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自主駕駛車輛中乘員后傾坐姿可能帶來的碰撞傷害風險

2020-04-22 23:27:59·  來源：汽車安全與輕量化  
　
導讀如果未來把人從駕駛?cè)蝿罩薪夥懦鰜?，乘員可能會選擇更為舒適但卻未必安全的乘坐姿態(tài)，如后傾等。后傾姿態(tài)下發(fā)生碰撞時，乘員更容易發(fā)生下潛運動，乘員下潛使
導讀
 
如果未來把人從駕駛?cè)蝿罩薪夥懦鰜?，乘員可能會選擇更為舒適但卻未必安全的乘坐姿態(tài)，如后傾等。后傾姿態(tài)下發(fā)生碰撞時，乘員更容易發(fā)生下潛運動，乘員下潛使安全帶腹帶上移并侵入腹部，導致承載能力較低的腹部受傷嚴重。
我們首先來介紹一下若干下潛和下潛趨勢的判斷準則。在后傾姿態(tài)下，乘員的髖部與垂向夾角更大，在前碰撞作用下，腹帶更加容易脫離髖部侵入腹部。
乘員下潛是汽車碰撞事故中的一種非常危險的運動姿態(tài)，下潛發(fā)生時安全帶作用于乘員的頸部和腹部，從而導致乘員受到致命傷害。目前對下潛發(fā)生的判斷比較清楚，但不同工況下發(fā)生下潛的可能性或者趨勢并不相同。為建立一個合理有效的下潛趨勢判斷準則，深入研究下潛發(fā)生的機理和設計防止下潛的保護措施，本文提出了兩個下潛趨勢判斷準則，即BOP（belt position on pelvis）準則和MFR（iliac wing moment-to-force ratio）準則，并利用混III 5百分位女性假人的有限元模型對所提出的準則進行了驗證。然后應用該準則評估了安全帶腹帶水平角度對乘員下潛趨勢的影響。
 
下潛發(fā)生過程，腹帶侵入乘員腹部
安全帶的使用大大降低了乘員在碰撞事故中的傷亡，然而當乘員在正面碰撞事故中發(fā)生下潛時，安全帶侵入腹部，可能造成嚴重的傷害。安全帶正確的作用位置為乘員的肩部、胸部和髖部，乘員下潛是指在碰撞過程中安全帶腹帶滑離乘員的髖骨，直接作用于腹部及內(nèi)臟器官，安全帶肩帶滑離并直接作用于乘員的頸部等現(xiàn)象。下潛是碰撞事故中非常危險的一種運動姿態(tài)。
目前的研究對下潛發(fā)生的判斷比較清楚，但實際上，不同工況下發(fā)生下潛的可能性或者趨勢并不相同，我們希望在下潛沒有發(fā)生的時候能有效判斷下潛發(fā)生的趨勢，并確定相應的準則來定量比較乘員下潛趨勢的大小。
本文基于安全帶腹帶與骨盆間的相對運動理論提出了兩個能有效判斷正面碰撞中下潛趨勢的準則，BOP（beltposition on pelvis）準則和MFR（iliacwing moment-to-force ratio）準則；圖1是FTSS開發(fā)的混III5百分位女性假人髖部有限元模型的側(cè)視圖，其中p表示髂骨支撐的髖部皮膚的高度，也可近似作為大腿到腹部的距離，q表示髂骨傳感器的高度。由于小身材的假人更容易發(fā)生下潛，本文選擇5百分位女性假人為研究對象。定義ΔL為安全帶織帶的下端到大腿的距離，如圖2所示。在碰撞過程中，當ΔL大于p時，表明安全帶腹帶已經(jīng)完全滑離骨盆，直接作用在腹部軟組織上，即發(fā)生了下潛。當腹帶尚未完全滑離骨盆，ΔL的數(shù)值也可以作為衡量下潛趨勢的參數(shù)，即ΔL值越大，下潛的趨勢也越大。
為了方便不同尺寸假人之間的比較，我們定義一個無量綱參數(shù)來判斷下潛的趨勢以及下潛的發(fā)生，稱為BOP （beltposition on pelvis）指標，公式如下：
 
BOPL和BOPR分別代表乘員左側(cè)和右側(cè)的下潛趨勢判斷指標。作為下潛趨勢的衡量指標，BOP值的變化范圍在-1到0之間，BOP值越大，下潛趨勢越大。BOP值大于或等于0表明下潛已經(jīng)發(fā)生。
 
圖1 FTSS混III 5百分位女性假人的髖部模型（側(cè)視）
 
圖2 安全帶織帶下端到大腿間的距離ΔL的定義
在碰撞試驗中，安全帶相對于骨盆的瞬時位置可能難以測得，而髂骨力傳感器可以輸出安全帶作用下的瞬時力與力矩，通過此力和力矩可以間接估算得到安全帶相對于骨盆的位置。
安全帶相對于髂骨兩翼的位置可用MFR（iliac wing moment-to-force ratio）表示，即髂骨兩翼傳感器輸出的力矩與力的比值，計算公式如下： 
 
其中，MFRL和MFRR分別代表髂骨左翼和右翼傳感器的力矩與力的比值。為了使MFR指標與BOP指標對下潛趨勢的判斷一致，在公式（2）的定義中添加了一個負號，可以使MFR值越大，下潛趨勢越大。若MFR為正值，則表示安全帶在相對應的髂骨傳感器中軸線的上方；若MFR為負值，則表示在該中軸線的下方。MFR判斷指標與BOP判斷指標的關(guān)系如下：
 
