浙江大学学报(工学版), 2025, 59(4): 679-687 doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2025.04.003

交通工程

汽车座椅后倾乘员下潜与腰椎损伤研究

平梦浩,, 梁微微, 周青, 唐亮,

1. 北京林业大学 工学院,北京 100083

2. 清华大学 车辆与运载学院,北京 100084

Submarining and lumbar spine injuries of occupants in reclined seat

PING Menghao,, LIANG Weiwei, ZHOU Qing, TANG Liang,

1. School of Technology, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China

2. School of Vehicle and Mobility, Tsinghua University, Beijing 100084, China

通讯作者: 唐亮,女,教授. orcid.org/0000-0001-6977-6534. E-mail:happyliang@bjfu.edu.cn

收稿日期: 2024-02-5  

基金资助: 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).

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:pingmenghao@hnu.edu.cn , E-mail:pingmenghao@hnu.edu.cn

摘要

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: 正面碰撞 ; 后倾工况 ; 防下潜 ; 腰椎损伤 ; 改进的假人模型

Abstract

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: frontal impact ; reclining condition ; anti-submarining ; lumbar spine injury ; modified dummy mode

PDF (1902KB) 元数据 多维度评价 相关文章 导出 EndNote| Ris| Bibtex  收藏本文

本文引用格式

平梦浩, 梁微微, 周青, 唐亮. 汽车座椅后倾乘员下潜与腰椎损伤研究. 浙江大学学报(工学版)[J], 2025, 59(4): 679-687 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2025.04.003

PING Menghao, LIANG Weiwei, ZHOU Qing, TANG Liang. Submarining and lumbar spine injuries of occupants in reclined seat. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2025, 59(4): 679-687 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2025.04.003

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.

在正面碰撞情况下,后倾姿态乘员的生物力学行为和损伤响应不同于标准坐姿. 现有的汽车碰撞安全试验法规和试验用假人仅适于正常标准坐姿,尚无针对后倾姿态的相关评价标准[42]. 支撑未来智能驾驶汽车建立恰当的损伤评估方法和安全法规,亟须开展针对汽车中后倾姿态的乘员运动学、生物力学行为和损伤响应的研究. 本研究使用改进的Hybrid III 5th假人模型[43-44]以及下潜评判准则[45],对影响下潜的乘员约束系统参数进行敏感性分析,提出6种防止乘员在后倾座椅工况中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以及台车碰撞试验验证,分析防下潜与乘员损伤的关系.

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

图 1   改进的Hybrid III 5th假人模型

Fig.1   Modified Hybrid III 5th dummy model


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 2   改进假人模型台车碰撞试验的验证[43]

Fig.2   Validation of modified dummy model by sled impact test[43]


图 3

图 3   假人碰撞损伤参数[43]

Fig.3   Dummy injury parameters[43]


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

图 4   座椅靠背角度和坐垫角度

Fig.4   Angles of seat back and cushion


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

图 5   安全带预紧器

Fig.5   Seat belt pretensioners


表 1   肩带限力器加载工况

Tab.1  Load conditions for shoulder belt load limiter

模型防下潜措施δ/(°)
基准模型50
2.2 kN肩带限力器50
2.2 kN肩带限力器+安全带单向锁止器50

新窗口打开| 下载CSV


1.4. 防下潜方案的有限元模拟

表2所示,基于下潜产生机理及约束系统参数分析,提出6种防下潜方案,其中基准模型无任何防下潜措施. 使用改进的Hybrid III 5th女性假人模型,在Ls-dyna平台上进行碰撞车速为48 km/h的正面碰撞有限元模拟,分析防下潜方案有效性以及乘员损伤. 台车碰撞环境如图6所示,包括乘员侧安全气囊、膝部挡板、脚踏板以及座椅和安全带等乘员约束系统.

表 2   防下潜方案

Tab.2  Anti-submarining countermeasures

模型δ/(°)防下潜方案
A23.5基准模型(直立座椅)
B50.0基准模型(后倾座椅)
C50.0锚点预紧器+单向锁止器
D50.0防下潜挡杆+单向锁止器
E50.0髋部气囊
F50.02.2 kN肩带限力器+单向锁止器
G50.0D环前移280 mm+单向锁止器
H50.0卷收器预紧器+锁扣预紧器

新窗口打开| 下载CSV


图 6

图 6   台车碰撞系统的有限元模型

Fig.6   Finite element model of sled impact test system


1.5. 台车碰撞试验

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,验证防下潜方案的有效性并分析乘员损伤. 如图7所示,加工完毕的试验台包括无约束假人、安全带固定装置、座椅固定装置以及膝部挡板固定装置. 固定装置为可调式设计,每次试验后都更换新的座椅和安全带. 考虑到试验成本,在试验中没有加装安全气囊. 通过光电传感器记录台车碰撞的初始速度,假人和安全带在碰撞过程中的运动响应由高速摄像机(帧率为1 000帧/s)记录. 如表3所示为台车碰撞试验的加载工况,基准模型无任何防下潜措施,试验③~⑥在试验①的基础上增加不同的防下潜措施.

