車輛偏置碰撞中乘員頭部慣性傷降低研究

盧靜 鄭顥 歐陽俊 王玉超 劉玉云

摘 要：車輛碰撞事故中乘員頭部大且持續時間長的轉動加速度會造成彌散性腦損傷，NHTSA2018版征求意見稿中提出用BRIC考察這種損傷。統計了美國市場部分車型中BRIC值，評價最差的工況是90km/h OMDB工況，獲得優秀評價的比例為33.33%。通過對BRIC值評價優秀車型的分析，認為駕駛員頭部在側氣囊和DAB之間穩定滑過是一種較好的保護模式。為驗證分析結論，首先建立了OMDB工況下的駕駛員側模型；研究了DAB、側氣簾、轉向管柱對BRIC值的影響；仿真結果表明：a）側氣簾厚度過大過小都不利于BRIC值的降低；b）DAB直徑增大有利于增加保護在區域；c）DAB剛度過大過小都不利于BRIC值的降低；d）DAB拉帶變長有利于BRIC值的降低；e）轉向管柱的潰縮，不利于BRIC值的降低；通過上述方案優化，BRIC值可從0.89降低至0.69，降低幅度可達20%。然后基于仿真優化方案進行了滑臺試驗，試驗結果表明，BRIC值為0.64，與預測值0.69較為接近，預測精度為92.8%。最后基于滑臺驗證了乘員頭部與側面氣簾接觸區域平整度對BRIC值的影響，側面氣簾變薄后BRIC值從0.64增加為0.84，影響顯著。

關鍵詞：US-NCAP；OMDB工況；頭部轉動慣性傷；BRIC值

中圖分類號：U461.9 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2019）01-0053-09

Abstract： Larger and longer rotational acceleration may lead to diffuse brain injury in vehicle collisions. BRIC was used to examine the injury in the NHTSA2018 draft. According to the statistics of BRIC in some American market cars， The worst condition was OMDB， The percentage of excellent evaluations was 33.33%. By analyzing the excellent vehicle， it is considered that the stable sliding of the drivers head between side airbags and DAB is a better protection mode. In order to verify the analysis conclusion， a drivers side model of OMDB was established， and the influence of DAB， CAB and steering column on BRIC was studied. The simulation results show ： a）a larger or smaller thickness of SAB is not conductive to the reduction of BRIC； b）Increase the diameter of DAB is beneficial to increase the protection region； c）a larger or smaller stiffness of DAB is not conductive to the reduction of BRIC； d） a longer straps of DAB is conductive to the reduction of BRIC； e） the collapse of the steering column is not conductive to the reduction of BRIC. Through the above optimization scheme， the BRIC can be reduced from 0.89 to 0.69， and the reduction rate can reach 20%. Then， the above optimization scheme was tested， the results show：the BRIC value is 0.64， which is close to the predicted value of 0.69， and the prediction accuracy is 92.8%. Finally， based on the sled test， the effect of the smoothness of the contact area between the head and the side air curtain was verified. BRIC value increased from 0.64 to 0.84 after side air curtain thinning.

Key Words： US-NCAP； OMDB； rotation inertia injury of head； BRIC

2017年，中國汽車銷量達到2900萬量，銷量全球第一；隨著中國汽車工業的發展壯大，自主汽車企業不斷有進軍美國市場的計劃；美國市場是全球汽車碰撞安全考察最為嚴格的市場，給自主汽車企業帶來不小挑戰。2015年美國發布了新車評價規程2018版（US-NCAP2018）征求意見稿[1]，將用全新的評價體系，其中首次提出考察由轉動加速度會造成的彌散性腦損傷，并提出新的考核指標BRIC（Brain Injury Criterion）[2]。

數據表明[3]，頭部損傷造成的死亡在交通事故中所有致死原因中占到68%；其中轉動加速度過大造成的彌漫性腦損傷占到因頭部損傷死亡人數的三分之一[4]。目前各國法規評價頭部損傷的標準為HIC（Head Injury Criteria）[7]，該標準主要和頭部質心的線性加速度有關，未考慮到旋轉加速度的影響。在國外已有大量文獻[5-6]研究由旋轉加速度引起彌散性腦損傷；國內相關研究文曉較少。

