驾驶人乘坐姿态与头部损伤的相关性分析

2022-11-29张进杰钱宇彬王婉秋

计算机仿真 2022年10期

张进杰，钱宇彬，王婉秋*，李威

(1. 上海工程技术大学机械与汽车工程学院，上海 201620；2. 司法鉴定科学研究院上海市司法鉴定专业技术服务平台，上海 200063)

1 引言

随着汽车保有量的持续增长，我国道路交通事故发生数量也高居不下，据国家统计局发布的《中国统计年鉴》显示，2010-2019年间我国交通事故死亡人数总体上呈现出下降的趋势，但数量依然较大，其中2019年我国道路交通死亡人数为52388人[1]。交通事故中的致伤方式有很多，其中颅脑损伤是汽车碰撞事故中人员伤亡的主要原因之一。世界卫生组织(World Health Organization，WHO)发布的《2018年全球道路交通安全形势分析报告》指出，在道路交通事故中，四轮汽车司机死亡人数占总死亡人数的36%，居于首位。

随着计算机技术的日益发展和完善，国内外学者利用仿真分析在人体损伤领域取得了重大的突破和成果。Takhounts[2]等给出了基于脑组织最大主应变(MPS)对应的简明创伤(AIS)等级颅脑损伤风险曲线，当脑组织最大主应变达到0.45时，发生轻度脑损伤的概率为50%。Kleiven[3]通过重建分析了58起国家美式橄榄球联盟案例，将计算研究结果通过回归风险曲线进行数据统计和分析，得出轻度创伤性脑损伤的脑组织应变、应变率、von Mises应力达到6～11kPa时会发生脑挫伤。Willinger[4]等通过分析22例国家美式橄榄球联盟案例得出，当脑组织von Mises应力达到18kPa时有50%的概率会导致脑震荡。韩勇等人运用了蒙特卡洛不确定性分析方法对电动二轮车事故进行车速和人员损伤的评价分析，并验证了其有效性。朱鲜飞[6]等利用计算机仿真研究了不同速度下水平冲击对于假人头部伤害的研究。以上的研究均为驾驶人处于正常坐姿条件下开展的，然而实际驾驶环境中，驾驶人的坐姿受驾驶人个人习惯和喜好影响，座椅角度的改变也引起驾驶人坐姿的变化，同时，碰撞前驾驶人可能的离位状况也不容忽视。因此，有必要针对驾驶人的坐姿的不确定性研究驾驶人坐姿对驾驶人头部损伤的影响及程度。

本文选取50百分位的Hybrid Ⅲ型假人模型，将假人座椅的角度设置为5种状态，模拟在不同坐姿条件下，假人在佩戴安全带及安全气囊爆开工况下驾驶人的力学指标，分析假人力学指标受假人坐姿的影响及程度，给出驾驶人推荐的坐姿，最后基于国家车辆事故深度调查体系(National Automobile Accident In-depth Investigation System，NAIS)中的真实案例验证了仿真的有效性。

2 材料与方法

目前我国关于车辆制动阶段的仿真研究并没有统一的假人模型，其中主要应用的有LSTC公司的研发的Hybrid Ⅲ假人模型、丰田开发的THUMS假人模型和AHM主动人体模型。本文采用的是50百分位的Hybrid Ⅲ型男性假人模型以及美国国家碰撞分析中心(National Crash Analysis Center，NCAC)根据2010年款Yaris车型所建立的整车有限元模型。

2.1 安全气囊工作原理

当撞击感知器感受到撞击时，相关的控制系统会根据撞车程度做出判断并决定是否需要启动充气装置，传感器发出的信号传递到电子控制系统，在电子控制系统的处理之后判断有必要打开气袋时，气体发生器收到由触发装置发出的点火信号后会立即触发，然后产生大量的气体充满整个气袋。由于撞击过程持续很短，一般气囊由启动至完成充气这个过程大约25-35毫秒。安全气囊的工作原理如图1所示。

