基于座椅動態試驗的客車正面碰撞乘員損傷機理分析

鞏建強，張國振，高軼男，劉 佳，李進軍，潘玉明

(1. 交通運輸部 公路科學研究院，北京 100088； 2. 工業和信息化部 裝備工業發展中心，北京 100846；3. 重慶車輛檢測研究院有限公司 國家客車質量監督檢驗中心，重慶 401122；4. 國家機動車產品質量監督檢驗中心(上海)， 上海 201805； 5. 中國人民解放軍32379部隊，北京 100072)

0 引 言

客車正面碰撞是損害后果最為嚴重的事故形態之一，由于客車質量和外形尺寸較大，發生正面碰撞時會產生巨大能量，致使乘員損傷風險較高[1-3]。國內外學者對乘用車正面碰撞乘員損傷進行了深入研究，但對于客車正面碰撞乘員損傷研究較少。B.ALEXANDER等[4]基于試驗研究客車正面碰撞，分析了座椅靠背對后方乘員的防護機理；S.STANISLAWEK等[5]采用有限元分析法研究了座椅緩沖保護器對乘員損傷的影響；葛如海等[6-7]采用MADYMO軟件建立了客車乘員約束系統正面碰撞仿真模型，研究了客車座椅設計參數對乘員正面碰撞傷害的影響；覃楨員等[8]通過客車座椅動態試驗，研究了客車座椅布置型式對乘員損傷的影響；顏長征等[9]采用某13 m特大型客車整車正面碰撞試驗，研究車內不同位置的乘員損傷及生存空間情況，推動了全球首部客車前部結構強度法規的制定；李自成等[10]通過仿真及理論分析方法，研究了不同安全帶約束型式及不同乘坐位置對乘員損傷的影響；吳長風等[11]以座椅動態試驗系統為研究對象，分析了客車正面碰撞加速度與乘員損傷的關系。

目前國內外關于客車正面碰撞乘員損傷通常開展單一影響因素的分析評價，對乘員損傷機理及影響因素系統全面的研究較少，尤其是針對約束隔板后乘員損傷研究不足。因此，筆者利用試驗測試方式，通過設計客車座椅動態試驗，模擬分析了客車正面碰撞過程中乘員的損傷機理，對提升客車安全性能有重要參考價值。

1 乘員損傷特征與評價指標

1.1 乘員損傷特征

在客車正面碰撞過程中，車內乘員損傷主要是由于車身傳遞給車內乘員某個部位的加速度超過了人體耐受界限致使人體器官或組織受到損害，以及乘員與身體周邊接觸物發生“碰撞”而造成的損害[12-13]。

客車車內結構布置示意如圖1。從圖1可看出：造成乘員“碰撞”的車內部件主要是座椅及約束隔板。因此，筆者通過設計客車座椅動態試驗，全面分析座椅及安全帶型式、座椅布置方式及約束隔板尺寸等多個因素對乘員損傷影響程度，從而實現對客車正面碰撞事故后車內乘員損害后果的分析。

圖1 客車車內布置結構示意Fig. 1 Layout and structure diagram of coach

1.2 乘員損傷評價指標

在正面碰撞過程中，乘員撞擊到前排座椅或約束隔板，撞擊部位主要包括頭部、胸部及下肢。因此，針對客車正面碰撞，采用國際通用的用于汽車正面碰撞試驗的Hybrid Ⅲ 50%男性假人損傷指標對乘員損傷情況進行研究，主要考察頭部、胸部及下肢損傷情況。

HIC為頭部損傷指標。由J.VERSACE[14]提出，其計算如式(1)、(2)：

(1)

(2)

式中：t1、t2分別為試驗期間時間的任意值；γr為頭部重心位置的合成加速度；γl為縱向瞬時加速度；γv為垂直瞬時加速度；γt為橫向瞬時加速度。

ThAC為胸部損傷評價指標，由胸部重心合成加速度絕對值和加速度持續時間確定。FAC為下肢損傷評價指標，主要通過大腿壓縮力進行考察，由左右腿軸向傳遞壓縮力和壓縮力持續時間確定。

