正面碰撞時后排乘員的下潛損傷及其防護方案

王東林，胡子辰，趙 亮，靳鵬飛，唐 亮

（北京林業大學 工學院，北京100083，中國）

乘員下潛是汽車碰撞過程中一種常見的危害形式，下潛發生時，安全帶滑離乘員髖骨直接侵入腹部，對乘員造成致命的傷害[1-2]。有學者提出了有效防止下潛的方案，如改變座椅結構[3-6]和安全帶系統[6-8]等。事故發生后，后排乘員的受傷率和死亡率都明顯高于前排[9-10]。目前廣泛應用于汽車碰撞安全研究的混III假人的組織結構不完整，生物力學特性和真實人體響應具有很大差異[11]。因此，采用高生物逼真度人體模型對正面碰撞中后排乘員下潛問題的研究和防護具有重要意義。

本研究基于LS-DYNA有限元平臺搭建汽車正面碰撞模型，分別對3種不同后排乘員模型（混III假人、FAST GHBMC和THUMS）進行下潛趨勢分析，選擇具有高生物逼真度的乘員模型對正面碰撞中后排乘員下潛防護進行研究，結合下潛機理，提出增大座椅坐墊角度、增大座椅坐墊長度、前移地板固定點、加裝防下潛檔桿、降低地板固定點、減小前排座椅距離等6種防下潛方案，并綜合對比這幾種方案下乘員下潛趨勢和損傷情況，以確立最優防下潛方案。

1 有限元模型的驗證

本研究使用的是基于一款中等尺寸的小轎車建立的前后排座椅有限元模型，其中包括前排座椅、后排座椅、安全帶、卷收器、地板和其他內飾。為了驗證該模型，使用50th 男性混III假人進行了56 km/h的正面碰撞臺車試驗。仿真中與試驗中的設置保持一致。后排乘員模型采用LSTC 50th 男性假人有限元模型。

圖1 為仿真中與試驗中乘員假人運動姿態的對比。圖2是仿真和實驗中的ais為臺車加速度、假人頭部合成加速度ah、胸部合成加速度ach和骨盆合成加速度ap、上頸部軸向力Fn、胸部壓縮量Lch的響應對比。圖中，CORA為相關性分析的得分。

結果表明：仿真中與試驗中的假人姿態基本保持一致。除了骨盆加速度峰值發生的時刻有些偏移，導致二者相關系數偏低（0.62），但這樣的差異其實對約束系統參數影響較小，不會影響后續關于乘員下潛趨勢的分析，其余相關性分析的得分（CORA）都高于86%。

2 不同乘員模型的下潛趨勢

基于第1節建立的后排汽車座椅有限元模型，分別對正面碰撞中混III、FAST GHBMC和THUMS乘員模型的下潛趨勢進行了分析。

圖3 為標準后排乘員約束系統下的不同乘員模型的運動響應對比。根據唐亮[12]等人完善的BOP準則，計算各個模型中56 km/h碰撞速度下假人的安全帶腹帶沿著骨盆的安全帶滑移距離ΔL和安全帶腹帶力FB隨時間變化的曲線（見圖4）。

2.1 混III 50th假人模型下潛分析

通過圖3可以發現：在整個碰撞過程中，安全帶腹帶始終作用在假人骨盆上，未發生下潛。結合圖4可以發現：碰撞發生初期，安全帶基本沒有發生滑移。隨著碰撞加速度的增加，碰撞工況逐漸惡劣，在碰撞發生20 ms左右以后，安全帶腹帶開始沿著骨盆向上滑移，ΔL逐漸增大。碰撞發生30 ms左右時，假人上肢相對于座椅向前運動，安全帶肩帶作用力增大，卷收器中的冗余部分被拉出。在安全帶肩帶和腹帶連接鎖扣處，肩帶力大于腹帶力，安全帶腹帶滑向肩帶方向，安全帶腹帶被拉緊。在安全帶腹帶拉緊過程中，安全帶腹帶沿著骨盆又向下滑移，ΔL逐漸減小。在碰撞發生后60 ms左右，安全帶腹帶力達到最大值，此時，肩帶力與腹帶力達到平衡，肩帶不再滑向腹帶部分，安全帶腹帶不再拉緊，腹帶又開始沿著骨盆向上滑移，安全帶滑移距離再次增大，直到碰撞末期。

在碰撞過程中，混III 50th假人左側安全帶滑移最大距離為9.85 mm，右側安全帶滑移最大滑移距離為1.2 mm，雙側安全帶最大滑移距離均遠小于大腿頂部到髂骨支撐的髖部皮膚的頂部的距離，并且安全帶腹帶力時間曲線并無波谷出現，進一步表明了碰撞過程中沒有發生下潛。

2.2 FAST GHBMC人體模型下潛分析

如圖3所示，在整個碰撞過程中，FAST GHBMC人體模型和混III假人的運動響應基本一致。FAST GHBMC人體模型與混III假人均保持較大的上肢的前向運動，整個過程中保持了前傾的上肢運動姿態。動畫顯示，安全帶腹帶始終作用在骨盆上，并無下潛發生。

