汽車側(cè)面氣囊對老年乘客的安全防護效率研究

李力婕　莊苗云　王立　洪建武　黃萍

摘要：本問介紹了我國汽車側(cè)面安全氣囊對老年乘客的安全防護效率的研究方法。利用仿真實驗研究老年乘客在汽車側(cè)面碰撞中頭、頸、胸三個部位所受到的傷害，結(jié)合相應(yīng)的國家法律法規(guī)中對于頭、頸、胸三個部位損傷機理的評價指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：老年乘客；側(cè)面碰撞；安全氣囊

1.研究老年乘客防護效率的必要性

通常來說，人進入老年后身體狀況就開始下滑，對于外界傷害的承受能力也大如青年人。數(shù)據(jù)顯示，50歲以上的人群中，1/3女性、1/5男性會受到骨質(zhì)疏松的威脅，60歲以上的女性骨質(zhì)疏松達到50%。在我國，70到80歲的人群的骨質(zhì)疏松發(fā)病率幾乎達到100%。因此，在車輛側(cè)面碰撞事故中，老年乘員面臨較高的傷亡風(fēng)險，尤其是對于近碰撞側(cè)位置的老年乘員而言。目前，越來越多的車輛通過配置側(cè)面安全氣囊來提高側(cè)面碰撞中乘員的安全性，后排座椅位置側(cè)面安全氣囊的設(shè)計應(yīng)兼顧老年乘員的安全防護。由此可見，研究側(cè)面安全氣囊對老年乘員的安全防護效率是時代發(fā)展的必然趨勢。

本項目所做的汽車側(cè)面安全氣囊對老人的防護效率，主要分析碰撞中側(cè)面安全氣囊動態(tài)展開條件下對在位老年乘員的安全防護效率，特別是老年人在遭遇車禍安全氣囊彈出后的一系列情況。

2.側(cè)面安全氣囊作用原理

汽車受到碰撞方.向有多種可能，除了常見的正面碰撞和后部碰撞，還有可能受到來至側(cè)面的撞擊。車上裝備了側(cè)安全氣囊，主要保護乘員的上半身軀干和盆骨，避免因撞擊給乘員帶來的側(cè)面損傷。側(cè)面安全氣囊集成在前部座椅的靠背中。被折疊的安全氣囊和氣體發(fā)生器安裝在塑料殼體內(nèi)，當(dāng)側(cè)面安全氣囊被觸發(fā)時，氣體發(fā)生器中的氣體艙被打開。這時氣盒中具有高壓的氣體瞬時膨脹，從而使得安全氣囊也膨脹。側(cè)面安全氣囊的氣體容量約為12升，駕駛員和前座乘客安全氣囊的充氣體積分別為65升和120升。

3.汽車側(cè)面碰撞中頭、頸、胸的損傷機理

在汽車側(cè)面碰撞中，人體的頭部主要傷害形式有頭皮挫傷、顱骨破裂、腦組織損傷。其損傷機理在于汽車受到側(cè)面碰撞時，乘員由于慣性作用而與側(cè)面車床或者其他部件相撞，從而導(dǎo)致上述傷害。

在汽車側(cè)面碰撞中，人體的頸部主要傷害形式有軟組織損傷、骨折和脊椎損傷。頸部運動形式主要是側(cè)向彎曲和扭轉(zhuǎn)運動。人們對其損傷機理并沒有得到完全認(rèn)識。一般認(rèn)為在側(cè)面碰撞過程中乘員頸部在頭部慣性載荷作用下，肌肉和韌帶拉傷；由于椎骨上壓力過大而產(chǎn)生骨折。骨折后碎片進入脊椎腔而造成脊椎損傷。研究表明，頸部的柔韌性在一般載荷條件下能保證其免受傷害，但是當(dāng)頸部兩端都受到約束時，其柔韌性的極限很快會被超過，從而造成頸部損傷。由于側(cè)面碰撞中，安全帶對人的運動約束有限，頭部很容易與車輛相碰，從而產(chǎn)生上述兩端都受到約束的情況。

