基于女性假人胸部傷害的后排安全帶固定點位置

商恩義, 烏秀春

(1.浙江吉利汽車研究院有限公司 浙江省汽車安全技術研究重點實驗室， 杭州 311228; 2.上海電機學院 汽車學院, 上海 201306)

基于女性假人胸部傷害的后排安全帶固定點位置

商恩義1, 烏秀春2

(1.浙江吉利汽車研究院有限公司 浙江省汽車安全技術研究重點實驗室， 杭州 311228; 2.上海電機學院 汽車學院, 上海 201306)

通過對后排安全帶各固定點位置變化對女性假人胸部傷害的影響進行研究，指出提高試驗中女性假人胸部剛度來降低對假人胸部的傷害，安全帶D環安裝在C柱上好于安裝在靠背后方、在C柱上靠前位置好于靠后位置，短帶扣好于長帶扣，帶扣安裝點靠前好于安裝點靠后，安全帶固定點靠后好于靠前。

被動安全； 女性假人； 胸部剛度； 安全帶； 安裝位置

中國新車評價規程(C-NCAP)[1]中規定,在50 km/h正面碰撞試驗和64 km/h正面偏置碰撞試驗中,后排安放女性假人(Hybrid Ⅲ 5th女性假人，簡稱女性假人或5%假人)，考核部位為頭部、頸部和胸部，總評分為2分。其中，胸部的考核指標為肋骨壓縮變形量，滿分為1分;滿分點為23 mm及以下，零分點為48 mm及以上。文獻[2]中對10款車正面碰撞試驗的結果進行了統計分析，結果顯示胸部壓縮變形量的平均值為39.8 mm，最大變形量為52.5 mm。該結果表明胸部傷害是當前車輛正面碰撞試驗的主要失分點，也是車輛開發的難點。

文獻[3-4]中的研究表明，當前乘用車后排安全帶是按50%假人(Hybrid Ⅲ 50th男性假人，簡稱男性假人或50%假人)匹配。將安全帶腰帶與假人腰部接觸面形成的近似圓弧所對應的圓心角稱為包絡角，5%女性假人配帶后排安全帶后，安全帶對假人腰部作用的包絡角小，松弛量大。因此，在碰撞過程中，相對于50%假人使用，女性假人配帶后排安全帶時,安全帶作用時間晚，且肩帶和腰帶作用具有同步性,最終導致安全帶作用時假人相對車體已經具有較高相對速度，形成急速攔截，且腰帶的約束作用偏弱，肩帶的約束作用提升。因此,在該種作用情況下，女性假人胸部壓縮變形量極易偏大。

基于此，本文將提高安全帶腰帶相對肩帶的作用來降低對女性假人胸部的傷害作為研究內容。

1 研究方案確定

1.1假人胸部剛度

假人胸部由胸骨架和皮膚構成，是彈性結構，具有剛度。假人胸部剛度反映了假人胸部的抗壓能力[6-7]。相關研究表明[8-11]，正面碰撞試驗中，在安全帶作用下產生的剛度與安全帶和假人胸部間的接觸方式有關，胸部上方(肩部)接觸為主剛度較強，胸部下方(肋骨架下沿)接觸為主剛度較弱，在整個碰撞過程中剛度會有變化，但變化范圍較小，通常用變形量最大時的剛度表示。分析假人胸部剛度時，通常將安全帶作用下胸部產生壓縮變形的力稱為變形力，則依據胡克定律[4],有

Fv=kvD

(1)

式中，Fv為壓縮變形力，與假人安全帶肩帶力近似相等；kv為碰撞過程中安全帶作用下假人胸部剛度，kN/m;D為胸部變形量；在分析過程中，排除安全帶肩帶作用與產生壓縮變形間的延時影響，當Fv與肩帶力Fs曲線基本平行及幅值基本相等時,所求得kv即為試驗中假人胸部剛度。

