车辆斜角碰撞中不同百分位假人伤害对比研究

2021-08-31武永强张爱法

汽车工程 2021年8期

武永强，张爱法，娄磊

（中国汽车技术研究中心有限公司，天津300300）

前言

斜角碰撞是道路交通事故中最常见、发生率极高的碰撞类型之一，如图1所示。根据有关数据统计结果，正面碰撞交通事故中约80 %为斜角碰撞［1-2］，但针对车辆的正面碰撞工况，研究人员更多地是关注碰撞的重叠率，却很少考虑碰撞角度。同时，汽车碰撞安全领域内现有的标准主要是针对汽车以保护50th假人为开发基准而制定，对5th假人和95th假人的保护重视程度明显不足；而50th假人是基于20世纪70年代的“欧美人体”体征开发的，经过近50年的发展，“欧美人体”体征本身也发生了变化，且其无论是外在特征还是内在特性方面均与“中国人体”体征存有较大差异，即对于主要以50th假人为保护对象进行开发设计的车辆能否最优、最大范围地保护我国驾乘人员的乘车安全仍值得商榷。由此可见，深入探究斜角碰撞工况中不同百分位假人的损伤特性对于完善我国汽车碰撞安全标准法规，进一步减少道路交通事故中的乘员伤亡具有非常重要的参考价值和实际意义。

图1 交通事故现场图

目前，汽车碰撞安全领域内涉及到斜角碰撞的标准以及针对斜角碰撞工况的研究还不多。GB 11552—2009《乘用车内部凸出物》中涉及到带有一定角度的碰撞试验验证方法［3］，但它只是验证碰撞过程中假人头部是否会接触到仪表板等内饰件，并未考量假人头部伤害值以及假人其它部位损伤，即现行标准中的测评方法能否最优地保护驾乘人员的乘车安全有待进一步研究；兰州交通大学牛卫中等［4］通过有限元模型仿真研究了某SUV在小重叠正面多个斜角碰撞工况中车体耐撞性的影响因素，得出碰撞角度约为15°时，车体的耐撞性最差；Rudd等［5］对安全带参数在30°碰撞中对驾驶员胸部、臀部损伤的影响展开了研究；James等［6］对正面斜角碰撞中乘员损伤进行了分析，发现安全气囊对乘员的保护效果较差；曹立波等［7-10］主要是通过有限元模型仿真模拟了车与车发生斜角碰撞的情况，结果验证了在斜角碰撞工况中，假人损伤不容忽视。综上，虽然有关车辆斜角碰撞的标准和研究还不多，但均验证了斜角碰撞是一种比较危险的碰撞类型；且现有的少量研究均主要是通过仿真的手段进行模拟分析，缺乏真实的试验数据支撑。

为进一步探究车辆斜角碰撞事故中驾驶员的损伤特性，通过搭建18°斜角碰撞工况试验平台，复现了斜角碰撞事故场景，并以试验对比为基础，建立了3种工况试验方法，通过15个车型、69次试验数据对比分析斜角碰撞工况中5th假人、50th假人和95th假人各部位的伤害情况。

1 斜角碰撞工况试验平台的搭建与试验方法简述

依托日本三菱重工生产的液压伺服加速式汽车模拟碰撞装置，搭建了18°斜角碰撞工况试验平台，复现了斜角碰撞事故场景，试验平台俯视示意图如图2所示。

图2 18°斜角碰撞工况试验平台俯视示意图

18°斜角碰撞工况试验平台主要由加速式模拟碰撞装置液压系统、滑车、试验台架3大部分组成。其中试验台架的搭建是最为关键的一环，根据斜角碰撞事故类型特点、加速式汽车模拟碰撞装置的工作原理以及滑车的结构特征，本文中设计并制造了一种专用的试验台架，其固定底板上带有与纵向中心线呈18°夹角且按照矩阵排列的螺孔。通过该试验台架便可实现车辆18°斜角碰撞效果，试验台架结构俯视示意图如图3所示。