在汽車側(cè)面碰撞中，人體的胸部主要傷害形式有軟組織損傷、肋骨骨折、心臟和肺挫傷、血管破裂、心臟穿孔等。在側(cè)碰過程中，人體胸部主要受到安全帶的勒緊力以及車門等外物的鈍性沖擊力，加上人體自身的慣性力，從而造成胸部擦傷、挫傷和骨折。

當(dāng)然僅僅知道人體在車禍中的損傷機理還是遠遠不夠的。我們還需要一定的指標(biāo)來評價損傷的程度。在本次課題中，我們著重研究頭、頸、胸三個部位的受傷情況。對于頭、頸兩個部位，我們嚴(yán)格遵照GB20071-2006《汽車側(cè)面碰撞的乘員保護》中規(guī)定來評定是否滿足標(biāo)準(zhǔn)，如不滿足則判定該安全氣囊防護效率低。利用公式 來算出頭部傷害指標(biāo)，判斷HIC值是否<=1000，若大于1000就不符合標(biāo)準(zhǔn)。利用公式：V（t）= 來計算頸部傷害指標(biāo)，若所得VC值大于1.0m/s則不滿足標(biāo)準(zhǔn)。由于在《汽車側(cè)面碰撞的乘員保護》中沒有給出評價頸部的傷害指標(biāo)，我們則利用Aldman提出的頸部損傷機理中頸部損傷準(zhǔn)則（NIC）來作為頸部受傷的評價標(biāo)準(zhǔn)。利用公式： 計算NIC值從而判斷。

4.仿真模擬方法的確立

利用有限元軟件的強大建模功能及其接口工具，可以很逼真地建立三維人體骨骼、肌肉、血管、口腔、中耳等器官組織的模型，并能夠賦予其生物力學(xué)特性。在仿真實驗中，對模型進行實驗條件仿真，模擬拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)、抗疲勞等力學(xué)實驗，可以求解在不同實驗條件下任意部位的變形，應(yīng)力、應(yīng)變分布，內(nèi)部能量變化及極限破壞情況。所以，將采用計算機軟件建立汽車側(cè)面碰撞仿真模擬。

此次計算機仿真模擬將利用HyperMesh、MADYMO和LS-DYNA軟件。在HyperMesh軟件中對導(dǎo)入的整車CATIA數(shù)模進行有限元模型的建立，最后生成K文件。MADYMO軟件中有著全世界最好的機械假人的數(shù)學(xué)模型和歐洲人體模型項目最新開發(fā)的HUMO2的數(shù)學(xué)模型，氣囊是由兩塊平行的圓平面來模擬的，氣囊?guī)缀涡螤钔ㄟ^有限元模型來模擬。氣囊的有限元模型是采用三節(jié)點的三角形膜單元來建立的，由2048個膜單元1027個節(jié)點構(gòu)成。研究汽車碰撞過程中乘員的動力學(xué)響應(yīng)，從而為交通事故中乘員損傷程度的判定及它們對乘員安全影響的研究提供科學(xué)依據(jù)。同時安全帶仿真模型的建立也將在MADYMO中實現(xiàn)。也就是說HyperMesh負(fù)責(zé)整車模型和移動壁障的建立，MADYMO負(fù)責(zé)假人、安全氣囊和安全帶的建立。最后將整車模型和假人、安全氣囊和安全帶整合在一起，在LS-DYNA軟件上進行碰撞，計算分析出我們所需要的數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)采集。

5.小結(jié)

所以，此次研究采用計算機軟件建立仿真模型，并通過側(cè)面碰撞仿真試驗來進行評價。對側(cè)面碰撞條件下，有、無側(cè)面安全氣囊展開時，安全帶肩帶有松弛、安全帶肩帶位于背后、安全帶肩帶位于胳膊下方和正確使用安全帶的乘員的頭、頸及胸部的動力學(xué)響應(yīng)進行對比分析。最后，在仿真模擬中得出的頭、頸、胸的受力數(shù)據(jù)與老年人頭、頸、胸所能承受的最大力進行比對得出研究結(jié)果。

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