基于座椅动态试验的客车正面碰撞乘员损伤机理分析

巩建强，张国振，高轶男，刘 佳，李进军，潘玉明

(1. 交通运输部 公路科学研究院，北京 100088； 2. 工业和信息化部 装备工业发展中心，北京 100846；3. 重庆车辆检测研究院有限公司 国家客车质量监督检验中心，重庆 401122；4. 国家机动车产品质量监督检验中心(上海)， 上海 201805； 5. 中国人民解放军32379部队，北京 100072)

0 引 言

客车正面碰撞是损害后果最为严重的事故形态之一，由于客车质量和外形尺寸较大，发生正面碰撞时会产生巨大能量，致使乘员损伤风险较高[1-3]。国内外学者对乘用车正面碰撞乘员损伤进行了深入研究，但对于客车正面碰撞乘员损伤研究较少。B.ALEXANDER等[4]基于试验研究客车正面碰撞，分析了座椅靠背对后方乘员的防护机理；S.STANISLAWEK等[5]采用有限元分析法研究了座椅缓冲保护器对乘员损伤的影响；葛如海等[6-7]采用MADYMO软件建立了客车乘员约束系统正面碰撞仿真模型，研究了客车座椅设计参数对乘员正面碰撞伤害的影响；覃桢员等[8]通过客车座椅动态试验，研究了客车座椅布置型式对乘员损伤的影响；颜长征等[9]采用某13 m特大型客车整车正面碰撞试验，研究车内不同位置的乘员损伤及生存空间情况，推动了全球首部客车前部结构强度法规的制定；李自成等[10]通过仿真及理论分析方法，研究了不同安全带约束型式及不同乘坐位置对乘员损伤的影响；吴长风等[11]以座椅动态试验系统为研究对象，分析了客车正面碰撞加速度与乘员损伤的关系。

目前国内外关于客车正面碰撞乘员损伤通常开展单一影响因素的分析评价，对乘员损伤机理及影响因素系统全面的研究较少，尤其是针对约束隔板后乘员损伤研究不足。因此，笔者利用试验测试方式，通过设计客车座椅动态试验，模拟分析了客车正面碰撞过程中乘员的损伤机理，对提升客车安全性能有重要参考价值。

1 乘员损伤特征与评价指标

1.1 乘员损伤特征

在客车正面碰撞过程中，车内乘员损伤主要是由于车身传递给车内乘员某个部位的加速度超过了人体耐受界限致使人体器官或组织受到损害，以及乘员与身体周边接触物发生“碰撞”而造成的损害[12-13]。

客车车内结构布置示意如图1。从图1可看出：造成乘员“碰撞”的车内部件主要是座椅及约束隔板。因此，笔者通过设计客车座椅动态试验，全面分析座椅及安全带型式、座椅布置方式及约束隔板尺寸等多个因素对乘员损伤影响程度，从而实现对客车正面碰撞事故后车内乘员损害后果的分析。

图1 客车车内布置结构示意Fig. 1 Layout and structure diagram of coach

1.2 乘员损伤评价指标

在正面碰撞过程中，乘员撞击到前排座椅或约束隔板，撞击部位主要包括头部、胸部及下肢。因此，针对客车正面碰撞，采用国际通用的用于汽车正面碰撞试验的Hybrid Ⅲ 50%男性假人损伤指标对乘员损伤情况进行研究，主要考察头部、胸部及下肢损伤情况。

HIC为头部损伤指标。由J.VERSACE[14]提出，其计算如式(1)、(2)：

(1)

(2)

式中：t1、t2分别为试验期间时间的任意值；γr为头部重心位置的合成加速度；γl为纵向瞬时加速度；γv为垂直瞬时加速度；γt为横向瞬时加速度。

ThAC为胸部损伤评价指标，由胸部重心合成加速度绝对值和加速度持续时间确定。FAC为下肢损伤评价指标，主要通过大腿压缩力进行考察，由左右腿轴向传递压缩力和压缩力持续时间确定。

