汽车座椅后倾乘员下潜与腰椎损伤研究
Submarining and lumbar spine injuries of occupants in reclined seat
通讯作者:
收稿日期: 2024-02-5
基金资助: |
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Received: 2024-02-5
Fund supported: | 国家自然科学基金资助项目(51975057);汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室开放课题基金资助项目(2021KLMT05). |
作者简介 About authors
平梦浩(1992—),男,讲师,从事汽车安全与轻量化研究.orcid.org/0000-0002-4331-606X.E-mail:
使用改进的Hybrid III 5th假人对影响下潜的约束系统参数进行敏感性分析,提出6种防止智能驾驶汽车乘员在后倾座椅工况下发生下潜的保护方案. 通过碰撞车速为48 km/h的正面碰撞有限元分析和台车碰撞试验验证所提方案的有效性. 结果表明,后倾工况在增加乘员下潜风险的同时,增大了乘员头部、颈部和腰椎的伤害风险. 所有防下潜方案均导致腰椎轴向力增加,提示防下潜措施会增加腰椎损伤风险,表明防下潜与腰椎损伤之间存在矛盾关系. 肩带限力器与安全带单向锁止器的组合、髋部气囊、卷收器预紧器与锁扣预紧器的组合,可以消除乘员在后倾工况中的下潜现象,保护腰椎,乘员头部、颈部、胸部和腿部的伤害指标均符合FMVSS 208的限值要求.
关键词:
Six anti-submarining countermeasures were developed with the modified Hybrid III 5th dummy to prevent the reclining occupants in intelligent vehicles, and a sensitivity analysis of the restraint system parameters affecting submarining was carried out. The effectiveness of the anti-submarining countermeasures was studied through frontal impact simulations at an impact speed of 48 km/h and sled tests. Results show that the reclining condition increases the risk of submarining while increasing the risk of injury to the head, neck and lumbar. The axial forces of lumbar increase in all countermeasures, suggesting that anti-submarining countermeasures can increase the risk of lumbar injury, indicating that there is a contradictory relationship between anti-submarining and lumbar spine fracture. The combination of shoulder belt load limiter and locking tongue, hip airbag, and the combination of retractor pretensioner and buckle pretensioner prevent reclining occupants from submarining and protect the lumbar spine, and the injury criteria of the head, neck, chest and leg of the occupant comply with the limit values specified in FMVSS 208.
Keywords:
本文引用格式
平梦浩, 梁微微, 周青, 唐亮.
PING Menghao, LIANG Weiwei, ZHOU Qing, TANG Liang.
随着智能驾驶汽车的出现,大部分乘员将从驾驶任务中解放出来,乘员乘坐空间设计将会发生重大改变. 为了提高乘坐舒适性,出现了许多具有大后倾角度坐姿(座椅靠背与竖直方向夹角为25°~60°)的座椅设计[1-3]. 从碰撞生物力学角度考虑,后倾坐姿一方面显著增加正面碰撞中乘员的下潜风险[4-7],导致更严重的腹部、胸部和颈部伤害;另一方面使乘员腰椎沿脊柱方向的受力冲击增大,成倍提高了腰椎伤害的概率. Tang等[8]认为,汽车正面碰撞中乘员下潜风险和腰椎伤害风险成反向关系,一些防下潜的手段可能会增加腰椎骨折的风险,因此在智能驾驶汽车乘员后倾坐姿工况下,乘员下潜伤害与腰椎损伤的矛盾变得更加突出. Kitagawa等[9]研究发现,传统的乘员约束系统无法保护智能驾驶汽车中后倾坐姿下的乘员. Dissanaike等[10]研究发现,乘员后倾姿态下的死亡率高于标准坐姿[11],即使在低速碰撞中后倾姿态也会给乘员造成严重损伤[12],Lin等[2]的研究也证明,后倾姿态的乘员更容易发生下潜,导致安全带对腹部的损伤. 智能驾驶汽车后倾姿态乘员面临着更高的下潜风险和更严重的腰椎损伤风险,探究其中的损伤机理和本质,以及防下潜与腰椎损伤之间的矛盾关系,对解决后倾姿态下乘员下潜问题具有重要意义.