图3 试验台架结构俯视示意图

试验时，首先把装有风窗玻璃、仪表板、转向盘、气囊和安全带等约束系统及其它内饰等部件的白车身通过焊接的方式水平地固定在试验台架上；其次将台架上的18°斜角螺孔调至与碰撞方向平行，且与滑车台面上的螺孔一一对应，通过螺栓连接将试验台架固定在滑车上；然后将5th假人、50th假人和95th假人分别安置于驾驶员位置，并将假人调至正常驾驶姿态；接着将假人各部位的传感器与滑车上的数据采集系统相连，用于采集碰撞试验后假人各部位的伤害值；最后通过对试验后3种假人各部位的损伤数据进行统计分析，对比研究18°斜角碰撞工况中不同百分位假人的损伤特性及其关联关系。因此，基于搭建的18°斜角碰撞工况试验平台，建立了3种工况试验方法，如表1所示。

表1 3种工况试验方法

假人伤害是直接表征汽车安全性能优劣的重要参考依据之一。参照中国新车评价规程（China new car assessment program，C⁃NCAP）以及汽车正面碰撞的相关标准和研究，以假人的头部3 ms合成加速度、颈部弯矩My、胸部压缩量、骨盆合成加速度和大腿力等参数分别来表征碰撞过程中驾乘人员的头颈部、胸腹部和腿部等部位的伤害情况。

为准确表征出不同百分位假人的损伤特性及差异，对3种工况分别进行了多次试验，并以同一工况中同一损伤参数的所有试验结果的平均值来表征假人各部位的损伤情况。同时，为更直观地对比3种假人的损伤差异，本文中将各部位损伤参数的试验结果按从小到大顺序依次排列。

2 不同百分位假人运动对比分析

假人在碰撞过程中的运动特征与损伤特性之间有密不可分的联系。本文以某一车型的3种工况试验为例，从运动学的角度简要对比分析18°斜角碰撞过程中5th假人、50th假人和95th假人的运动特征。为直观地分析假人的运动特征，结合试验录像，并截取其中3种假人在碰撞过程中几处关键时刻的运动姿态，如图4～图6所示。

图4 5th假人不同时刻的运动姿态

图5 50th假人不同时刻的运动姿态

图6 95th假人不同时刻的运动姿态

其中（a）表示碰撞发生前一瞬间的假人状态；（b）表示假人与气囊开始接触时刻的假人状态；（c）表示气囊完全展开时刻的假人状态；（d）表示开始反弹时刻的假人状态。

由图4~图6可知，在碰撞前一瞬间，5th假人由于身材较小，试验时一般将座椅调至最高最前位置，即假人离转向盘和仪表板等内饰件距离最近；同理，50th假人和95th假人试验时，座椅分别处在中间和最后最下的位置，即假人离转向盘和仪表板等内饰件的距离也越远。发生碰撞后，车身受到阻力急剧做减速运动，而假人由于惯性继续向前，与车身发生相对运动，最初由于受到安全带的作用，主要表现为假人的头部会快速向前，身体发生前倾；在进行到20 ms时，安全气囊已展开并与5th假人的胸部开始接触，而50th假人和95th假人的胸部与气囊接触的时刻略有延迟，分别发生在碰撞后30和45 ms时刻，这主要是由于假人起始位置离转向盘较远造成的。随着碰撞过程的进行，气囊逐渐完全展开，5th假人的胸部在此过程中已经与转向盘的下缘发生了挤压，导致5th假人的胸部发生较大压溃；而50th假人和95th假人由于距离转向盘较远，且在气囊和安全带共同约束的作用下，假人的胸部离转向盘的下缘还有一段距离。同时，图中还可以看出，5th假人和50th假人的膝部与仪表板虽然已经接触，但小腿与大腿间的角度还呈钝角，并未发生剧烈的撞击，这也是由于斜角碰撞过程中，假人的右腿先与仪表板发生了撞击，消耗了大部分能量，表现为左大腿力小于右大腿力；而此时95th假人的左腿膝部已经完全接触到仪表板，且已被完全卡死。随后气囊开始慢慢泄气，假人由于惯性继续向前运动直至最前位置。从不同百分位假人的运动对比中可以发现，这个过程中假人的头部相对于胸部发生了较大的弯曲，即假人的头部出现了明显的点头运动，造成颈部弯矩明显增大，主要是由于在安全带和气囊的共同约束下，假人的胸部运动逐渐趋缓并停止向前运动，尤其是身材较小的5th假人的胸部已经完全被转向盘阻挡并挤压，造成5th假人的胸部压缩量最大；此后假人开始反弹。