2 试验设计

2.1 试验条件

笔者按照GB 13057—2014《客车座椅及其车辆固定件的强度》[15]和通过标定的Hybrid Ⅲ50%男性假人对乘员损伤进行试验。对乘员损伤考察主要包含两个部分，分别为：① 前排布置座椅，后排布置座椅，使用Hybrid Ⅲ50%男性假人，假人安放在后排，安全带约束，考察在正面碰撞过程中假人撞击前排座椅后的损伤情况；② 前排布置约束隔板，后排布置座椅，使用Hybrid Ⅲ50%男性假人，假人安放在后排，安全带约束，考察在正面碰撞过程中假人撞击前排约束隔板后的损伤情况。

根据以上试验内容，设定试验条件如表1。

表1 座椅动态试验条件Table 1 Seat dynamic test conditions

2.2 控制变量

乘员损伤主要来自乘员与座椅及约束隔板产生的“碰撞”。因此，座椅、约束隔板结构及配置会对乘员损伤产生影响的因素主要包括座椅结构与型式、安全带类型、约束隔板结构与尺寸、座椅布置方式等。根据座椅及约束隔板实际结构，选择安全带类型、座椅填充物吸能特性、座椅布置方式、约束隔板尺寸这4个参数作为控制变量，分别对乘员损伤程度进行分析。

2.3 试验方案

为充分考察座椅及约束隔板在不同状态下的乘员保护情况，笔者以座椅动态试验条件为基础，针对控制变量，设计座椅动态试验方案，如表2。方案分为4个项目，包含5个组别，共12次试验，在每组试验过程中，保持其余结构参数不变情况下仅改变控制变量，用于考察4个控制变量在不同状态下对客车正面碰撞乘员损伤影响程度。

表2 座椅动态试验方案Table 2 Seat dynamic test schemes

3 乘员损伤影响因素分析

3.1 安全带类型对乘员损伤影响

3.1.1 试验设置

单独改变安全带类型进行座椅动态试验1，参与考察的样品参数如表3，试验布置情况如图2。

图2 座椅动态试验1的试验布置Fig. 2 Test arrangement of seat dynamic test 1

表3 座椅动态试验1的样品参数Table 3 Sample parameters of seat dynamic test 1

3.1.2 假人损伤指标分析

座椅动态试验1中假人损伤指标测量结果如表4。从表4可看出：安全带类型由两点式变更为三点式对全面改善乘员损伤风险效果较为明显，假人头部损伤值减小了66.44%，胸部损伤值减小了48.34%，左、右大腿压缩力值分别减小了45.36%、65.05%。

表4 座椅动态试验1中假人损伤指标测量结果Table 4 Measurement results of dummy damage index inseat dynamic test 1

不同安全带类型的假人合成加速度响应曲线对比如图3。从图3可看出：配置三点式安全带的座椅在座椅动态试验中假人头部及胸部合成加速度明显低于配置两点式安全带座椅。

图3 不同安全带类型的假人合成加速度响应曲线对比Fig. 3 Comparison of synthetic acceleration response curves of dummy with different seatbelt types

3.1.3 假人运动学分析

三点式安全带相较于两点式安全带限制了正面碰撞过程中假人的胸部位移，降低了头部的前倾幅度，对身体向前运动起到了有效控制，使得假人撞击前排座椅程度降低。故三点式安全带能有效降低乘员头部、胸部及下肢损伤风险。