1.2某車后排碰撞試驗結果分析

某款車L進行50 km/h正面碰撞試驗，碰撞結果如圖1所示。

(a) 胸部變形量

(b) 腰帶與肩帶力間的關系

(c) 女性假人胸部剛度

Fig.1 Frontal crash test results at a speed of 50 km per hour

圖中，胸部變形量D由壓縮產生,為負值[12]。Fs的測量傳感器位于肩部上方的安全帶上；Fl為腰帶力，其測量傳感器位于安全帶下固定點上方的安全帶上。由圖1(a)可見，壓縮的最大變形量僅為26.9 mm(63 ms時)，遠低于統計的平均值39.8 mm。圖1(b)中，Fl的幅值達到9 kN，幾乎是Fs的2倍。試驗結果表明：50 km/h正面碰撞時,胸部壓縮變形量較低，腰帶相對肩帶作用較強。由圖1(c)可見，胸部壓縮變形量達到最大前，kv=190 kN/m時的Fv與Fs曲線基本平行，且Fv的峰值與Fs基本相等；試驗中,Fv出現了雙峰，當kv=250 kN/m時,Fv的第2個峰與Fs幅值基本相等。即，試驗中，安全帶作用的初始階段,假人胸部剛度相當穩定，為190 kN/m;但在后續碰撞過程中,假人胸部剛度有所提升，達到kv=250 kN/m。由此可見,L車型試驗中,后排女性假人胸部剛度較高,傷害較低，值得研究。

試驗中,B柱加速度曲線與其他同類車型沒有明顯差異，可排除整車碰撞差異造成的影響。因此，可初步確認該車對后排女性假人胸部保護較好,可能與安全帶各安裝點的位置與其他車不同有關。該車后排女性假人與安全帶的關系如圖2所示。

圖2 仿真中女性假人和安全帶關系

由圖可見，后排安全帶上導向環(D-ring，D環)位于C柱上，靠近頭頂中部偏后位置；帶扣安裝點處于坐墊后方，帶扣頭上表面貼近坐墊表面。另外，經實車現場確認，安全帶下固定點位置位于C柱下方靠后位置。

1.3確定研究方案

對于乘用車，后排安全帶的D環通常固定在C柱上，或固定在靠背后方的結構上；安全帶帶扣的安裝點位置通常固定在坐墊后方的地板上，其長度長短不一。帶扣的長度和安裝點位置反映了鎖舌的位置；安全帶下固定點的位置，由于結構問題，可能靠后，也可能靠前。因此，確定利用CAE對安全帶各固定點位置對假人胸部傷害的影響進行研究。

制定方案如下：以L車安全帶的各安裝點位置為基礎，兼顧研究結果的可應用性，再結合當前安全帶通常的安裝位置進行適當調整，進行仿真實驗1。然后，以仿真1的安全帶各固定點位置為基準，在此基礎上改變坐標再進行后續仿真實驗研究。考慮到要確保研究結果反映的現象清晰、明確，除D環位置外，其他以100 mm作為研究變量。最終，制定的仿真矩陣如表1所示。

表1 仿真研究矩陣

2 建立基礎模型

以MADYMO軟件為研究工具，利用其中的女性假人模型，基于L車型的坐標系，并以L車型安全帶各固定點的位置為基礎，結合當前幾款車型的安全帶固定點位置，建立基準的仿真模型如圖3所示[13-15]。

仿真模型建立后，在軟件中分別輸入安全帶特性參數、坐墊相關參數、L車正面碰撞試驗中B柱加速度曲線等，進行仿真1試驗。圖4給出了仿真1的實驗結果。

圖3仿真1中女性假人和安全帶關系

Fig.3 Female dummy and belt in simulation 1

(a) 女性假人胸部壓縮變形量

(b) 腰帶與肩帶力間的關系

(c) 女性假人胸部剛度

由圖4(c)可見，在約50 ms前，kv=125 kN/m時的Fv與Fs曲線基本平行；kv=150 kN/m時的Fv與Fs曲線幅值基本相等。由此可見,仿真1中，安全帶作用下,假人胸部剛度為125～150 kN/m，即整個胸部壓縮變形過程中，假人胸部剛度在不斷變大。仿真1實驗的結果是后排安全帶的一種通常表現，本文后續研究以仿真1實驗的結果為基礎進行。

3 安全帶固定點對女性假人胸部傷害的影響

3.1D環在靠背后方

在仿真1實驗的基礎上，將D環安裝位置后移50 mm、下移200 mm，模擬D環在后排座椅靠背后方進行仿真2實驗。圖5給出了仿真2實驗結果。

(a) 仿真2與仿真1胸部變形量比較

(b) 仿真2與仿真1腰帶與肩帶力比較

(c) 女性假人的胸部剛度

由圖5(a)可見，仿真2實驗中的變形量包圍了仿真1中的變形量。由圖5(b)可見,在t=40 ms前，仿真1、2實驗中安全帶Fl保持了較好的同步性，表明此階段腰帶作用沒有受到D環位置影響；在t=40 ms后，仿真2實驗中Fl明顯偏低，同時，Fs表現偏強。由圖5(c)可見,kv在整個胸部受壓變形過程中表現比較均勻，基本保持在120 kN/m，但與仿真1實驗的結果相比明顯偏低。