BRIC值尚未正式納入US-NCAP考察，國內汽車企業在該領域的關注較少；為應對未來美國法規的變化，本文首先統計了NHTSA數據庫中部分車型的BRIC考察指標得分情況，總結了BRIC值表現優秀車型的設計特點；建立了OMDB工況駕駛員側仿真分析模型，分析了正面氣囊和側面氣囊在OMDB工況中對BRIC值的影響規律，提出了降低BRIC值的設計思路；并在滑臺試驗中對設計方案進行試驗驗證。研究了頭部轉動慣性傷的機理及并得到工程解決方案。

2 頭部轉動慣性傷損傷機理和考察指標BRIC

彌散性腦損傷主要和角加速度大小、持續時間以及起始角加速度運動方向有關。美國新車評價規程2018版（US-NCAP2018）征求意見稿規定BRIC值通過頭部三個不同方向的角速度計算得到，表達式如公式1所示。以頭部質心為原點的局部坐標系，在X、Y、Z三個不同方向角速度的參考值分別是66.25rad/s、56.45rad/s、42.87rad/s，該表達式在繞Z方向轉動的考核權重要高于繞X方向轉動和繞Z方向轉動。在繞X、Y、Z三個不同方向的轉動如圖1所示，分別取三個不同方向角速度絕對值最大值進行計算[8]。

NHTSA2018版征求意見稿中給出了56FRB、OMDB、27°MDB、75°POLE四個工況中BrIC值考察的上、下限值，如表1所示。

3 NHTSA數據庫中BrIC值得分情況分析

統計了NHTSA數據庫中12款車型在56FRB、OMDB、MDB、POLE四個碰撞工況下的BrIC值評價情況，獲得優秀評價的比例如圖2所示；在56FRB工況中，評價優秀車型占比62.5%；在OMDB工況中，評價優秀車型占比33.3%；在MDB工況中駕駛員側，評價優秀車型占比50%；在MDB工況中后排乘員側，評價優秀車型占比33.3%；在POLE工況中，評價優秀車型占比50%。可以發現，在上述5個分析工況中，BrIC值不滿足上限值要求風險最大的工況是OMDB工況和MDB工況后排乘員。

為揭示BrIC值過大原因，本文首先在OMDB工況挑選了3個BRIC值評價較好車型和3個Bric 值評價較差車型進行了對比分析。從圖3～圖5可以發現，3個BRIC值較差車型具備相同的特點：頭部從側氣簾和氣囊的縫隙中快速滑過并產生旋轉，側氣簾未對頭部的側向運動提供較好支撐；從圖6～圖8可以發現，3個Bric值較好車型具備相同的特點：頭部從側氣簾和氣囊的縫隙中緩沖滑過，頭部沒有出現明顯的旋轉運動。

4 OMDB工況駕駛員BRIC值降低仿真分析

本文研究處于項目開發概念階段，無OMDB工況試驗數據，故仿真分析模型基于在50km/h100%全正面碰撞中完成對標的分析模型，通過偏置角度的設置，碰撞波形更換、假人更換建立。基礎模型的對標結果如圖9示；由于偏置角度、碰撞波形、假人的變化不會影響到仿真模型的精度，故認為通過該種方法搭建的OMDB工況仿真模型具有可接受的分析精度。OMDB工況仿真模型如圖10所示，其中假人采用MADYMO中自帶的THOR-50M假人模塊，可直接輸出BrIC值。

基于上述模型，本文分析了DAB直徑、DAB泄氣孔直徑、DAB拉帶長度、側氣簾厚度、轉向管柱潰縮對Bric的影響；分析參數選擇如表3所示，DAB直徑選擇650mm、680mm、710mm三種參數，DAB泄氣孔直徑選擇20mm、30mm、40mm三種參數，DAB拉帶長度選擇270mm、300mm、330mm三種參數，側氣簾厚度選擇100mm、150mm、200mm三種參數，轉向管柱選擇潰縮和不潰縮兩種狀態。

4.1 側氣簾厚度對Bric的影響

首先分析了側面安全氣囊厚度對Bric值的影響；選擇50mm、100mm、150mm、200mm四種不同厚度側氣簾進行仿真對比分析，計算結果如表4所示，可以發現當側氣簾厚度為50mm時，BRIC值明顯高于側氣簾厚度為100mm、150mm、200mm時；側氣簾厚度為50mm時，側氣簾對乘員頭部的支撐不夠，而當厚度為100mm、150mm時，側氣簾可以對乘員頭部形成較好的支撐；當側氣簾厚度為200mm時，BRIC值呈現增加趨勢，主要原因是較厚的側氣簾會影響到乘員頭部的運動路徑，增加乘員頭部Y方向運動強度，并造成頭部繞Z方向旋轉運動趨勢增加。通過優化側氣簾厚度，可以讓BRIC值從0.89降低到0.81，降低幅度為9%。