2 試驗設計

2.1 試驗條件

筆者按照GB 13057—2014《客車座椅及其車輛固定件的強度》[15]和通過標定的Hybrid Ⅲ50%男性假人對乘員損傷進行試驗。對乘員損傷考察主要包含兩個部分，分別為：① 前排布置座椅，后排布置座椅，使用Hybrid Ⅲ50%男性假人，假人安放在后排，安全帶約束，考察在正面碰撞過程中假人撞擊前排座椅后的損傷情況；② 前排布置約束隔板，后排布置座椅，使用Hybrid Ⅲ50%男性假人，假人安放在后排，安全帶約束，考察在正面碰撞過程中假人撞擊前排約束隔板后的損傷情況。

根據以上試驗內容，設定試驗條件如表1。

表1 座椅動態試驗條件Table 1 Seat dynamic test conditions

2.2 控制變量

乘員損傷主要來自乘員與座椅及約束隔板產生的“碰撞”。因此，座椅、約束隔板結構及配置會對乘員損傷產生影響的因素主要包括座椅結構與型式、安全帶類型、約束隔板結構與尺寸、座椅布置方式等。根據座椅及約束隔板實際結構，選擇安全帶類型、座椅填充物吸能特性、座椅布置方式、約束隔板尺寸這4個參數作為控制變量，分別對乘員損傷程度進行分析。

2.3 試驗方案

為充分考察座椅及約束隔板在不同狀態下的乘員保護情況，筆者以座椅動態試驗條件為基礎，針對控制變量，設計座椅動態試驗方案，如表2。方案分為4個項目，包含5個組別，共12次試驗，在每組試驗過程中，保持其余結構參數不變情況下僅改變控制變量，用于考察4個控制變量在不同狀態下對客車正面碰撞乘員損傷影響程度。

表2 座椅動態試驗方案Table 2 Seat dynamic test schemes

3 乘員損傷影響因素分析

3.1 安全帶類型對乘員損傷影響

3.1.1 試驗設置

單獨改變安全帶類型進行座椅動態試驗1，參與考察的樣品參數如表3，試驗布置情況如圖2。

圖2 座椅動態試驗1的試驗布置Fig. 2 Test arrangement of seat dynamic test 1

表3 座椅動態試驗1的樣品參數Table 3 Sample parameters of seat dynamic test 1

3.1.2 假人損傷指標分析

座椅動態試驗1中假人損傷指標測量結果如表4。從表4可看出：安全帶類型由兩點式變更為三點式對全面改善乘員損傷風險效果較為明顯，假人頭部損傷值減小了66.44%，胸部損傷值減小了48.34%，左、右大腿壓縮力值分別減小了45.36%、65.05%。

表4 座椅動態試驗1中假人損傷指標測量結果Table 4 Measurement results of dummy damage index inseat dynamic test 1

不同安全帶類型的假人合成加速度響應曲線對比如圖3。從圖3可看出：配置三點式安全帶的座椅在座椅動態試驗中假人頭部及胸部合成加速度明顯低于配置兩點式安全帶座椅。

圖3 不同安全帶類型的假人合成加速度響應曲線對比Fig. 3 Comparison of synthetic acceleration response curves of dummy with different seatbelt types

3.1.3 假人運動學分析

三點式安全帶相較于兩點式安全帶限制了正面碰撞過程中假人的胸部位移，降低了頭部的前傾幅度，對身體向前運動起到了有效控制，使得假人撞擊前排座椅程度降低。故三點式安全帶能有效降低乘員頭部、胸部及下肢損傷風險。