其中p和q的定義見圖1。
接下來對下潛趨勢判斷準則進行驗證，用混III 5百分位女性假人進行了48km/h臺車正面碰撞試驗的有限元模擬。定義此模型為基準模型，在基準模型中，將座椅靠背角度δ設置為25?，座椅椅墊角度α設置為10?，安全帶與碰撞假人間的滑動摩擦系數(shù)設置為0.3（記之為：Back_25?模型），在基準模型Back_25?模型的基礎上設置并運算另外兩個模型，一個模型在安全帶鎖扣端加裝預緊器（記之為：BucklePre_25?），另一個模型在安全帶錨點端加裝預緊器以及安全帶單向鎖止器（記之為：AnchorPre_25?）。
根據(jù)BOP準則：計算仿真可以輸出安全帶腹帶在骨盆上的滑動距離ΔL，由公式（1）計算得到對應的BOP值，表1列出了BOP峰值。三個模型的BOP峰值均為負，根據(jù)BOP下潛判斷準則可以得出下潛均未發(fā)生；進而根據(jù)BOP值越大，下潛趨勢越大，可以排列出三個模型的下潛趨勢的大小。
 
根據(jù)MFR準則：
（1）三個模型的MFR值均小于25mm，可以判斷這三個工況都沒有發(fā)生下潛；
（2）對于AnchorPre_25?模型，由于MFR值為負，可以判斷安全帶腹帶處于髂骨傳感器中軸線的下方，即下潛趨勢較?。?/div>
（3）對于Back_25?和 BucklePre_25?模型，由于MFR值為正，可以判斷安全帶腹帶處于髖骨兩翼傳感器中軸的上方，即下潛趨勢較大；
（4）根據(jù)MFR值越大，下潛趨勢越大，表2最右邊一列排序了三個工況的下潛趨勢。
 
由上可見， MFR準則與BOP準則預測的下潛趨勢一致。
結(jié)論 ：在乘員約束系統(tǒng)設計中需要考慮如何避免乘員下潛的發(fā)生。下潛發(fā)生的判斷通常是監(jiān)測安全帶腹帶是否完全滑離髖部并侵入腹部，但是，在下潛不發(fā)生的情況下，不同的約束系統(tǒng)設計以及在不同碰撞工況下的下潛發(fā)生的可能性是不同的。判斷下潛趨勢需要一個量化的指標和準則。本研究提出了兩個判斷下潛趨勢的準則，即BOP準則和MFR準則，并用臺車正面碰撞的有限元模型驗證了這兩個準則的有效性。
*更詳細內(nèi)容，請參考文獻[5]和[6]。
 
圖1：未來乘坐環(huán)境下乘員可能處于更加舒適但更加危險的后傾姿態(tài)
后期研究中，為了研究后傾姿態(tài)下的乘員碰撞下潛風險及防護措施，作者首先改進了代表乘員的混III 5百分位女性假人的有限元模型及物理假人，將一體式髖部結(jié)構(gòu)替換為轉(zhuǎn)動幅度較大的行人髖部結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)不同角度的后傾坐姿，并通過臺車碰撞試驗驗證了模型的有效性?；谀芎髢A的混III假人，系統(tǒng)研究了影響乘員下潛的因素。發(fā)現(xiàn)座椅后傾角度、坐墊角度的增大都會增加乘員碰撞下潛的風險；而增加坐墊剛度、減小肩帶對上體的約束等可減小乘員發(fā)生下潛的風險。
 
圖2：改進假人有限元模型使之能后傾
 
圖3：改變碰撞假人髖部結(jié)構(gòu)使之能后傾
基于乘員下潛影響因素的研究，作者在其博士論文中提出了若干降低乘員在后傾姿態(tài)下的發(fā)生下潛的措施。例如，優(yōu)化安全帶限力值和安全帶滑動環(huán)的位置可減小安全帶肩帶約束力，使用髖部氣囊、防下潛檔桿與安全帶單向鎖止器的組合可減小髖部的前向運動，使用安全帶卷收器及鎖扣預緊器等以消除安全帶與髖部間隙。
在未來智能行車環(huán)境下，車輛主動安全系統(tǒng)監(jiān)測到無法避免的碰撞事故后，對后傾姿態(tài)的乘員可采取類似的干預措施，以消除乘員下潛風險，減小乘員的傷害風險。
參考文獻
[1] Horsch J D, Hering W E. A Kinematic Analysis of Lap-Belt Submarining in Test Dummies. SAE Paper No. 892441, 1989.
[2] Rouhana S W, Horsch J D, and Kroell C K,“Assessment of Lap-Shoulder Belt Restraint Performance in Laboratory Testing,”Proceedings of the 33rd Stapp Car Crash Conference, SAE Paper No. 892439, 1989.
[3] Rouhana S W, Viano D C, Jedrzejczak E A, and McCleary J D, “Assessing Submarining and Abdominal Injury Risk in the Hybrid III Familyof Dummies,” Proceedings of the 33rd Stapp Car Crash Conference, SAE Paper No.892440, 1989.
[4] Couturier S, Faure J, Satué R, Huguet J and Hordonneau J, “Procedure to Assess Submarining in Frontal Impact”, International Conference on Experiential Safety Vehicle (ESV), Paper number: 07-0481, 2007. 
[5] 唐亮. 汽車座椅靠背后傾工況下的碰撞安全性分析[博士學位論文]. 北京: 清華大學汽車工程系2010.
[6] Tang L and Zhou Q, A Theoretical Study of Submarining Tendency of a Hybrid III 5th Percentile Female Dummy，Proceedings of the ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition 2009.IMECE2009-12567. Lake Buena Vista, Florida, USA. November 13-19, 2009.
 
文 | 唐亮 清華大學博士，美國密歇根大學訪問學者，北京林業(yè)大學副教授 
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