后倾姿态下乘员承受的载荷方向发生变化,有比标准姿态(座椅靠背与竖直方向夹角为25°)更严重的下潜风险[13],但下潜致伤因素和损伤水平尚不明确. 针对汽车座椅靠背直立工况的下潜问题的研究较多,下潜的影响因素包括座椅坐垫角度[14]、座椅靠背角度[15-16]、安全带腹带角度[17-20]、座椅坐垫结构和刚度[21]、安全带腹带的几何参数[22]、安全带固定点位置[23]、安全带预紧器[24-29]、肩带限力器[26]、安全气囊[30-31]和防下潜挡杆[32]等. 此外,乘员坐姿[33-34]、脊柱曲率及骨盆俯仰角[35]、汽车室内环境参数[36-37](如脚踏板和膝盖挡板的位置)、人体体型[38]、腰椎角度和大腿摆放位置[39]也对下潜有一定程度的影响. 在研究座椅靠背后倾工况的下潜问题方面,Richardson等[35]提出后倾工况下骨盆前旋加剧脊柱压迫,后旋可以减小压缩力,但会增大下潜风险;Rawska等[40]发现增加坐垫角度并使用膝部挡板能防止后倾工况的下潜,但坐垫角度增加会增加腰椎屈曲负荷,Kang等[41]开发新的主动安全座椅并开展座椅有效性验证实验,结果显示,该主动安全座椅能够有效降低后倾工况的下潜风险以及头部和颈部伤害,有效提高离位乘员的安全性.
1. 正面碰撞有限元分析与台车碰撞试验
1.1. 改进的假人模型及下潜评价指标
小身材人体更容易发生下潜,为此采用唐亮等[43]改进的Hybrid III 5th女性假人模型作为研究对象. 如图1所示,该假人模型消除了一体式髋部皮肤对髋关节的约束,具有接近真实人体的髋部结构以及合理的碰撞响应,适合作为研究后倾座椅乘员下潜问题的工具. 研究乘员约束系统的防下潜效果须根据合理的下潜趋势判断准则来评估乘员的下潜风险,本研究根据安全带腹带在骨盆上的相对位置(belt position on pelvis, BOP)[45]判断下潜趋势. 在下潜未发生的情况下,BOP准则能够量化不同约束系统设计和在不同碰撞工况下的下潜发生趋势. 定义BOPL和BOPR分别为乘员左侧和右侧的下潜趋势判断指标,指标数值大于或等于0,表明下潜已经发生,数值越大,下潜趋势就越大.
图 1
1.2. 有限元基准模型的建立与验证
以行人髋部模块替换Hybrid III 5th坐姿假人髋部模块的假人为无约束假人. 无约束假人的大腿可以绕着髋部旋转,还可以定位任意后倾姿态,很大程度上近似改进的假人有限元模型. 如图2所示,使用无约束假人进行碰撞车速为48 km/h的正面碰撞台车试验,验证改进假人有限元模型的有效性. 在Ls-dyna有限元环境中,座椅靠背角度为23.5°,座椅与台车地板刚性连接,将48 km/h正面碰撞加速度波形加载到台车地板上. 按照FMVSS 208要求,将改进的假人模型定位到座椅上并建立安全带模型约束假人. 安全带与D环间的摩擦系数为0.1,假人与座椅坐垫、假人与安全带之间的摩擦系数为0.3. 如图3所示为在试验和模拟情况下假人碰撞损伤参数,包括头部合成加速度ah、胸部合成加速度ac、胸部压缩量D,以及安全带力Fb的时间历程曲线. 由图可知,在模拟情况中的曲线形状、峰值和脉宽与在试验情况中的基本一致,说明试验与模拟中假人的碰撞响应差别很小,误差在允许范围内. 台车碰撞试验的结果验证了改进的假人模型的可靠性,也验证了台车碰撞有限元模型的有效性[43].