图 7

图 7   台车碰撞试验的试验台

Fig.7   Sled impact test bench


表 3   台车碰撞试验的加载工况

Tab.3  Loading conditions of sled impact test

试验编号δ/(°)防下潜方案
45无防下潜措施
22无防下潜措施
45防下潜挡杆+单向锁止器
45减小肩带约束力+单向锁止器
45腹带两侧固定点前移160 mm+单向锁止器
45膝部挡板后移300 mm+单向锁止器

新窗口打开| 下载CSV


2. 结果分析

2.1. 影响下潜的约束系统参数分析

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  Submarining at different cushion angles

模型αts/ms是否下潜
110102
21595
32092
42588
53075

新窗口打开| 下载CSV


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

图 11   假人H点及L1腰椎的运动轨迹

Fig.11   Trajectory of H point and L1 lumbar of dummy


2.2.2. 乘员损伤分析

图12所示为不同防下潜方案对应的腰椎最大轴向力Flu. 由图可知,与直立工况相比,后倾工况的腰椎轴向力均明显增大. 在后倾工况中,与基准模型相比,所有防下潜方案均增加腰椎轴向力,提示防下潜措施会增加腰椎损伤风险,表明防下潜与腰椎骨折之间存在矛盾关系. 如图13所示为不同方案的FMVSS 208伤害指标对比. 图中,μ为各损伤输出值与FMVSS 208法规值的比值,FLFR分别为左大腿力、右大腿力. 乘员头部损伤指标HIC考察加速度随时间变化关系对头部损伤的影响,颈部损伤指标Nij考察颈部受力和弯矩对颈部损伤的影响,表达式分别为

图 12

图 12   腰椎最大轴向力对比

Fig.12   Comparisons of lumbar spine maximum axial force


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


$ \mathrm{H}\mathrm{I}\mathrm{C}=\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}\;({t}_{2}-{t}_{1}){\left(\frac{1}{{t}_{2}-{t}_{1}}{\int }_{{\mathrm{t}}_{1}}^{{\mathrm{t}}_{2}}a{\mathrm{d}}t\right)}^{2.5}, $

$ {N}_{\mathrm{i}\mathrm{j}}=\frac{{F}_{\mathrm{z}}}{{F}_{\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{t}}}+\frac{{M}_{\mathrm{y}}}{{M}_{\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{t}}}. $

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,$ {F}_{\mathrm{z}} $$ {M}_{\mathrm{y}} $分别为颈部轴向力和颈部弯矩,$ {F}_{\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{t}} $$ {M}_{\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{t}} $分别为相应的临界值. 对比直立工况与后倾工况下的基准模型,后倾工况下的HIC和Nij均增大,胸部压缩量减小. 分析原因:在座椅后倾工况下,乘员与安全带肩带之间的间隙变大,安全带对乘员的约束作用减弱,上体向前自由运动的位移增大,当安全带作用于乘员时,乘员与约束系统的速度差增大,在碰撞过程中乘员头部加速度增大,由于头部与颈部之间的相互作用,导致颈部受到的力和弯矩增大. 在后倾工况下,基准模型的HIC和Nij均较小,原因是6种防下潜方案减小下潜风险的依据主要是限制髋部的向前以及向下的运动,髋部运动的限制会促使上躯干向前转动,或者减小安全带肩带的约束力来增大上体向前的位移,会进一步增大乘员的头部加速度以及颈部力和弯矩,因此防下潜方案下HIC和Nij均进一步增大. 后倾工况的基准模型由于没有任何防下潜措施发生下潜,安全带侵入腹部,碰撞能量被腹部吸收,此时乘员受到的伤害主要是下潜造成的,因此基准模型的HIC和Nij都较小. 后倾工况增加了乘员的下潜风险,还增加了头部、颈部以及腰椎的伤害风险. 综合比较,模型E、F、H具有相对较小的头部、颈部以及腰椎伤害值,可以有效防止下潜的发生.