3.2 座椅填充物对乘员损伤影响

3.2.1 试验设置

单独改变座椅填充物进行座椅动态试验2，参与考察的样品参数如表5，试验布置情况如图4。

表5 座椅动态试验2的样品参数Table 5 Sample parameters of seat dynamic test 2

图4 座椅动态试验2的试验布置Fig. 4 Test arrangement of seat dynamic test 2

3.2.2 假人损伤指标分析

座椅动态试验2中假人损伤指标测量结果如表6。从表6可看出：座椅内部填充物使用吸能特性较为优秀材料对全面改善乘员损伤风险有一定的促进作用，尤其是对头部损伤风险改善最为明显且优异。在保持座椅骨架结构不变情况下，将座椅面料及内部填充物由吸能特性差的材料变更为吸能特性优的材料后，左、右侧假人头部损伤值分别减小了53.24%、59.06%；左、右侧假人胸部损伤值分别减小了35.31%、15.23%；左、右侧假人左大腿压缩力值分别减小了-25.29%、93.62%；左、右侧假人右大腿压缩力值分别减小了33.15%、29.66%。通过综合计算可看出：假人头部损伤值平均减小了55.78%；胸部损伤值平均减小了26.49%；左、右大腿压缩力值分别平均减小了43.03%、31.09%。

表6 座椅动态试验2中假人损伤指标的测量结果Table 6 Measurement results of dummy damage index inseat dynamic test 2

以左侧假人为例，其不同座椅填充物的加速度响应曲线对比如图5。从图5可看出：配置吸能特性优的填充物座椅在座椅动态试验中头部及胸部合成加速度明显低于配置吸能特性差的填充物座椅，且头部合成加速度降幅高于胸部。

图5 不同座椅填充物的左侧假人合成加速度响应曲线对比Fig. 5 Comparison of synthetic acceleration response curves of left dummy with different seat fillers

3.2.3 假人运动学分析

在正面碰撞过程中，假人头部是撞击前排座椅最主要部位，通过选用座椅内部填充物吸能特性优的材料使得假人头部在撞击区域及程度不发生变化情况下，降低损伤风险。

因此，座椅填充物吸能特性改善直接关系到乘员的撞击能量能否被充分吸收，座椅填充物选择吸能特性优秀材料对改善头部损伤风险效果最为明显。

3.3 座椅布置方式对乘员损伤影响

3.3.1 试验设置

单独改变座椅布置方式进行座椅动态试验3，参与考察的样品参数如表7，试验布置情况如图6。

表7 座椅动态试验3的样品参数Table 7 Sample parameters of seat dynamic test 3

图6 座椅动态试验3的试验布置Fig. 6 Test arrangement of seat dynamic test 3

3.3.2 假人损伤指标分析

座椅动态试验3中假人损伤指标测量结果如表8。客车座椅在布置过程中因发动机后置，最后排座椅和前排座椅间会出现一定程度的高度偏差。在正面碰撞过程中，高度偏差会引起最后排乘员撞击区域发生变化，对乘员损伤风险产生一定影响。

表8 座椅动态试验3中假人损伤指标的测量结果Table 8 Measurement results of dummy damage index in seat dynamic test 3

从表8可看出：在正面碰撞过程中，有高度偏差的座椅布置方式相对于无高度偏差的座椅布置方式，乘员头部损伤风险变化较小，下肢损伤风险降低，但胸部损伤风险明显增加。对于单人椅，座椅布置方式出现高度偏差后，假人胸部损伤值增加了17.91%，左、右大腿压缩力值分别减小了49.05%、48.36%；对于双人椅，座椅布置方式出现高度偏差后，左、右侧假人胸部损伤值分别增加了0.28%、10.67%，左、右侧假人左大腿压缩力值分别减小了73.93%、45.33%，左、右侧假人右大腿压缩力值分别减小了52.51%、53.30%。通过综合计算后可看出：座椅布置方式出现高度偏差后，假人胸部损伤值平均增加了11.46%，左、右大腿压缩力值分别平均减小了57.15%、50.65%。

不同座椅高度偏差假人胸部加速度响应曲线对比如图7。从图7可看出：有高度偏差座椅布置方式在座椅动态试验中胸部合成加速度高于无座椅偏差布置方式。

图7 不同座椅高度偏差的假人胸部合成加速度响应曲线对比Fig. 7 Comparison of synthetic acceleration response curves ofdummy chest with different seat height deviations

