基于側(cè)面碰撞的遠(yuǎn)端乘員頭部傷害及軌跡分析

栗 國(guó)，董文楷，方 銳，周 斌，于文灝

(1. 中汽研(天津)汽車(chē)工程研究院有限公司 天津300300；2. 中汽研(常州)汽車(chē)工程研究院有限公司 江蘇常州213000)

European New Car Assessment Program(Euro-NCAP)作為全球最權(quán)威的汽車(chē)安全機(jī)構(gòu)之一，長(zhǎng)期引領(lǐng)著汽車(chē)安全研究的發(fā)展方向。Far Side 項(xiàng)目于2015年啟動(dòng)，2018年相關(guān)法規(guī)開(kāi)始實(shí)施，2020年全面實(shí)行。國(guó)外的統(tǒng)計(jì)表明，遠(yuǎn)端乘員受傷在所有側(cè)面碰撞中受傷比例在30%，而在受到AIS 3+[1]的傷害中占 40%。然而作為側(cè)面碰撞極其重要的一環(huán)，F(xiàn)ar Side卻沒(méi)有得到汽車(chē)安全界足夠的重視，國(guó)內(nèi)對(duì) Far Side碰撞工況的研究還處于空白，而國(guó)外機(jī)構(gòu)也只是通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證影響遠(yuǎn)端乘員傷害的關(guān)鍵因素。

在傳統(tǒng)側(cè)面碰撞研究中，碰撞側(cè)的乘員受到的傷害主要為車(chē)門(mén)及B柱侵入對(duì)乘員頭部、胸部、腹部和臀部造成的傷害。但是在Far Side側(cè)面碰撞中，遠(yuǎn)端乘員受到的傷害機(jī)理有所不同，當(dāng)車(chē)輛受到側(cè)面撞擊時(shí)，遠(yuǎn)端乘員的身體由于慣性作用會(huì)向撞擊側(cè)傾倒，腰、腹部及腿部會(huì)首先受到車(chē)輛內(nèi)飾物和中控臺(tái)的沖擊。隨著身體繼續(xù)傾倒，頭部會(huì)向下甩出，到最低點(diǎn)后再反彈，對(duì)頭部及頸部造成二次傷害。本文針對(duì)Far Side碰撞中的此現(xiàn)象進(jìn)行驗(yàn)證，并采用TEAM軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)視頻進(jìn)行了分析。

1 EuroNCAPFarSide試驗(yàn)介紹

1.1 波形選取及驗(yàn)證

為研究實(shí)際工況中遠(yuǎn)端乘員保護(hù)情況，F(xiàn)ar Side曲線(xiàn)采用實(shí)際碰撞中AE-MDB及柱碰的B柱加速度曲線(xiàn)，碰撞角度采用 75°偏置碰撞。為保證試驗(yàn)結(jié)果具備比對(duì)性，對(duì)原始加速度乘以系數(shù) 1.035，保證 Far Side碰撞曲線(xiàn)在相同參考系下 X向加速度的一致性見(jiàn)圖1。

為進(jìn)一步驗(yàn)證曲線(xiàn)的有效性，需對(duì)曲線(xiàn)的嚴(yán)苛程度進(jìn)行評(píng)估，保證Far Side實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)和原始數(shù)據(jù)一致或更為嚴(yán)苛。采用積分差值方式對(duì)Far Side曲線(xiàn)有效性進(jìn)行評(píng)估。某車(chē)型曲線(xiàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)如圖2、圖3。

圖1 Far Side碰撞方向及加速度處理示意圖[2]Fig.1 Processing diagram of impact direction and acceleration[2]

圖2 Far Side DV驗(yàn)證曲線(xiàn)Fig.2 Validation curve of DV

圖3 Far Side DX驗(yàn)證曲線(xiàn)Fig.3 Validation curve of DX

1.2 相機(jī)及假人的布置

為記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，需要對(duì)相機(jī)進(jìn)行布置，共采用8臺(tái)相機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，包括 6臺(tái)車(chē)載相機(jī)，2臺(tái)地面相機(jī)，見(jiàn)圖 4。車(chē)載相機(jī)分別對(duì)應(yīng)：副駕最大侵入量，副駕座椅中線(xiàn)，副駕座椅靠近主駕 250mm，假人正面，副駕俯視，主駕側(cè)視。地面相機(jī)分別對(duì)應(yīng)：正對(duì)臺(tái)面，正對(duì)車(chē)身。