2.3. 防下潜方案的台车碰撞试验验证

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

图 14   台车碰撞试验的假人碰撞响应

Fig.14   Dummy impact responses of sled impact test


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.

参考文献

JORLÖV S, BOHMAN K, LARSSON A. Seating positions and activities in highly automated cars: a qualitative study of future automated driving scenarios [C]// Proceedings of IRCOBI Conference 2017 . Antwerp: [s. n.], 2017: 13–22.

[本文引用: 1]

LIN H, GEPNER B, WU T, et al. Effect of seatback recline on occupant model response in frontal crashes [C]// Proceedings of IRCOBI Conference 2018 . Athens: [s. n.], 2018: 386–387.

[本文引用: 1]

RICHARDSON R, DONLON J P, JAYATHIRTHA M, et al

Kinematic and injury response of reclined PMHS in frontal impacts

[J]. Stapp Car Crash Journal, 2020, 64: 83- 153

[本文引用: 1]

REHM C G, GOLDMAN R K

Seat belt and car seat in a reclined position: a dangerous combination

[J]. The Journal of Trauma, 2001, 51 (6): 1189- 1191

[本文引用: 1]

BOHMAN K, EL-MOBADER S, JAKOBSSON L

Effects of restraint parameters using PIPER 6y in reclined seating during frontal impact

[J]. Traffic Injury Prevention, 2022, 23 (Suppl.1): S123- S129

RHOADES T P, WISNIEWSKI E C

Judgments of risk associated with riding with a reclined seat in an automobile

[J]. Proceedings of the Human Factors and Ergonomics Society Annual Meeting, 2004, 48 (9): 1136- 1139

DOI:10.1177/154193120404800903     

商恩义, 乌秀春, 李楠

两种正面碰撞试验中后排女性假人伤害对比研究

[J]. 汽车技术, 2013, (4): 18- 22

DOI:10.3969/j.issn.1000-3703.2013.04.005      [本文引用: 1]

SHANG Enyi, WU Xiuchun, LI Nan

Comparative study on the rear-row female dummy’s injury in two full frontal collision tests

[J]. Automobile Technology, 2013, (4): 18- 22

DOI:10.3969/j.issn.1000-3703.2013.04.005      [本文引用: 1]

TANG L, ZHENG J, HU J

A numerical investigation of factors affecting lumbar spine injuries in frontal crashes

[J]. Accident Analysis and Prevention, 2020, 136: 105400

DOI:10.1016/j.aap.2019.105400      [本文引用: 1]

KITAGAWA Y, HAYASHI S, YAMADA K, et al

Occupant kinematics in simulated autonomous driving vehicle collisions: influence of seating position, direction and angle

[J]. Stapp Car Crash Journal, 2017, 61: 101- 155

[本文引用: 1]

DISSANAIKE S, KAUFMAN R, MACK C D, et al

The effect of reclined seats on mortality in motor vehicle collisions

[J]. The Journal of Trauma, 2008, 64 (3): 614- 619

[本文引用: 1]

SCHAEFER L C, JUNGE M, VÖRÖS I, et al

Odds ratios for reclined seating positions in real-world crashes

[J]. Accident Analysis and Prevention, 2021, 161: 106357

[本文引用: 1]

RICHARDS D, CARHART M, RAASCH C, et al

Incidence of thoracic and lumbar spine injuries for restrained occupants in frontal collisions

[J]. Annual Proceedings Association for the Advancement of Automotive Medicine, 2006, 50: 125- 139

[本文引用: 1]

LUET C, TROSSEILLE X, DRAZÉTIC P, et al

Kinematics and dynamics of the pelvis in the process of submarining using PMHS sled tests

[J]. Stapp Car Crash Journal, 2012, 56: 411- 442

[本文引用: 1]

MUEHLBAUER J, SCHICK S, DRAPER D, et al

Feasibility study of a safe sled environment for reclined frontal deceleration tests with human volunteers

[J]. Traffic Injury Prevention, 2019, 20 (Suppl.2): S171- S174

DOI:10.1080/15389588.2019.1659592      [本文引用: 1]

NGO A V, BECKER J, THIRUNAVUKKARASU D, et al

Investigation of occupant kinematics and injury risk in a reclined and rearward-facing seat under various frontal crash velocities

[J]. Journal of Safety Research, 2021, 79: 26- 37

DOI:10.1016/j.jsr.2021.08.001      [本文引用: 1]