图 2
图 3
1.3. 影响下潜的约束系统参数
影响下潜的约束系统参数有座椅靠背角度、座椅坐垫角度、安全带预紧器、安全带肩带限力器. 坐垫角度α定义为坐垫与水平方向的夹角,座椅靠背角度 δ 定义为座椅靠背与竖直方向的夹角,如图4所示. 在正常情况下,α=10°、δ=23.5°,舒适乘车姿态的座椅靠背角度一般为45°;从舒适性、安全性以及人机工程学的角度考虑,不建议过多增加坐垫角度. 将有限元基准模型的 α 固定为正常值10°,δ 从25°增大到50°,以研究座椅靠背从直立工况到后倾工况的下潜风险,角度取整以保证相同的角度变化幅度. 为了研究座椅靠背在后倾工况下α 的变化对下潜趋势的影响,将δ固定在正常值45°不变,α 从10°增大到30°.
图 4
安全带预紧器可以在碰撞初期迅速消除安全带与乘员的间隙,提高乘员约束系统的保护性能. 如图5所示,预紧器分为卷收器预紧器、锁扣预紧器和地板锚点预紧器,在基准模型的基础上,设置δ=50°,α=10°,分别研究3种预紧器在后倾工况下的防下潜性能,预紧器的触发时刻均为碰撞后10 ms. 如表1所示,为了研究安全带肩带限力器的防下潜效果,进行3组有限元仿真分析,其中模型Ⅰ的限力值为基于某款车型的卷收器限力值,模型Ⅱ、Ⅲ的限力值为经过优化的具有最佳防下潜效果的肩带限力值. 仿真中肩带限力值通过设置卷收器的载荷曲线实现,安全带单向锁止器安装在锁扣滑环处,作用是允许腹带滑入肩带部分,禁止肩带向腹带部分的窜动.
图 5
表 1 肩带限力器加载工况
Tab.1
模型 | 防下潜措施 | δ/(°) |
Ⅰ | 基准模型 | 50 |
Ⅱ | 2.2 kN肩带限力器 | 50 |
Ⅲ | 2.2 kN肩带限力器+安全带单向锁止器 | 50 |
1.4. 防下潜方案的有限元模拟
表 2 防下潜方案
Tab.2
模型 | δ/(°) | 防下潜方案 |
A | 23.5 | 基准模型(直立座椅) |
B | 50.0 | 基准模型(后倾座椅) |
C | 50.0 | 锚点预紧器+单向锁止器 |
D | 50.0 | 防下潜挡杆+单向锁止器 |
E | 50.0 | 髋部气囊 |
F | 50.0 | 2.2 kN肩带限力器+单向锁止器 |
G | 50.0 | D环前移280 mm+单向锁止器 |
H | 50.0 | 卷收器预紧器+锁扣预紧器 |
图 6
1.5. 台车碰撞试验
图 7
表 3 台车碰撞试验的加载工况
Tab.3
试验编号 | δ/(°) | 防下潜方案 |
① | 45 | 无防下潜措施 |
② | 22 | 无防下潜措施 |
③ | 45 | 防下潜挡杆+单向锁止器 |
④ | 45 | 减小肩带约束力+单向锁止器 |
⑤ | 45 | 腹带两侧固定点前移160 mm+单向锁止器 |
⑥ | 45 | 膝部挡板后移300 mm+单向锁止器 |
2. 结果分析
2.1. 影响下潜的约束系统参数分析