假人采用WorldSID 50th傳感器通道應(yīng)具備：頭部三向加速度及角速度傳感器，上頸部三向力及力矩傳感器，肩部三向力傳感器，肩肋位移及角度傳感器，胸腔上肋骨位移及角度傳感器，胸腔中肋骨位移及角度傳感器，胸腔下肋骨位移及角度傳感器，胸腔溫度，腹腔上肋骨位移及角度傳感器，腹腔下肋骨位移及角度傳感器，脊柱三向加速度、三向力及三向力矩傳感器，骨盆三向加速度及力傳感器。

圖4 Far Side相機(jī)布置圖[2]Fig.4 Arrangement of camera[2]

對(duì)假人按不同部位進(jìn)行涂色，包括頭部重心、頭部中線(xiàn)、上頭部易撞區(qū)、臂部中線(xiàn)、胸腔及腹腔肋骨、頭部正面重心。涂色后如圖5所示。

圖5 Far Side假人涂色圖[2]Fig.5 Painting of dummy[2]

2 Far Side損傷生物力學(xué)分析

圖 6展示了由 NASS/CDS統(tǒng)計(jì)的美國(guó)在 Far Side側(cè)面碰撞中，身體各部位的受傷情況，頭部受傷概率最高，其次是四肢及胸部。而保障Far Side側(cè)面碰撞中遠(yuǎn)端乘員安全的重要途徑就是對(duì)遠(yuǎn)端乘員的頭部和胸腹部進(jìn)行保護(hù)。

圖6 Far Side人體各部位傷害分布[3]Fig.6 Injury distribution of all parts of human body[3]

2.1 Far Side頭部損傷機(jī)理

在Far Side側(cè)面碰撞中，傷害的產(chǎn)生是瞬間發(fā)生的。在碰撞過(guò)程中，頭部可能直接與乘員艙內(nèi)的部件發(fā)生接觸導(dǎo)致顱骨變形骨折，造成大腦挫傷，腦膜血腫等大腦局部損傷。同時(shí)，快速變化的接觸載荷會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力波，在碰撞側(cè)及對(duì)側(cè)產(chǎn)生壓力差，造成腦組織間的局灶性擦傷和損傷。在此過(guò)程中，頭部主要受到頭部加速度的影響，包括平移加速度及旋轉(zhuǎn)加速度：平移加速度會(huì)對(duì)腦組織產(chǎn)生拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，導(dǎo)致硬腦膜血腫之類(lèi)的腦損傷；旋轉(zhuǎn)加速度會(huì)對(duì)腦組織產(chǎn)生張力和剪切力。由此對(duì)顱骨產(chǎn)生動(dòng)脈撕裂之類(lèi)的腦損傷[4-6]，而在頭部傷害來(lái)源中，主要來(lái)源是內(nèi)飾件，見(jiàn)圖7。

圖7 Far Side頭部傷害來(lái)源[7]Fig.7 Source of head injury[7]

2.2 Far Side胸部損傷機(jī)理

圖8 Far Side胸部傷害來(lái)源[7]Fig.8 Source of chest injury[7]

在Far Side側(cè)面碰撞中，胸部在碰撞沖擊作用下受到壓縮。胸骨、肋骨等器官產(chǎn)生變形，當(dāng)胸部變形超過(guò)極限值后，會(huì)造成胸部肋骨骨折，內(nèi)部組織器官產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p傷。在此過(guò)程中，胸部主要受到座椅及靠背、安全帶及鎖扣、內(nèi)飾件的傷害，見(jiàn)圖8。

3 Far Side頭部傷害及運(yùn)動(dòng)軌跡分析

上一章節(jié)初步分析了在 Far Side中假人損傷的機(jī)理，現(xiàn)通過(guò)進(jìn)一步試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，對(duì)頭部傷害進(jìn)行研究，分析傷害組成。

3.1 某車(chē)型的頭部平移加速度傷害分析

WorldSID假人頭部裝有三向加速度傳感器用于評(píng)估假人的拉應(yīng)力及壓應(yīng)力。原始曲線(xiàn)數(shù)據(jù)比較粗糙，對(duì)波形進(jìn)行濾波后再進(jìn)行處理分析。

3.1.1 X向頭部傷害分析

從圖 9分析可知，在車(chē)身坐標(biāo)系下，假人的頭部由于慣性產(chǎn)生向擋風(fēng)玻璃方向的加速度(0～60ms)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到安全帶介入后，安全帶勒住胸部，由于頭胸相互作用，頭部產(chǎn)生頭枕方向加速度(60～125ms)，隨后安全帶滑落，假人由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)繼續(xù)向擋風(fēng)玻璃方向受力(125～150ms)，最后假人腹部碰撞到中控臺(tái)，身軀停止移動(dòng)，由于頭胸相互作用，頭部也產(chǎn)生停止運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，受到頭枕方向的力。

