由于惯性产生向挡风玻璃方向的加速度(0～60ms)，当运动到安全带介入后，安全带勒住胸部，由于头胸相互作用，头部产生头枕方向加速度(60～125ms)，随后安全带滑落，假人由于相对运动继续向挡风玻璃方向受力(125～150ms)，最后假人腹部碰撞到中控台，身躯停止移动，由于头胸相互作用，头部也产生停止运动趋势，受到头枕方向的力。

图9 Far Side某车型头部X向加速度Fig.9 X-direction acceleration of head

在此方向中，头部加速度最大为 2.26gn。由此可知，在 Far Side碰撞中，头部受到 X向的力较少，不会产生严重的损伤。

3.1.2 Y向头部伤害分析

从图 10分析可知，在车身坐标系下，假人的头部由于惯性产生保持原始位置的加速度(0～75ms)，当假人由下部传递到上部后，头部产生副驾驶侧方向加速度(75～250ms)，最后假人腹部碰撞到中控台，身躯停止移动，由于头胸相互作用，头部也产生停止运动趋势，受到头枕方向的力(250～350ms)。

在此方向中，头部加速度最大为 12.80gn。由此可知，在 Far Side碰撞中，头部受到 Y向的力较大，很可能产生损伤。

图10 Far Side某车型头部Y向加速度Fig.10 Y-direction acceleration of head

3.1.3 Z向头部伤害分析

从图 11分析可知，在车身坐标系下，假人的头部由于惯性产生保持原始位置(0～60ms)，当假人由下部传递到上部后，头部产生向下的加速度(75～350ms)，最后身躯停止移动，由于头胸相互作用，头部也产生停止运动趋势。

图11 Far Side某车型头部Z向加速度Fig.11 Z-direction acceleration of head

在此方向中，头部加速度最大为 36.49gn。由此可知，在 Far Side碰撞中，头部受到 Z向的力最大，是产生头部损伤的主要来源。

3.1.4 头部总体伤害分析

对三向加速度进行合成及分析，采用头部 HIC值进行评估。

计算得出：

HIC高性能值在 500以下，低性能值在 700以上。可以看出此车型头部HIC值较低，乘员头部受伤程度较轻。

3.2 某车型的头部旋转加速度伤害分析

WorldSID假人头部装有三向角速度传感器用于评估假人的张力及剪切力。原始曲线数据比较粗糙，对波形进行滤波后再进行处理分析。

3.2.1 RX向头部伤害分析

结合图 12进行分析，头部首先与胸部一起运动(0～75ms)，当胸部受到中控台的阻碍停止时，头部由于惯性，产生滑动，会继续向前(风挡玻璃方向)甩动，与胸部发生相对错动，产生较大的剪切力，由于没有中控台气囊进行保护，头部产生转动，产生向前的剪切力(75～350ms)。

图12 Far Side某车型头部RX向加速度Fig.12 RX-direction acceleration of head

在此方向中，头部最大角速度为739.22deg/s。在侧面碰撞此方向的剪切力不大，假人伤害程度不高。

3.2.2 RY向头部伤害分析

从图 13进行分析，头部首先与胸部一起转动(0～85ms)，当胸部受到中控台的阻碍停止时，头部继续甩动，与胸部发生相对错动，产生较大的剪切力，由于没有中控台气囊进行保护，头部产生较大转动，视觉上产生折弯效果。在此过程中，头部会有2次明显的伤害：首先是由于惯性的头部与胸部相对位移，头部向门板方向的伤害，然后是胸部受到中控台阻碍后，头部向中控台方向的折弯伤害，且第二次伤害明显高于第一次的伤害(85～350ms)。53347.21deg/s，第二次伤害的最大角速度达到182542deg/s。在远端乘员保护中，RY向的剪切力和张力明显最大，是乘员受到严重伤害的主要原因。

图13 Far Side某车型头部RY向加速度Fig.13 RY-direction acceleration of head

3.2.3 RZ向头部伤害分析

结合图 14进行分析，在此过程中，头部运动由于惯性先向天窗方向产生一个张力(0～110ms)，由于头胸关系，头部随后伴着胸部向地板方向运动，产生向下的剪切力(110～165ms)，当头部运动到最下方时，产生反弹，又受到向上的张力作用(165～350ms)。在整个运动中，头部会受到 3次伤害，其中第2次伤害程度最高，第1次伤害及第3次伤害程度次之。

图14 Far Side某车型头部RZ向加速度Fig.14 RZ-direction acceleration of head

在此方向上，3次伤害的最大角速度依次为501.042、655.199、195deg/s。在此侧面碰撞中该方向的剪切力并不大，不是假人受到严重伤害的主要原因。

3.3 某车型的头部总体伤害分析

根据以上分析，在侧面碰撞远端乘员保护中，头部主要伤害为RY的剪切力及张力，其次是Z方向的头部的拉应力及压应力，而且 RY方向的剪切力及张力远远高于其他方向的剪切力及张力。为防止此种伤害，可以在中控台上方加入安全气囊，以此来保护乘员头部，防止头部的折弯及Z向坠落。

4 Far Side头部运动轨迹分析

为进一步验证头部伤害情况及头部运动趋势，与已有数据进行对比，分析头部伤害情况。采用 TEMA软件对试验视频进行分析，头部运动轨迹如图15。

首先运行TEMA Automotive软件中的图像处理模块，设置轨迹跟踪点(头部重心点)，下一步对头部运动轨迹进行校准，保证跟踪点尽可能精确地与实际情况相符合。

结合运动轨迹及头部加速度曲线对头部伤害情况进行更深入的分析，分析头部运动趋势及汽车各部件对头部伤害的影响。

图15 Far Side某车型头部运动曲线[2]Fig.15 Head motion curve of a car type[2]

在此录像中，可以明显看出，在侧面碰撞中远端乘员伤害主要是中控台与肋骨的撞击产生的受伤以及头部剧烈甩动造成的。在头部甩动过程中，很有可能与其他脱落的内饰件接触，产生二次伤害。

5 结论与展望

本文围绕Euro-NCAP Far Side试验中头部伤害情况，对某车型的试验数据进行研究分析，初步判断产生此现象的原因，然后基于视频轨迹跟踪技术对试验数据进一步分析处理，验证了产生头部伤害的原因是 RY的剪切力及张力、Z方向的头部的拉应力及压应力。假人头部在侧面碰撞中会产生极大的甩动，产生较大的伤害。针对此现象可以看出，若有中控气囊对假人头部进行保护，可以很大程度上减轻头部甩动导致的伤害。

另一方面，本文的结论不具备唯一性，可能还有其他方面的原因导致侧面碰撞中远端乘员的头部伤害，还需要不断地积累相关的工程经验，继续探索完善造成此现象的其他原因。

此外，本文结论对研究侧面碰撞中远端乘员伤害具有现实的工程指导意义：为侧面保护中远端乘员保护提供数据分析，为提升远端乘员安全提供了一种思路。