如表4所示为不同坐垫角度的下潜发生时刻ts. 可以看出,坐垫角度越大,下潜发生的时刻越早;在碰撞过程中,即使最小的坐垫角度都发生了下潜现象. 座椅靠背后倾角、预紧方式、限力方式对下潜风险的影响如图8所示. 图8(a)中,随着 δ 的增加,BOPL和BOPR增大,当 δ 增大到40°、45°和50°时,BOPL和BOPR均大于0. BOPmax(碰撞过程BOP的最大值)越大,下潜趋势越大,当BOPmax>0,意味着下潜发生;因此当 δ 增大到40°时,下潜发生. 图8(b)中,基准模型无任何预紧措施,BOPmax均大于0,即在碰撞过程中,所有模型均发生下潜,安装锁扣预紧器的模型对应的BOPR峰值的最小,即乘员右侧的下潜趋势最小,安装地板锚点预紧器的模型对应的BOPL值最小,即乘员左侧的下潜趋势最小. 在3种预紧方式中,卷收器预紧的BOPL和BOPR峰值均最大,说明单独使用该预紧方式的防下潜效果欠佳,更容易发生右侧下潜. 不同预紧方式下假人左右下潜趋势差异较大的原因:锁扣预紧器能够有效消除髋部两侧与腹带的间隙,左右两侧下潜趋势均明显减小,锚点预紧器或卷收器预紧器激活后,由于肩带或腹带通过髋部右侧的锁扣滑环向张力大的一侧移动,导致该处的间隙没有消除,髋部右侧下潜趋势较大. 与基准模型对比,安装安全带预紧器的模型的BOPL和BOPR峰值均减小,说明单独使用3种安全带预紧器均可以减小下潜趋势,但不能完全防止下潜. 图8(c)中,模型Ⅰ、Ⅱ的BOPL和BOPR峰值均大于0,即发生双侧下潜,模型Ⅲ的BOPL和BOPR峰值均小于0,即没有发生下潜. 因此,2.2 kN肩带限力器和安全带单向锁止器的联合使用可以作为后倾工况下的防下潜措施.
表 4 不同坐垫角度的下潜发生时刻
Tab.4
模型 | α | ts/ms | 是否下潜 |
1 | 10 | 102 | 是 |
2 | 15 | 95 | 是 |
3 | 20 | 92 | 是 |
4 | 25 | 88 | 是 |
5 | 30 | 75 | 是 |
图 8
图 8 座椅靠背后倾角、预紧器、限力器对下潜的影响
Fig.8 Influence of seat back reclining angles, pretensioners and load limiters on submarining
2.2. 防下潜方案的有限元模拟分析
2.2.1. 防下潜方案有效性分析
不同防下潜方案的假人运动响应如图9所示. 由图可知,安全带腹带均未滑离乘员骨盆,即所有防下潜方案均未导致下潜发生. 如图10所示为不同模型的BOP峰值,模型A的BOP峰值均小于0,可以判断没有发生下潜;模型B的BOP峰值均大于0,即发生了下潜;模型C~H的BOP峰值均小于0,即提出的防下潜方案可以有效防止乘员在后倾工况发生下潜. 通过限制髋部向前和向下的位移,可以防止安全带滑离骨盆导致下潜发生. 如图11所示为假人不同位置点的运动轨迹图. 图11(a)中,与基准模型相比,各防下潜方案H点的x向位移均减少;使用卷收器预紧器与锁扣预紧器,x向位移减小39%;使用髋部气囊,x向位移减小22%,z向位移减小50%. 图11(b)中,与基准模型相比,同时使用卷收器预紧器与锁扣预紧器,L1的x向位移明显减少,假人上半身运动受到限制. D环前移会使L1的x向位移增大、z向位移减小,增大了假人上半身的运动. 在上述防下潜措施中,安全带预紧器通过减小腹带与髋部的间隙来减小下潜趋势,例如锚点预紧器与安全带单向锁止器的组合,卷收器预紧器与锁扣预紧器的组合. 通过减小H点在碰撞过程中向前及向下的位移,也能减小下潜趋势,例如使用髋部气囊、膝部挡板、防下潜挡杆与安全带单向锁止器的组合. D环前移以及使用安全带肩带限力器通过减小肩带约束力来增大上体向前的位移,从而减小下潜趋势,考虑到头部和颈部的伤害风险,肩带限力器与安全带单向锁止器的组合,不仅能够防下潜发生,而且具有较低的头部和颈部伤害值.