圖9 Far Side某車(chē)型頭部X向加速度Fig.9 X-direction acceleration of head

在此方向中，頭部加速度最大為 2.26gn。由此可知，在 Far Side碰撞中，頭部受到 X向的力較少，不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的損傷。

3.1.2 Y向頭部傷害分析

從圖 10分析可知，在車(chē)身坐標(biāo)系下，假人的頭部由于慣性產(chǎn)生保持原始位置的加速度(0～75ms)，當(dāng)假人由下部傳遞到上部后，頭部產(chǎn)生副駕駛側(cè)方向加速度(75～250ms)，最后假人腹部碰撞到中控臺(tái)，身軀停止移動(dòng)，由于頭胸相互作用，頭部也產(chǎn)生停止運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，受到頭枕方向的力(250～350ms)。

在此方向中，頭部加速度最大為 12.80gn。由此可知，在 Far Side碰撞中，頭部受到 Y向的力較大，很可能產(chǎn)生損傷。

圖10 Far Side某車(chē)型頭部Y向加速度Fig.10 Y-direction acceleration of head

3.1.3 Z向頭部傷害分析

從圖 11分析可知，在車(chē)身坐標(biāo)系下，假人的頭部由于慣性產(chǎn)生保持原始位置(0～60ms)，當(dāng)假人由下部傳遞到上部后，頭部產(chǎn)生向下的加速度(75～350ms)，最后身軀停止移動(dòng)，由于頭胸相互作用，頭部也產(chǎn)生停止運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。

圖11 Far Side某車(chē)型頭部Z向加速度Fig.11 Z-direction acceleration of head

在此方向中，頭部加速度最大為 36.49gn。由此可知，在 Far Side碰撞中，頭部受到 Z向的力最大，是產(chǎn)生頭部損傷的主要來(lái)源。

3.1.4 頭部總體傷害分析

對(duì)三向加速度進(jìn)行合成及分析，采用頭部 HIC值進(jìn)行評(píng)估。

計(jì)算得出：

HIC高性能值在 500以下，低性能值在 700以上?？梢钥闯龃塑?chē)型頭部HIC值較低，乘員頭部受傷程度較輕。

3.2 某車(chē)型的頭部旋轉(zhuǎn)加速度傷害分析

WorldSID假人頭部裝有三向角速度傳感器用于評(píng)估假人的張力及剪切力。原始曲線(xiàn)數(shù)據(jù)比較粗糙，對(duì)波形進(jìn)行濾波后再進(jìn)行處理分析。

3.2.1 RX向頭部傷害分析

結(jié)合圖 12進(jìn)行分析，頭部首先與胸部一起運(yùn)動(dòng)(0～75ms)，當(dāng)胸部受到中控臺(tái)的阻礙停止時(shí)，頭部由于慣性，產(chǎn)生滑動(dòng)，會(huì)繼續(xù)向前(風(fēng)擋玻璃方向)甩動(dòng)，與胸部發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，產(chǎn)生較大的剪切力，由于沒(méi)有中控臺(tái)氣囊進(jìn)行保護(hù)，頭部產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生向前的剪切力(75～350ms)。

圖12 Far Side某車(chē)型頭部RX向加速度Fig.12 RX-direction acceleration of head

在此方向中，頭部最大角速度為739.22deg/s。在側(cè)面碰撞此方向的剪切力不大，假人傷害程度不高。

3.2.2 RY向頭部傷害分析

從圖 13進(jìn)行分析，頭部首先與胸部一起轉(zhuǎn)動(dòng)(0～85ms)，當(dāng)胸部受到中控臺(tái)的阻礙停止時(shí)，頭部繼續(xù)甩動(dòng)，與胸部發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，產(chǎn)生較大的剪切力，由于沒(méi)有中控臺(tái)氣囊進(jìn)行保護(hù)，頭部產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)動(dòng)，視覺(jué)上產(chǎn)生折彎效果。在此過(guò)程中，頭部會(huì)有2次明顯的傷害：首先是由于慣性的頭部與胸部相對(duì)位移，頭部向門(mén)板方向的傷害，然后是胸部受到中控臺(tái)阻礙后，頭部向中控臺(tái)方向的折彎傷害，且第二次傷害明顯高于第一次的傷害(85～350ms)。53347.21deg/s，第二次傷害的最大角速度達(dá)到182542deg/s。在遠(yuǎn)端乘員保護(hù)中，RY向的剪切力和張力明顯最大，是乘員受到嚴(yán)重傷害的主要原因。