GRACI V, HAUSCHILD H, MAHESHWARI J, et al

The effect of a moderately reclined seat-back angle on the kinematics of the large-omnidirectional child anthropomorphic test device with and without a belt-positioning booster in frontal crashes

[J]. Traffic Injury Prevention, 2022, 23 (Suppl.1): S117- S122

[本文引用: 1]

WHYTE T, KENT N, KEAY L, et al

Frontal crash seat belt restraint effectiveness and comfort accessories used by older occupants

[J]. Traffic Injury Prevention, 2020, 21 (1): 60- 65

DOI:10.1080/15389588.2019.1690648      [本文引用: 1]

NASERI H, IRAEUS J, JOHANSSON H

A numerical study on the safety belt-to-pelvis interaction

[J]. International Journal for Numerical Methods in Biomedical Engineering, 2022, 38 (4): e3572

DOI:10.1002/cnm.3572     

BOYLE K J, REED M P, ZASECK L W, et al. A human modelling study on occupant kinematics in highly reclined seats during frontal crashes [C]// Proceedings of IRCOBI Conference . Florence : [s. n. ], 2019: 19–43.

JONES M L H, EBERT S M, VARBAN O, et al

Effect of class I–III obesity on driver seat belt fit

[J]. Traffic Injury Prevention, 2021, 22 (7): 547- 552

DOI:10.1080/15389588.2021.1945590      [本文引用: 1]

THORBOLE C K

Seatbelt submarining injury and its prevention countermeasures: how a cantilever seat pan structure exacerbate submarining

[J]. Journal of Family Medicine and Primary Care, 2015, 4 (4): 587- 590

DOI:10.4103/2249-4863.174299      [本文引用: 1]

ROUHANA S W, HORSCH J D, KROELL C K

Assessment of lap-shoulder belt restraint performance in laboratory testing

[J]. Journal of Passenger Cars, 1989, 98: 1810- 1823

[本文引用: 1]

LÖVSUND P, NILSON G, THORNGREN L, et al. A test-rig for parametric studies of the car seat [C]// Proceedings of the SAE Technical Paper Series . [S.l.]: SAE International, 1993: 930347.

[本文引用: 1]

UMALE S, YOGANANDAN N, PINTAR F A, et al

Factors influencing the effectiveness of occupant retention under far-side impacts: a parametric study

[J]. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 2018, 84: 235- 248

DOI:10.1016/j.jmbbm.2018.05.021      [本文引用: 1]

李永刚, 张义, 黄强, 等

C-NCAP 2015后排女性假人下潜研究

[J]. 汽车科技, 2015, (5): 56- 61

DOI:10.3969/j.issn.1005-2550.2015.05.011     

LI Yonggang, ZHANG Yi, HUANG Qiang, et al

Rear female dummy submarining research base on C-NCAP 2015

[J]. Auto Sci-Tech, 2015, (5): 56- 61

DOI:10.3969/j.issn.1005-2550.2015.05.011     

HARTKA T R, CARR H M, SMITH B R, et al

Does obesity affect the position of seat belt loading in occupants involved in real-world motor vehicle collisions?

[J]. Traffic Injury Prevention, 2018, 19 (Suppl.1): S70- S75

[本文引用: 1]

BECK B, BROWN J, BILSTON L E

Assessment of vehicle and restraint design changes for mitigating rear seat occupant injuries

[J]. Traffic Injury Prevention, 2014, 15 (7): 711- 719

DOI:10.1080/15389588.2013.867433     

WANG Y, BAI Z, CAO L, et al

A simulation study on the efficacy of advanced belt restraints to mitigate the effects of obesity for rear-seat occupant protection in frontal crashes

[J]. Traffic Injury Prevention, 2015, 16 (Suppl.1): S75- S83

JONES M L H, EBERT S, MANARY M A, et al

Child posture and belt fit in a range of booster configurations

[J]. International Journal of Environmental Research and Public Health, 2020, 17 (3): 810

DOI:10.3390/ijerph17030810      [本文引用: 1]

URIOT J, POTIER P, BAUDRIT P, et al

Reference PMHS sled tests to assess submarining

[J]. Stapp Car Crash Journal, 2015, 59: 203- 223

[本文引用: 1]

RAWSKA K, GEPNER B, KERRIGAN J R

Effect of various restraint configurations on submarining occurrence across varied seat configurations in autonomous driving system environment

[J]. Traffic Injury Prevention, 2021, 22 (Suppl.1): S128- S133

[本文引用: 1]