4.2 正面氣囊直徑對Bric的影響

基于側面氣囊厚度100mm，分析了正面安全氣囊直徑對Bric值的影響；選擇了650mm、680mm、710mm三種方案進行仿真對比分析，計算結果如表5所示，可以發現隨著DAB直徑的增加，BRIC值呈現降低趨勢；從圖15、圖 17可以看出，當DAB直徑為650mm時，具有支撐不足的風險；當DAB直徑為710mm時，可以明顯增加對乘員頭部的支撐。DAB直徑增大，保證了乘員頭部不會從縫隙中滑脫；同時DAB直徑的增加會降低DAB剛度，這可以給乘員頭部更好的緩沖作用。通過優化DAB直徑，可以讓BRIC值從0.816降低到0.773，降低幅度為5.3%。

4.3 正面氣囊剛度對Bric的影響

基于側面氣囊厚度100mm，正面氣囊直徑710mm，分析了正面安全氣囊剛度對Bric值的影響；選擇了孔直徑20mm、30mm、40mm三種方案進行仿真對比分析，計算結果如表6所示，可以發現隨著DAB泄氣孔直徑的增加，BRIC值呈現先降低后增加的趨勢；從圖18-圖20可以看出，隨著DAB 泄氣孔直徑的增加時，剛度較小的DAB可以對乘員頭部提供更好的緩沖，但當剛度過小時，會造成對乘員頭部的支撐不足，由于乘員肩部受安全帶約束，乘員頭部會造成較大的讓Y方向旋轉運動，并進而造成較大的轉動慣性傷。從圖18可以看出，乘員頸部具有明顯的向上彎曲，從圖20可以看出，乘員頸部明顯的向下彎曲；過大的向上彎曲和向下彎矩都會造成較大的頭部繞Y方向旋轉，增加BRIC值。通過DAB剛度的優化，可以讓BRIC值從0.773降低到0.738，降低幅度為4.5%。

4.4 正面氣囊拉帶對Bric的影響

基于側面氣囊厚度100mm，正面氣囊直徑710mm、泄氣孔40mm，分析了正面安全氣囊拉帶對Bric值的影響；選擇了拉帶長度270mm、300mm、330mm三種方案進行仿真對比分析，計算結果如表7所示，可以發現隨著DAB拉帶長度的增加，BRIC值呈現先降低趨勢；從圖21-圖23可以看出，隨著DAB 拉帶長度的增加時，DAB可以更早的對乘員頭部提供緩沖，增加氣囊的做功距離，讓氣囊的緩沖作用發揮更充分，進而造成較大的轉動慣性傷。通過DAB拉帶長度的優化，可以讓BRIC值從0.747降低到0.735，降低幅度為2%。

4.5 轉向管柱對Bric的影響

基于側面氣囊厚度100mm，正面氣囊直徑710mm、泄氣孔30mm，拉帶300mm，分析了轉向管柱對Bric值的影響；選擇了轉向管柱潰縮和不潰縮兩種狀態進行仿真對比分析，計算結果如表8所示，可以發現轉向管柱不潰縮時，BRIC值呈現降低趨勢，且趨勢明顯；從圖24-圖25可以看出，轉向管柱潰縮后，乘員頸部具有更大的彎曲，頭部具有更大的前移量，同時乘員肩部在安全帶的約束作用下不能繼續前移， 故乘員頭部然Y方向轉動趨勢更強烈，進而造成較大的轉動慣性傷。與轉向管柱潰縮相比，轉向管柱不潰縮時，BRIC值可以從0.738降低為0.689，降低幅度為6.6%。

4.6 設計因素影響大小分析

從表9可以看出，在仿真中通過上述5個設計因素的優化分析，可以將模型中乘員BRIC值從0.89降低至0.689，減低幅度為20%；其中對BRIC值影響最大的因素依次為側氣簾厚度、轉向管柱潰縮、DAB直徑、泄氣孔剛度、拉帶長度；對BRIC值的影響幅度分別為9%、6.6%、5.3%、4.5%、2%。