图1 安全气囊工作原理

安全气囊模型的建立首先进行气囊的有限元划分以及气囊的折叠结构设计，然后进行安全气囊的参数设置：体积比例因子Vsca和压力比例因子Psca设置为1，气体流入阻尼因素D设置为0.05，定容热容值为设置850J/(kg·K)，定压热容值设置为1140J/(kg·K)，输入气体温度设置为756℃，排气孔系数C23设置为1，泄气孔面积A23设置为1592mm2，重力转换系数设置为1。

2.2 头部损伤标准

头部主要的损伤形式主要是由于惯性力的影响而造成的脑结构不和或者脑组织脱离头骨。

头部损伤耐受度的计算公式如下

(1)

式中：a(t)为头部撞击总加速度随时间的关系曲线(a用g的倍数表示)；t2-t1为HIC取得一个最大值时的时间间隔，在实际发展应用中一般选取的时间间隔为36ms，本文选用的也是HIC36[7]。

目前国际上大都采用AIS(Abbreviated Injury Scale)伤害等级来评价人员所受到的伤害程度。其中，AIS1～2级属于比较轻的伤害，AIS3～5级属于比较严重的伤害，AIS6级及其以上就会有致死的风险。表1所示的是HIC值与AIS伤害等级之间的关系。

表1 HIC值与AIS代码的相关性[8]

2.3 有限元约束系统

本文采用的基础的整车模型如图2所示，该模型共包含1488581个节点，940个零件。将该模型的正面碰撞试验仿真结果与美国国家高速公路安全管理局(National Highway Traffic Safety Administration，NHTSA)进行的实车试验结果进行比较，如图3所示，可知该实车试验与仿真结果一致性较好，证明了该整车模型具有良好的可靠性。本文为计算方便，已将约束系统简化。

图2 2010年款Yaris有限元模型

图3 正面碰撞试验与仿真结果对比

2.4 50百分位的Hybrid Ⅲ型假人模型

根据试验的要求，本文使用的是Hybrid Ⅲ型第50百分位男性假人，如图4所示，其具有良好的重现精度和测量精度，这是一种中等体型的假人，其具体参数如表2所示。

图4 Hybrid Ⅲ型第50百分位男性假人模型

表2 美国第50百分位与中国各百分位成年男子人体尺寸比较[9]

Hybrid Ⅲ型假人头部由铸铝制成，皮肤由可拆卸的乙烯基橡胶制成，颈部由分段橡胶和中空铝制框架制成，可以适当模拟假人头部的弯曲和伸长。胸腔由高强度钢和聚合体减震材料组成，它可以真实地反应人体胸部的弯曲特性。颈部和胸部之间的角度可以通过支架调节。传感器安装在支架内，安全带的压力可以由肩胛骨和锁骨上的传感器测量。腰椎由橡胶制成，它可以模拟人的坐姿。大腿骨和胫骨可以测量肌腱的张力并预测骨折的发生。

目前试验中的假人模型主要是LSTC公司的研发制作的，本次研究使用的也是LSTC公司的有限元假人模型，这个模型是根据美国第50百分位成年男性的体型制作的，与1988年我国成年男子人体尺寸有所差异，但如今我国各方面发展迅猛，国民身体素质也有所提高，所以该模型对于我国也具有很好的参考意义。

3 试验分析

3.1 试验条件

为了研究驾驶人在正确使用安全带的条件下气囊点爆与头部碰撞的过程，并考虑不同个体的行为习惯和存在离位等情况，将假人身体倾斜的角度设置为80°，90°，100°，110°，120°共五种姿态，如图5所示。根据现行美国法规标准，将试验条件设置为车速为48km/h的正面碰撞。使用LS-DYNA进行仿真计算，时间为120ms，并查看其各项力学特性曲线，研究其损伤规律。