3.3.3 假人运动学分析

在正面碰撞过程中，假人上半身前倾幅度及撞击区域随乘坐位置变高而变化。假人乘坐位置变高后，假人头部撞击区域发生变化，但仍处于座椅上边缘位置，相近硬度使其损伤风险变化较小；假人胸部前倾幅度增加且撞击区域上移至包裹座椅骨架上边缘硬度较大区域，使其损伤风险变高；假人下肢撞击区域上移至座椅内部填充物较厚实的座椅靠背上半部分，使其损伤风险出现降低趋势。

故座椅布置出现高度偏差后，在正面碰撞过程中，后排乘员相对于前排座椅位置变高，撞击区域发生变化，会引起胸部损伤风险增加，下肢损伤风险减小。

3.4 约束隔板尺寸对乘员损伤影响

3.4.1 试验设置

单独改变约束隔板尺寸进行座椅动态试验4，参与考察的样品参数如表9，试验布置情况如图8。

表9 座椅动态试验4的样品参数Table 9 Sample parameters of seat dynamic test 4

图8 座椅动态试验4的试验布置Fig. 8 Test arrangement of seat dynamic test 4

3.4.2 假人损伤指标分析

约束隔板是保护乘客门后第一排乘员在碰撞过程中免受伤害的重要部件之一，通过改变约束隔板尺寸可提高其对乘员的保护能力。座椅动态试验4中假人损伤指标的测量结果如表10；假人损伤值变化趋势如图9。

表10 座椅动态试验4中假人损伤指标的测量结果Table 10 Measurement results of dummy damage index in seat dynamic test 4

图9 假人损伤值随约束隔板高度及宽度变化趋势Fig. 9 Variation trend of dummy damage value changing with height and width of restraining partition

从表10可看出：① 假人头部损伤值随约束隔板高度及宽度增加呈减小趋势，且逐渐趋于稳定；② 靠近通道左侧假人胸部损伤值随约束隔板高度及宽度增加呈减小趋势，但右侧假人胸部损伤值较为稳定；③ 假人大腿压缩力值随约束隔板高度及宽度增加整体呈稳定趋势，但靠近通道左侧假人左大腿压缩力值变化幅度较大，从整体看呈减小趋势。

3.4.3 假人运动学分析

尺寸较小的约束隔板会出现对假人无法提供充分保护情况，两侧假人头部与靠通道侧假人胸部及下肢易撞击到约束隔板边缘硬度较大区域进而增加假人损伤风险；随着约束隔板高度及宽度不断增加，假人撞击区域不断远离约束隔板边缘，损伤风险不断降低；当约束隔板高度及宽度达到一定尺寸时，假人撞击区域处在易于吸能的范围内，则假人损伤风险趋于稳定，不再随着约束隔板高度及宽度的变化出现大幅度变化。故适度增加约束隔板尺寸，能使乘员头部及靠通道侧乘员胸部和下肢损伤风险减小。

4 结 论

笔者基于座椅动态试验对客车正面碰撞过程中影响乘员损伤风险的因素进行分析，得出如下结论：

1)安全带类型、座椅填充物吸能特性、座椅布置方式、约束隔板尺寸这4个因素均会对乘员损伤风险产生一定程度影响；

2)采用三点式安全带，对全面降低乘员损伤风险最为积极有效，头部损伤能减少66.44%，胸部损伤能减小48.34%，左、右侧下肢损伤能分别减小45.36%、65.05%；

3)座椅填充物采用吸能特性优异材料，对改善乘员损伤风险较为明显，尤其是针对头部，其损伤能减小55.78%；

4)不同座椅布置方式会对乘员损伤风险产生不同影响，有高度偏差的座椅布置方式将增加乘员胸部损伤风险；

5)约束隔板尺寸与乘员损伤风险相关，在一定范围内，乘员损伤风险随约束隔板尺寸增加而减小。

在进行客车座椅设计时，应充分考虑其实际布置状态，采取减小乘员损伤风险措施，全面提升整车被动安全性能。