王东林, 胡子辰, 赵亮, 等

正面碰撞时后排乘员的下潜损伤及其防护方案

[J]. 汽车安全与节能学报, 2021, 12 (4): 467- 474

DOI:10.3969/j.issn.1674-8484.2021.04.004      [本文引用: 1]

WANG Donglin, HU Zichen, ZHAO Liang, et al

Submarining injury mechanism and its protect measures for rear seat occupant under frontal impact

[J]. Journal of Automotive Safety and Energy, 2021, 12 (4): 467- 474

DOI:10.3969/j.issn.1674-8484.2021.04.004      [本文引用: 1]

SLUSHER G, SARFARE S, FALCIANI C, et al

Analysis of 6YO pediatric human body model kinematics and kinetics to determine submarining across naturalistic seating postures

[J]. Traffic Injury Prevention, 2022, 23 (Suppl.1): S111- S116

[本文引用: 1]

FORMAN J, MILLER M, PEREZ-RAPELA D, et al

Investigation of factors influencing submarining mitigation with child booster seats

[J]. Traffic Injury Prevention, 2023, 24 (1): 75- 81

DOI:10.1080/15389588.2022.2153594      [本文引用: 1]

RICHARDSON R, JAYATHIRTHA M, CHASTAIN K, et al

Thoracolumbar spine kinematics and injuries in frontal impacts with reclined occupants

[J]. Traffic Injury Prevention, 2020, 21 (Suppl.1): S66- S71

[本文引用: 2]

HORSCH J D, HERING W E. A kinematic analysis of lap-belt submarining for test dummies [C]// Proceedings of the SAE Technical Paper Series . [S.l.]: SAE International, 1989: 892441.

[本文引用: 1]

JI P, HUANG Y, ZHOU Q

Mechanisms of using knee bolster to control kinematical motion of occupant in reclined posture for lowering injury risk

[J]. International Journal of Crashworthiness, 2017, 22 (4): 415- 424

DOI:10.1080/13588265.2016.1275430      [本文引用: 1]

RAWSKA K, GEPNER B, KULKARNI S, et al

Submarining sensitivity across varied anthropometry in an autonomous driving system environment

[J]. Traffic Injury Prevention, 2019, 20 (Suppl.2): S123- S127

DOI:10.1080/15389588.2019.1655734      [本文引用: 1]

GRÉBONVAL C, TROSSEILLE X, PETIT P, et al

Effects of seat pan and pelvis angles on the occupant response in a reclined position during a frontal crash

[J]. PLoS One, 2021, 16 (9): e0257292

DOI:10.1371/journal.pone.0257292      [本文引用: 1]

RAWSKA K, GEPNER B, MOREAU D, et al

Submarining sensitivity across varied seat configurations in autonomous driving system environment

[J]. Traffic Injury Prevention, 2020, 21 (Suppl.1): S1- S6

[本文引用: 1]

KANG M, KIM H, CHO Y, et al

Occupant safety effectiveness of proactive safety seat in autonomous emergency braking

[J]. Scientific Reports, 2022, 12 (1): 5727

DOI:10.1038/s41598-022-09842-1      [本文引用: 1]

PINTAR F A, YOGANANDAN N, MAIMAN D J, et al

Thoracolumbar spine fractures in frontal impact crashes

[J]. Annals of Advances in Automotive Medicine Association for the Advancement of Automotive Medicine Annual Scientific Conference, 2012, 56: 277- 283

[本文引用: 1]

唐亮, 周青, 王青春

混Ⅲ碰撞假人有限元模型的改进及应用

[J]. 机械工程学报, 2013, 49 (15): 147- 152

DOI:10.3901/JME.2013.15.147      [本文引用: 7]

TANG Liang, ZHOU Qing, WANG Qingchun

Modification and application of hybrid III 5th percentile female dummy

[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2013, 49 (15): 147- 152

DOI:10.3901/JME.2013.15.147      [本文引用: 7]

TANG L, WANG Y, ZHOU Q

The effect of constrained hip-joint design on crash dummy responses

[J]. International Journal of Crashworthiness, 2010, 15 (4): 369- 376

DOI:10.1080/13588260903457755      [本文引用: 1]

TANG L, ZHOU Q. A theoretical study of submarining tendency of a hybrid III 5th percentile female dummy [C]// ASME 2009 International Mechanical Engineering Congress and Exposition . Lake Buena Vista: [s. n.], 2010: 541–550.

[本文引用: 2]

/