3 不同百分位假人伤害结果对比分析

结合假人在斜角碰撞过程中的运动特征，以50th假人各部位的伤害结果为基准，对比分析18°斜角碰撞工况中5th、50th和95th3种假人的头部3 ms合成加速度、颈部弯矩My、胸部压缩量、骨盆合成加速度和腿部力等伤害指标及其关联关系。

3.1 假人头部3 ms合成加速度对比分析

假人头部3 ms合成加速度是表征驾驶员头部伤害程度的主要指标之一，试验结果如图7和图8所示。

图7 假人头部3 ms合成加速度

图8 不同百分位假人头部3 ms合成加速度平均值

由图7可以看出，5th假人头部3 ms合成加速度最大，50th假人最小。图8更加直观地展现了3种假人头部3 ms合成加速度的平均差异情况，分别为59.03g、52.62g和55.78g；相比于50th假人，5th假人和95th假人的头部3 ms合成加速度分别高出12.2%和6.0%，表明在18°斜角碰撞工况中，50th假人头部受到损伤风险较小。这是由于目前在汽车安全性能开发过程中均是以最优保护50th假人为目标进行匹配设计，尤其是针对致死率最高的头部做了更多的防护措施。其中，气囊和安全带等约束系统部件间的相互匹配效果对于驾驶员头部的保护发挥了极其重要的作用，这也是50th假人头部在碰撞过程中的表现好于5th假人和95th假人的主要原因之一。从试验结果中还得出，5th假人和95th假人头部3 ms合成加速度数值虽然高于50th假人，但损伤程度相差不大，这主要是由于气囊和安全带没有达到最优的匹配效果造成的，后期可以通过优化气囊和安全带的匹配参数达到对5th假人和95th假人的最佳保护。

3.2 假人颈部弯矩My对比分析

颈部弯矩My是表征碰撞过程中驾驶员颈部损伤程度的主要指标之一，试验结果如图9和图10所示。

图9 假人颈部弯矩My

图10 不同百分位假人颈部弯矩My平均值

由图9和图10可知：5th假人颈部弯矩My最小，50th假人最大，3种假人颈部弯矩My的平均值分别为28.63、41.83和36.58 N·m。相比于50th假人，5th假人和95th假人的颈部弯矩My分别降低了31.6 %和12.6%，这表明3种假人在18°斜角碰撞工况下，5th假人颈部受到损伤风险较小。这是由于在碰撞瞬间，车辆速度骤然降低，安全带和气囊等约束系统收到信号后开始起效，将假人躯干紧紧地束缚在座椅上，而假人由于惯性作用持续向前运动，受安全带对胸部的约束作用，头部相对胸部向前运动，颈部弯矩My在预紧阶段负向逐渐增大；随后假人头部与气囊接触，气囊向后方施力，缓冲了假人头部运动，而胸部继续向前运动，造成头部相对胸部发生向后向上旋转，致使颈部弯矩My负向增大明显；随着气囊泄气，头部与胸部相对位移减小，趋于平衡，颈部弯矩My由负向逐渐变为正向增加，直至假人回弹结束。而5th假人身材较小，试验中座椅需调至最前最上的位置，致使假人头部和胸部距离转向盘最近，在发生碰撞的过程中，5th假人头部与气囊接触最早，向前的冲击并不大，同时由于安全带对其有效保护，造成头部与躯干运动受阻，即阻止了头部与躯干发生较大弯曲。