3.2 座椅填充物對乘員損傷影響

3.2.1 試驗設置

單獨改變座椅填充物進行座椅動態試驗2，參與考察的樣品參數如表5，試驗布置情況如圖4。

表5 座椅動態試驗2的樣品參數Table 5 Sample parameters of seat dynamic test 2

圖4 座椅動態試驗2的試驗布置Fig. 4 Test arrangement of seat dynamic test 2

3.2.2 假人損傷指標分析

座椅動態試驗2中假人損傷指標測量結果如表6。從表6可看出：座椅內部填充物使用吸能特性較為優秀材料對全面改善乘員損傷風險有一定的促進作用，尤其是對頭部損傷風險改善最為明顯且優異。在保持座椅骨架結構不變情況下，將座椅面料及內部填充物由吸能特性差的材料變更為吸能特性優的材料后，左、右側假人頭部損傷值分別減小了53.24%、59.06%；左、右側假人胸部損傷值分別減小了35.31%、15.23%；左、右側假人左大腿壓縮力值分別減小了-25.29%、93.62%；左、右側假人右大腿壓縮力值分別減小了33.15%、29.66%。通過綜合計算可看出：假人頭部損傷值平均減小了55.78%；胸部損傷值平均減小了26.49%；左、右大腿壓縮力值分別平均減小了43.03%、31.09%。

表6 座椅動態試驗2中假人損傷指標的測量結果Table 6 Measurement results of dummy damage index inseat dynamic test 2

以左側假人為例，其不同座椅填充物的加速度響應曲線對比如圖5。從圖5可看出：配置吸能特性優的填充物座椅在座椅動態試驗中頭部及胸部合成加速度明顯低于配置吸能特性差的填充物座椅，且頭部合成加速度降幅高于胸部。

圖5 不同座椅填充物的左側假人合成加速度響應曲線對比Fig. 5 Comparison of synthetic acceleration response curves of left dummy with different seat fillers

3.2.3 假人運動學分析

在正面碰撞過程中，假人頭部是撞擊前排座椅最主要部位，通過選用座椅內部填充物吸能特性優的材料使得假人頭部在撞擊區域及程度不發生變化情況下，降低損傷風險。

因此，座椅填充物吸能特性改善直接關系到乘員的撞擊能量能否被充分吸收，座椅填充物選擇吸能特性優秀材料對改善頭部損傷風險效果最為明顯。

3.3 座椅布置方式對乘員損傷影響

3.3.1 試驗設置

單獨改變座椅布置方式進行座椅動態試驗3，參與考察的樣品參數如表7，試驗布置情況如圖6。

表7 座椅動態試驗3的樣品參數Table 7 Sample parameters of seat dynamic test 3

圖6 座椅動態試驗3的試驗布置Fig. 6 Test arrangement of seat dynamic test 3

3.3.2 假人損傷指標分析

座椅動態試驗3中假人損傷指標測量結果如表8。客車座椅在布置過程中因發動機后置，最后排座椅和前排座椅間會出現一定程度的高度偏差。在正面碰撞過程中，高度偏差會引起最后排乘員撞擊區域發生變化，對乘員損傷風險產生一定影響。

表8 座椅動態試驗3中假人損傷指標的測量結果Table 8 Measurement results of dummy damage index in seat dynamic test 3

從表8可看出：在正面碰撞過程中，有高度偏差的座椅布置方式相對于無高度偏差的座椅布置方式，乘員頭部損傷風險變化較小，下肢損傷風險降低，但胸部損傷風險明顯增加。對于單人椅，座椅布置方式出現高度偏差后，假人胸部損傷值增加了17.91%，左、右大腿壓縮力值分別減小了49.05%、48.36%；對于雙人椅，座椅布置方式出現高度偏差后，左、右側假人胸部損傷值分別增加了0.28%、10.67%，左、右側假人左大腿壓縮力值分別減小了73.93%、45.33%，左、右側假人右大腿壓縮力值分別減小了52.51%、53.30%。通過綜合計算后可看出：座椅布置方式出現高度偏差后，假人胸部損傷值平均增加了11.46%，左、右大腿壓縮力值分別平均減小了57.15%、50.65%。

不同座椅高度偏差假人胸部加速度響應曲線對比如圖7。從圖7可看出：有高度偏差座椅布置方式在座椅動態試驗中胸部合成加速度高于無座椅偏差布置方式。

圖7 不同座椅高度偏差的假人胸部合成加速度響應曲線對比Fig. 7 Comparison of synthetic acceleration response curves ofdummy chest with different seat height deviations