圖13 Far Side某車(chē)型頭部RY向加速度Fig.13 RY-direction acceleration of head

3.2.3 RZ向頭部傷害分析

結(jié)合圖 14進(jìn)行分析，在此過(guò)程中，頭部運(yùn)動(dòng)由于慣性先向天窗方向產(chǎn)生一個(gè)張力(0～110ms)，由于頭胸關(guān)系，頭部隨后伴著胸部向地板方向運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生向下的剪切力(110～165ms)，當(dāng)頭部運(yùn)動(dòng)到最下方時(shí)，產(chǎn)生反彈，又受到向上的張力作用(165～350ms)。在整個(gè)運(yùn)動(dòng)中，頭部會(huì)受到 3次傷害，其中第2次傷害程度最高，第1次傷害及第3次傷害程度次之。

圖14 Far Side某車(chē)型頭部RZ向加速度Fig.14 RZ-direction acceleration of head

在此方向上，3次傷害的最大角速度依次為501.042、655.199、195deg/s。在此側(cè)面碰撞中該方向的剪切力并不大，不是假人受到嚴(yán)重傷害的主要原因。

3.3 某車(chē)型的頭部總體傷害分析

根據(jù)以上分析，在側(cè)面碰撞遠(yuǎn)端乘員保護(hù)中，頭部主要傷害為RY的剪切力及張力，其次是Z方向的頭部的拉應(yīng)力及壓應(yīng)力，而且 RY方向的剪切力及張力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他方向的剪切力及張力。為防止此種傷害，可以在中控臺(tái)上方加入安全氣囊，以此來(lái)保護(hù)乘員頭部，防止頭部的折彎及Z向墜落。

4 Far Side頭部運(yùn)動(dòng)軌跡分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證頭部傷害情況及頭部運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，與已有數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析頭部傷害情況。采用 TEMA軟件對(duì)試驗(yàn)視頻進(jìn)行分析，頭部運(yùn)動(dòng)軌跡如圖15。

首先運(yùn)行TEMA Automotive軟件中的圖像處理模塊，設(shè)置軌跡跟蹤點(diǎn)(頭部重心點(diǎn))，下一步對(duì)頭部運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行校準(zhǔn)，保證跟蹤點(diǎn)盡可能精確地與實(shí)際情況相符合。

結(jié)合運(yùn)動(dòng)軌跡及頭部加速度曲線(xiàn)對(duì)頭部傷害情況進(jìn)行更深入的分析，分析頭部運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)及汽車(chē)各部件對(duì)頭部傷害的影響。

圖15 Far Side某車(chē)型頭部運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)[2]Fig.15 Head motion curve of a car type[2]

在此錄像中，可以明顯看出，在側(cè)面碰撞中遠(yuǎn)端乘員傷害主要是中控臺(tái)與肋骨的撞擊產(chǎn)生的受傷以及頭部劇烈甩動(dòng)造成的。在頭部甩動(dòng)過(guò)程中，很有可能與其他脫落的內(nèi)飾件接觸，產(chǎn)生二次傷害。

5 結(jié)論與展望

本文圍繞Euro-NCAP Far Side試驗(yàn)中頭部傷害情況，對(duì)某車(chē)型的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析，初步判斷產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因，然后基于視頻軌跡跟蹤技術(shù)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析處理，驗(yàn)證了產(chǎn)生頭部傷害的原因是 RY的剪切力及張力、Z方向的頭部的拉應(yīng)力及壓應(yīng)力。假人頭部在側(cè)面碰撞中會(huì)產(chǎn)生極大的甩動(dòng)，產(chǎn)生較大的傷害。針對(duì)此現(xiàn)象可以看出，若有中控氣囊對(duì)假人頭部進(jìn)行保護(hù)，可以很大程度上減輕頭部甩動(dòng)導(dǎo)致的傷害。

另一方面，本文的結(jié)論不具備唯一性，可能還有其他方面的原因?qū)е聜?cè)面碰撞中遠(yuǎn)端乘員的頭部傷害，還需要不斷地積累相關(guān)的工程經(jīng)驗(yàn)，繼續(xù)探索完善造成此現(xiàn)象的其他原因。

此外，本文結(jié)論對(duì)研究側(cè)面碰撞中遠(yuǎn)端乘員傷害具有現(xiàn)實(shí)的工程指導(dǎo)意義：為側(cè)面保護(hù)中遠(yuǎn)端乘員保護(hù)提供數(shù)據(jù)分析，為提升遠(yuǎn)端乘員安全提供了一種思路。