3.3 假人胸部压缩量对比分析

胸部压缩量是评价驾驶员胸部损伤程度的重要参考指标之一，试验结果如图11和图12所示。

图11 假人胸部压缩量

图12 不同百分位假人胸部压缩量平均值

从图11和图12可以看出：5th假人胸部压缩量最大，50th假人和95th假人基本相同，3种假人的胸部压缩量平均值分别为45.92、34.24和34.81 mm。相比于50th假人，5th假人和95th假人胸部压缩量分别高34.1%和1.6%；从图11中还可以得出，5th假人胸部压缩量波动范围最大；表明在18°碰撞工况试验中，5th假人胸部受到损伤风险最大。这是由于5th假人身材较小，在碰撞初期，腰部安全带紧紧将乘员束缚在座椅上，极大限制了假人躯干的运动；但假人由于惯性，快速向前运动，造成胸部相对脊椎产生较大运动，随着碰撞过程进行，较小的5th假人的胸部最早与转向盘发生接触，随后由于转向盘的反向挤压，造成胸部压缩量增加更为明显。而50th假人和95th假人胸部压缩量试验结果基本相同，只是95th假人的胸部压缩量曲线比50th假人延迟，这是由于胸部受到阻碍产生较大的压缩变形，而95th假人较大，试验时坐姿位置相对靠后，胸部与转向盘间的距离较大，即发生较大压缩的时刻相对靠后。

3.4 假人骨盆合成加速度对比分析

骨盆合成加速度是衡量约束系统对驾驶员骨盆保护效果的重要依据之一，试验结果对比如图13和图14所示。

图13 假人骨盆合成加速度

图14 不同百分位假人骨盆合成加速度平均值

图13和图14所示的试验结果表明：50th假人骨盆合成加速度最大，5th假人次之，95th假人最小。3种假人的骨盆合成加速度平均值分别为55.72g、67.55g和50.31g。相比于50th假人，5th假人和95th假人的骨盆合成加速度分别降低了17.5%和25.5%；表明在18°斜角碰撞中，中等身材的驾驶员骨盆受到损伤风险更大。这是由于5th假人身材较小，在碰撞初期，安全带紧紧将乘员束缚在座椅上，极大限制了假人躯干的运动，同时对于5th假人，试验时将座椅调至最前最上，致使假人膝部与车内饰件间距离较短，在剧烈的碰撞过程中，有限的车内空间限制了膝部的自由运动；同理，由于95th假人身材较大，也使假人的膝部运动空间受到限制，当膝部与车内饰件接触后，反作用力增大，减缓了骨盆的冲击，导致骨盆加速度减小。

3.5 假人大腿力对比分析

大腿力是表征驾驶员下肢在碰撞过程中受伤程度的主要指标之一，试验结果对比如图15～图17所示。

图15 假人左大腿力

从图15～图17可以看出：95th假人的左大腿力伤害值远大于5th假人和50th假人；相比于50th假人，5th假人和95th假人左大腿力分别高了31.8 %和456.8%。这表明在18°碰撞工况试验中，95th假人左大腿受到损伤风险最大；同理，相比于50th假人，5th假人和95th假人右大腿力分别降低了71.4 %和62.6%，表明在18°碰撞工况中，50th假人的右大腿受到损伤的风险最大。从图17中还可知，50th假人的左右腿受力差别较大。一般而言，假人越大，惯性冲击越大，而由试验结果发现，相比于50th假人，身材更大的95th假人右大腿力反而更小，这是由于车身的纵向中心线与碰撞方向呈18°夹角，在碰撞过程中，假人会向车辆内侧移动，由于95th假人质量较大，惯性较大，且腿部运动空间有限，造成左腿膝部先与汽车内饰发生二次碰撞，产生较大的撞击力，能量发生较大程度的传递和消耗，大大缓冲了右腿的冲击。