3.3.3 假人運動學分析

在正面碰撞過程中，假人上半身前傾幅度及撞擊區域隨乘坐位置變高而變化。假人乘坐位置變高后，假人頭部撞擊區域發生變化，但仍處于座椅上邊緣位置，相近硬度使其損傷風險變化較小；假人胸部前傾幅度增加且撞擊區域上移至包裹座椅骨架上邊緣硬度較大區域，使其損傷風險變高；假人下肢撞擊區域上移至座椅內部填充物較厚實的座椅靠背上半部分，使其損傷風險出現降低趨勢。

故座椅布置出現高度偏差后，在正面碰撞過程中，后排乘員相對于前排座椅位置變高，撞擊區域發生變化，會引起胸部損傷風險增加，下肢損傷風險減小。

3.4 約束隔板尺寸對乘員損傷影響

3.4.1 試驗設置

單獨改變約束隔板尺寸進行座椅動態試驗4，參與考察的樣品參數如表9，試驗布置情況如圖8。

表9 座椅動態試驗4的樣品參數Table 9 Sample parameters of seat dynamic test 4

圖8 座椅動態試驗4的試驗布置Fig. 8 Test arrangement of seat dynamic test 4

3.4.2 假人損傷指標分析

約束隔板是保護乘客門后第一排乘員在碰撞過程中免受傷害的重要部件之一，通過改變約束隔板尺寸可提高其對乘員的保護能力。座椅動態試驗4中假人損傷指標的測量結果如表10；假人損傷值變化趨勢如圖9。

表10 座椅動態試驗4中假人損傷指標的測量結果Table 10 Measurement results of dummy damage index in seat dynamic test 4

圖9 假人損傷值隨約束隔板高度及寬度變化趨勢Fig. 9 Variation trend of dummy damage value changing with height and width of restraining partition

從表10可看出：① 假人頭部損傷值隨約束隔板高度及寬度增加呈減小趨勢，且逐漸趨于穩定；② 靠近通道左側假人胸部損傷值隨約束隔板高度及寬度增加呈減小趨勢，但右側假人胸部損傷值較為穩定；③ 假人大腿壓縮力值隨約束隔板高度及寬度增加整體呈穩定趨勢，但靠近通道左側假人左大腿壓縮力值變化幅度較大，從整體看呈減小趨勢。

3.4.3 假人運動學分析

尺寸較小的約束隔板會出現對假人無法提供充分保護情況，兩側假人頭部與靠通道側假人胸部及下肢易撞擊到約束隔板邊緣硬度較大區域進而增加假人損傷風險；隨著約束隔板高度及寬度不斷增加，假人撞擊區域不斷遠離約束隔板邊緣，損傷風險不斷降低；當約束隔板高度及寬度達到一定尺寸時，假人撞擊區域處在易于吸能的范圍內，則假人損傷風險趨于穩定，不再隨著約束隔板高度及寬度的變化出現大幅度變化。故適度增加約束隔板尺寸，能使乘員頭部及靠通道側乘員胸部和下肢損傷風險減小。

4 結 論

筆者基于座椅動態試驗對客車正面碰撞過程中影響乘員損傷風險的因素進行分析，得出如下結論：

1)安全帶類型、座椅填充物吸能特性、座椅布置方式、約束隔板尺寸這4個因素均會對乘員損傷風險產生一定程度影響；

2)采用三點式安全帶，對全面降低乘員損傷風險最為積極有效，頭部損傷能減少66.44%，胸部損傷能減小48.34%，左、右側下肢損傷能分別減小45.36%、65.05%；

3)座椅填充物采用吸能特性優異材料，對改善乘員損傷風險較為明顯，尤其是針對頭部，其損傷能減小55.78%；

4)不同座椅布置方式會對乘員損傷風險產生不同影響，有高度偏差的座椅布置方式將增加乘員胸部損傷風險；

5)約束隔板尺寸與乘員損傷風險相關，在一定范圍內，乘員損傷風險隨約束隔板尺寸增加而減小。

在進行客車座椅設計時，應充分考慮其實際布置狀態，采取減小乘員損傷風險措施，全面提升整車被動安全性能。