图5 五种乘坐姿态

3.2 仿真过程

在LS-PrePost中查看气囊点爆的过程动画，图6为假人在不同时刻的运动学响应过程。其中假人的头部是无约束的状态，由于安全气囊的拉带长度是一定的，随着假人坐姿的改变，假人头部与安全气囊之间的距离也会发生变化，颅脑相应的参数也会发生变化。在仿真动画中分别选取了t=0ms碰撞初始时刻，t=20ms安全气囊刚刚冲开内饰盖的时刻，t=25ms气囊展开并与假人胸部接触的时刻，t=30ms气囊与假人头部接触时刻，t=65ms气囊完全展开的时刻以及t=120ms碰撞结束时刻。

图6 气囊点爆过程

4 讨论

当假人的乘坐姿态不同时，假人头部与安全气囊之间的距离就会改变，由于安全气囊的拉带长度是一定的，随着假人乘坐姿态的不同，气囊弹出时对假人头部造成的伤害也会有所变化。取假人头部的损伤值(本文默认为假人头部的加速度)作为性能评价指标，加速度峰值越小，则说明损伤越小，加速度峰值越大，则说明头部的损伤就越大。为了后续叙述的方便，本研究规定座椅角度(即假人身体倾斜角度)为80°时为第一种乘坐姿态，座椅角度为90°时为第二种乘坐姿态，座椅角度为100°时为第三种乘坐姿态，座椅角度为110°时为第四种乘坐姿态，座椅角度为120°时为第五种乘坐姿态。

4.1 假人头部加速度分析

在LS-DYNA中对五种姿态进行计算，并查看其头部加速度曲线，选择sae将其进行滤波处理，得到的计算结果如图7所示。

由图7可知，五种姿态碰撞时假人头部HIC最大值分别为840.3，464.9，167，167.9，172.6。五种姿态碰撞时假人头部加速度最大值分别为219.49mm/ms2，58.343mm/ms2，4.4567mm/ms2，9.257mm/ms2，15.321mm/ms2。第一种姿态与后面四种差异较大，其中第一、二种姿态分别可对人体造成严重损伤和中度损伤。第三、第四、第五种姿态的HIC值和加速度大小都很接近，因此后面三种姿态对于驾驶员的损伤较小。

4.2 能量变化分析

在LS-DYNA中查看五种姿态的能量变化曲线，如图8所示，其中A、B、C曲线分别为假人的动能、内能和总能量的变化曲线。

由图8可知，五种姿态都是在15ms左右能量开始变化，在40ms左右趋于稳定。其中，第一种姿态和第二种姿态的能量变化图比较相似，它们的总能量最后稳定于800J左右，后面三种姿态的能量变化图也较为相似，其中第三种姿态的能量变化最小，为553.08J，比较五种姿态的能量变化，第三种姿态即座椅角度为100°时对人体头部的损伤最小。

4.3 应力应变分析

在Hyperview中查看假人不同乘坐姿态的应力云图，如图9所示。

由图9可知，前两种姿态中假人头部的应力比较大，后三种姿态对人体的损伤较小，且后三种姿态的应力相差不大，因此只考虑应力情况，后面三种工况较好。

5 结果验证

提取国家车辆事故深度调查体系(National Automobile Accident In-depth Investigation System，NAIS)数据库中的一起蒙迪欧与荣威的侧碰事故案例，该事故信息如下：2017年1月，在上海市松江区某路段，唐某驾驶一辆荣威行驶至交叉路口时，与蒋某驾驶的蒙迪欧发生碰撞，两车的碰撞过程如图10所示。

图10 碰撞过程图

由于没有视频资料，根据事故采集情况显示两车碰撞关系如图11所示，荣威的安全气囊展开情况如图12所示。事故造成荣威驾驶员受轻伤，副驾驶乘客严重受伤，根据数据库资料，主驾驶座椅角度为100°，副驾驶座椅角度为90°，根据交警资料司法鉴定书显示，副驾驶乘员受伤原因为轻度脑损伤，初步推测副驾驶乘客在碰撞前已处于离位状态。