對圖5的分析結果表明，安全帶D環偏下、偏后導致安全帶對假人胸部的約束偏強，對假人腰部的約束偏弱，假人胸部剛度降低。因此，相較而言，D環位置在C柱上較好。

3.2C柱上D環安裝位置前移

在仿真1實驗的基礎上，將D環安裝位置前移100 mm進行仿真3實驗。圖6所示為仿真3實驗結果。

(a) 仿真3與仿真1胸部變形量比較

(b) 仿真3與仿真1腰帶與肩帶力比較

(c) 女性假人的胸部剛度

由圖6(a)可見,在胸部變形恢復前，仿真1實驗中胸部變形量包圍了仿真3實驗中的變形量，但幅值比較接近。由圖6(b)可見,仿真3和仿真1實驗中Fl和Fs都保持了較好的同步性，只是仿真3實驗中Fs略顯滯后。由圖6(c)可見,在仿真3實驗中,kv基本在135～155 kN/m之間，與仿真1實驗的結果相比略顯偏高，安全帶作用初始階段偏高相對明顯。

對圖6的分析結果表明，當D環安裝位置在C柱上時，偏向前方略好。

3.3帶扣長度加長

在仿真1實驗的基礎上，將帶扣加長120 mm進行仿真4實驗。圖7所示為仿真4實驗結果。

(a) 仿真4與仿真1胸部變形量比較

(b) 仿真4與仿真1腰帶與肩帶力的比較

(c) 女性假人的胸部剛度

由圖7(a)可見,仿真4實驗中胸部壓縮變形量最大值相對較偏小，但其變化晚，變形快，在約50 ms時變形量超過仿真1實驗中的變形量，壓縮過程中存在變形量幅值偏大風險。由圖7(b)可見,仿真4實驗中安全帶腰帶和肩帶的作用均較晚，但增幅較快,約40 ms后，仿真4實驗中安全帶Fl明顯偏高;由圖7(c)可見,在仿真4實驗中，kv在120～160 kN/m之間，與仿真1實驗相比，最低剛度偏低，最高剛度偏高，在安全帶整個作用過程中表現較差。分析其原因，是由于腰帶作用晚，作用時假人前沖的相對速度已較高，作用強度增強快;隨著腰帶作用的急速增強及肩帶限力，假人前撲的幅度大于仿真1實驗，假人肩部外拉安全帶的作用也強過仿真1實驗。因此，相對于仿真1實驗，假人運動前期胸部剛度低，后期肩部作用增強、后胸部整體剛度偏高。

分析帶扣加長后對女性假人接觸位置的影響，仿真4實驗中安全帶鎖舌與女性假人腹部的位置關系如圖8所示。仿真4實驗中,安全帶帶扣加長后，鎖舌處于女性假人的腹部，而仿真1實驗中鎖舌位置處于女性假人的臀部(見圖3)。對兩次仿真實驗中靠近帶扣側的腰帶位置進行比較，仿真4實驗中的腰帶位置明顯靠上，則碰撞中假人腰帶滑入腹部造成假人下潛的風險增大；另外，腰帶作用于腹部也會增大腹部內臟受傷的風險。

圖8 仿真4中鎖舌與假人腹部位置關系

綜合分析仿真4和仿真1實驗的結果以及鎖舌位置對腰帶位置的影響，雖然仿真4實驗中女性假人胸部壓縮變形量略好于仿真1，但從安全性和穩定性兩方面共同考慮，短帶扣的保護效果要優于長帶扣。

3.4帶扣安裝點前移

在仿真1實驗的基礎上，將帶扣安裝點位置前移100 mm進行仿真5實驗。圖9為仿真5實驗結果。

由圖9(a)可見,在胸部變形恢復前，仿真1實驗中的胸部變形量包圍了仿真5實驗中的變形量，且兩條曲線下降過程基本同步，只是仿真5中起步偏晚。由圖9(b)可見,仿真5實驗中,安全帶腰帶和肩帶作用時間均略晚,在約40 ms后，Fl明顯增強，但幅值僅比仿真1實驗中的Fl高約1 kN，不是過強，只是持續時間較長;另外，Fs上升速度不是很快，整個過程在仿真1實驗中Fs的包絡之下。由圖9(c)可見,在仿真5實驗中,在140～165 kN/m間，與仿真1相比，整體剛度偏高，且變化范圍與仿真1實驗中相同，較集中、穩定。