图 9
图 9 不同防下潜方案的假人运动响应
Fig.9 Dummy responses under different anti-submarining countermeasures
图 10
图 10 不同防下潜方案对下潜趋势的影响
Fig.10 Influence of different anti-submarining countermeasures on submarining tendency
图 11
2.2.2. 乘员损伤分析
图 12
图 13
图 13 不同防下潜方案的假人损伤指标参数对比
Fig.13 Comparison of dummy injury indicator parameters under different anti-submaring countermeasures
式中:a为头部质心合成加速度,t1、t2为碰撞过程中的2个时刻,
2.3. 防下潜方案的台车碰撞试验验证
如图14所示,基于仿真分析结果,对防下潜方案分别进行台车碰撞试验验证. 在试验①中,t=90 ms时,安全带腹带开始滑向腹部;t=110 ms时,安全带完全侵入腹部,即发生下潜. 在试验②中,碰撞过程中安全带腹带始终作用在骨盆上,没有滑入腹部,未发生下潜. 在试验③中,假人髋部的向前运动被挡杆阻止,上体绕着挡杆向前转动,碰撞过程中安全带始终作用在骨盆上,没有发生下潜. 在试验④中,减小肩带约束力同时使用单向锁止器会增大安全带肩带与乘员的间隙,腹带没有滑入假人的腹部,没有发生下潜. 试验⑤的安全带没有滑入假人的腹部,即没有发生下潜;由于安全带腹带两侧固定点前移,腹带对髋部的约束力减小,假人的髋部向前位移比其他试验的大. 在试验⑥中,由于膝部挡板的作用,假人髋部的向前运动被阻止,又由于惯性的作用,假人上体继续向前运动,下潜趋势减小. 对于试验①~⑥,在整个碰撞过程中,安全带始终作用于骨盆没有侵入腹部,即没有发生下潜现象.
图 14
如图15所示为台车碰撞试验的假人损伤输出值对比. 可以看出,试验①、②中没有测量到Nij. 比较试验①、②的伤害值可以看出,后倾工况不但增加了下潜风险,也增大了头部的伤害风险. 试验③的头部以及颈部的伤害值比其他防下潜方案的低,原因是防下潜挡杆在碰撞过程中可以吸收能量,而且没有减小其他部分的乘员约束(如肩带约束和腹带约束). 对于试验④,由于增大肩带与乘员的间隙会增大头部和颈部伤害,HIC和Nij均超出法规要求的范围. 由试验①~⑥的假人伤害指标可以看出,只有Nij超出法规范围,其他的伤害指标都在法规要求范围内.
图 15
图 15 不同台车碰撞试验的假人损伤指标参数对比
Fig.15 Comparison of dummy injury indicator parameters under different sled impact tests
3. 结 语
座椅靠背后倾工况面临着比座椅靠背直立工况更大的下潜风险;单独使用不同的安全带预紧器均可以减小下潜趋势,但不能完全防止下潜发生. 碰撞车速为48 km/h的正面碰撞有限元模拟分析以及台车碰撞试验验证结果表明:1)后倾工况不仅增加了乘员的下潜风险,也增大了头部、颈部以及腰椎的伤害风险;2)防下潜与腰椎损伤之间存在矛盾关系,防下潜措施会增加腰椎损伤风险;3)肩带限力器与安全带单向锁止器的组合、髋部气囊、卷收器预紧器与锁扣预紧器的组合是3种推荐的防下潜方案. 该研究成果对未来智能驾驶汽车下潜和腰椎损伤机理的研究以及防护措施的设计有指导意义. 由于假人模型与人体有限元模型在结构材料、生物逼真度、损伤指评价等方面存在差异,暂未利用人体有限元模型进行下潜行为与腰椎损伤的研究. 下一步工作将基于人体有限元模型研究智能驾驶汽车中乘员的下潜行为与损伤机理,进一步探索参数可调的乘员约束系统,为不同坐姿乘员提供个性化保护.
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