5 OMDB工況駕駛側BRIC值降低試驗驗證

為了驗證4中仿真分析結論的準確性，基于直徑 710mm、泄氣孔直徑30mm、拉帶長度300mm的DAB，在滑臺試驗中進行了試驗驗證，試驗方案見圖26所示；試驗結果如表10所示，試驗中BRIC值為 0.64，仿真中BRIC值為0.689，仿真分析精度為92.9%，驗證了仿真分析模型及優化方案的準確性。

6 接觸區域平整度對BRIC值降低分析

為進一步研究OMDB工況中乘員頭部與側氣簾接觸區域平整度對BRIC值的影響；進一步在側氣簾與乘員頭部接觸區域設置了凹坑，并進行滑臺試驗驗證。試驗驗證結果如表10所示；試驗曲線對比見圖28～圖30所示，可以發現接觸區域平整的氣簾可以較好的降低X方向和Z方向轉動角速度，降低幅度分別達到34.7%和61.9%，計算得到的Bric值從0.84降低到0.64，降低幅度為23.8%；側氣簾與乘員頭部接觸區域的平整度對BRIC值影響顯著。

7 結論

1）美國發布了新車評價規程2018版（US-NCAP2018）征求意見稿，其中首次提出了考察由轉動加速度會造成彌散性腦損傷，并提出新的考核指標BRIC（Brain Injury Criterion）；自主汽車企業有必要提前開展技術儲備。

2）統計了NHTSA數據庫中BRIC值得分情況，56FRB工況、OMDB工況、MDB工況、POLE工況中BRIC值獲得優秀評價的比例分別為62.5%、33.3%、50%、50%；整體表現較差。分析了BRIC值評價較好車型，具有共同特點：乘員頭部從側氣簾和DAB之間緩沖滑過，頭部轉動趨勢小。

3）基于完成對標的基礎模型建立了OMDB工況仿真模型，優化了DAB、CAB、轉向管柱等環境件， BRIC值從0.89降低至0.69，降低幅度可達20%。對仿真中的優化方案進行了滑臺試驗，滑臺試驗中BRIC值為0.64，與仿真預測值0.69接近，仿真預測精度為92.9%。

4）基于滑臺驗證了乘員頭部與側面氣簾接觸區域平整度對BRIC值的影響，側面氣簾變薄后BRIC值增加為0.84，影響顯著。

參考文獻：

[1]TYLKO.S，German.A，Dalmotas. D， Bussieres. A IMPROVING SIDE IMPACT PROTECTION： RESPONSE OF THE ES-2RE AND WORLDSID IN A PROPOSED HARMONIZED POLE TEST. IRCOBI Conference Paper， September 2006.

[2] Takhounts， E.， Eppinger， R.， Campbell， J.，Tannous， R.， Power， E.， Shook， L.， “On the Development of the SIMon Finite Element Head Model.” Stapp Car Crash Journal， Vol. 47 （October 2003）， pp. 107-133.

[3] Lee J W， Yoon K H， Kang Y S， et al. Vehicle hood and bumper structure design to mitigate casualties of pedestrian accidents. In： Proc of 19th ESV Conference Washington DC， 2005.

[4] 許偉.車輛碰撞事故中頭部生物力學響應和損傷機理分析：[湖南大學博士學位論文].長沙：湖南大學機械與運載工程學院，2008，16-17.

[5]Omm aya A K， Yarnell P， Hirsch A E， et al. Scaling of experimental data on cerebral concussion in sub-human primates to concussion threshold froman. In： Proc of 11th Stapp Car Crash Conference. California， USA： Society of Automotive Engineers， 1967， 73-80.

[6]Abel J M， Gennarelli T A， and Segawa H. Incidence and Severity of cerebral concussion in the rhesus monkey following sagittal plane angular acceleration. In： Proc of 22nd Stapp Car Crash Conference. Ann Arbor， Michigan， USA： Society of Automotive Engineers， 1978， 35-53.

[7]Versace J. A review of severity index. In： Proc of 15th Stapp Car Crash Conference. San Diego： Society of Automotive Engineers，1971， 771-786.

[8]Erik G. Takhounts， Matthew J. Craig， Kevin Moorhouse， Joe McFadden. Development of Brain Injury Criteria （BrIC）. Stapp Car Crash， Journal， Vol. 57 （November 2013）， pp. 243-266.