(a) 仿真5與仿真1胸部變形量比較

(b) 仿真5與仿真1腰帶與肩帶力的比較

(c) 女性假人的胸部剛度

圖10所示為仿真1和仿真5實驗中鎖舌、安全帶與假人的位置關系對比。由圖可見， 仿真1實驗中的安全帶鎖舌位于假人臀部后下方，仿真5實驗中鎖舌位于假人大腿根部下方。由于鎖舌位置與假人臀部相對位置關系的差異，仿真1實驗中安全帶肩帶腹部部分，對假人胸部肋骨下沿形成明顯后拉，而仿真5實驗中后拉不明顯，基本與肋骨前端面平行。在此差異下，仿真1和仿真5實驗中在安全帶肩帶作用下的假人胸部剛度完全不同。

(a) 仿真1 (b) 仿真5

圖10鎖舌及安全帶與假人位置關系對比

Fig.10 Relation of belt tongue and dummy

綜上所述，當安全帶帶扣安裝點靠前時，腰帶的保護作用更強，肩帶的保護效果更佳，碰撞中假人胸部的剛度表現更高，胸部壓縮變形量相對更小。

3.5安全帶下固定點前移

在仿真1實驗的基礎上，將安全帶下固定點前移100 mm進行仿真6實驗。圖11為仿真6實驗結果。

(a) 仿真6與仿真1胸部變形量比較

(b) 仿真6與仿真1腰帶、肩帶力的比較

(c) 女性假人的胸部剛度

由圖11(a)可見,仿真6實驗中胸部壓縮變形量與仿真1實驗中的結果比較接近，但開始變化晚，變形快，在約50 ms時變形量超過仿真實驗1中的變形量，且幅值較仿真1中幅值略高。由圖11(b)可見,仿真6中安全帶腰帶和肩帶的作用均較晚，其中，腰帶作用偏晚明顯;在約50 ms后，仿真6實驗中F1明顯偏高。由圖11(c)可見，kv在120～150 kN/m之間，與仿真1實驗相比，最低剛度偏低。

綜合分析上述仿真結果，仿真6和仿真4實驗的表現相近，最低剛度偏低，胸部在整個變形過程中剛度不穩定。

5 結 論

本文通過對后排安全帶D環安裝在C柱上偏后位置，短帶扣且其安裝點位于靠后位置，安全帶下固定點位于靠后位置的安全帶安裝方式為基礎，對后排安全帶各固定點位置變化對女性假人胸部傷害的影響進行了研究，得出以下結論：提高女性假人的胸部剛度、降低對女性假人胸部的傷害，安全帶D環安裝在C柱上好于安裝在靠背后方，在C柱上靠前位置好于靠后位置，短帶扣好于長帶扣，帶扣安裝點靠前好于安裝點靠后，安全帶下固定點靠后好于靠前。其中，以帶扣安裝點前移對女性假人胸部剛度的改善最為明顯，對假人胸部傷害最小。

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Fixing Position of Rear-Row Seat Belt Based on Chest Injury of Female Dummy

SHANGEnyi1,WUXiuchun2

(1. Geely Automobile Research Institute, Zhejiang Key Laboratory of Automobile Safety Technology, Hangzhou 311228, China; 2. School of Automobile, Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China)

By studying chest injury of female dummy under impacts with varying fixing positions of the rear-row seat belt, the following conclusions are obtained. Fixing the D-ring on the C-pillar is better than on the back of backrest. It is better that the D-ring position is forward than rearward on the C-pillar, and the buckle is better to be short than long. The buckle fixing point is better to be forward than rearward. The lower fixing point is better to be rearward than forward. To reduce chest injury, sternum rigidity should be enhanced.

passive safety; female dummy; chest stiffness; seat belt; fixing position

烏秀春(1973-)，女，教授，博士，主要研究方向為汽車CAD/CAE，E-mail：wuxc@sdju.edu.cn

U 467.14

A

2017 -06 -28

商恩義(1972-)，男，工程師，主要研究方向為汽車被動安全，E-mail:shangenyi@163.com

2095 - 0020(2017)04 -0237 - 07