圖4 a中，ΔL峰值為0 mm。整個碰撞過程中安全帶腹帶被拉緊，并且向下滑移，滑移距離為負，未發生下潛。圖4b中安全帶腹帶力在40 ms左右出現小波谷，但是整個碰撞過程中并未發生下潛。因此，安全帶腹帶力只能作為研究下潛的參考，無法根據安全帶腹帶力波谷的有無判斷下潛趨勢。

2.3 THUMS人體模型下潛分析

由圖3可得，在碰撞發生初期，THUMS人體模型的運動情況與混III 50th男性假人基本相似。隨著碰撞時間增大，THUMS人體模型下肢的前向位移明顯大于混III假人，上肢的前向位移小于混III假人，并且THUMS人體模型上肢的前向彎曲明顯大于假人模型。80 ms以后的仿真動畫顯示，安全帶腹帶開始侵入人體腹部，下潛開始發生，到碰撞末期，安全帶腹帶完全侵入人體腹部。如圖4a所示，THUMS人體模型的ΔL時間歷程曲線與混III假人模型差異明顯。THUMS人體模型在碰撞發生20 ms以后，安全帶腹帶開始沿著骨盆向上滑移。不同于混III假人，THUMS人體模型直到60 ms左右才又開始向下滑移，此時，安全帶腹帶開始被拉緊。THUMS人體模型安全帶腹帶拉緊的程度明顯小于混III假人，在80 ms左右安全帶腹帶力再次達到最大，安全帶腹帶再次沿著骨盆向上滑移，滑移程度明顯大于混III假人。

左側安全帶最大滑移距離達到了62 mm左右，右側安全帶最大滑移距離最終達到55 mm。THUMS人體模型的安全帶腹帶最大滑移距離大于大腿頂部到髂骨支撐的髖部皮膚的頂部的距離。如圖4b所示，在碰撞發生70 ms左右，安全帶腹帶力出現了波谷，安全帶腹帶作用在腹部上，下潛發生。

2.4 不同模型下潛差異原因分析

3種乘員有限元模型的下潛趨勢不同。 THUMS人體模型發生了嚴重下潛，而混III假人和FAST GHBMC人體模型并未發生下潛。人體脊柱作為上肢的中柱[13]，是整個上肢的基石結構，下端骶骨處與大腿相連，將上肢和下肢聯系起來，脊柱的結構和載荷傳遞功能直接影響了上肢的運動。

圖5 是3種模型不同時刻乘員脊柱形狀。隨著碰撞工況的加劇，混III假人和FAST GHBMC人體模型的脊柱呈“弓”形，而THUMS人體模型乘員脊柱呈現“C”狀變形。不同的脊柱變形，導致不同的下肢和上肢的相對運動，下潛趨勢也就不同。THUMS人體模型脊柱整體呈現“C”狀變形，脊柱載荷明顯增加。作為脊柱的一部分，腰椎傳遞了來自人體下肢的載荷，是脊柱載荷的主要貢獻者。

圖5 中混III假人的彎曲變形小于THUMS人體模型，這很有可能是因為混III假人具有較剛硬的腰椎。對于FAST GHBMC人體模型，剛性的骨盆和骶骨在周圍的骨盆肉和肌肉包裹之下，載荷敏感性不高[14]，載荷傳遞不夠明顯，骨盆相對旋轉較小，導致傳遞到腰椎的載荷較小，整個脊柱載荷變小，彎曲變形不明顯，沒有下潛發生。

測量了不同模型的腰椎軸向力Fsax（見圖6）。可見：混III假人的腰椎軸向力大于人體模型腰椎軸向力，THUMS人體模型的腰椎軸向力明顯高于FAST GHBMC人體模型。

3 后排乘員下潛的防護措施

混Ⅲ假人剛硬的腰椎結構組織限制了整條脊柱的彎曲變形，在碰撞試驗中掩蓋了下潛發生的事實。本研究將高生物逼真度THUMS人體模型應用到后排乘員下潛的研究中，結合下潛機理相關參數，提出若干防下潛方案，并通過56 km/h正面碰撞的有限元模擬，驗證防下潛方案的的有效性。

3.1 基于BTP的防下潛方案

安全帶與骨盆之間的夾角(belt position on pelvis，BTP)為乘員下潛的主要影響參數，以車身為研究對象，分析乘員相對于車身運動，BTP值的變化受骨盆作用力的影響。當安全帶作用在腹部時，BTP的值相對變大，保持較小的BTP的值是防止下潛發生的有效措施。本研究運用Horsch和Hering[15]研究中使用的下潛評價指標，即進行BTP的分析。

如圖7所示，以安全帶腹帶固定點為坐標原點建立XOZ直角坐標系，其中A(X0,Z0)為H點的初始位置，A′(X,Z)為碰撞過程中安全帶腹帶作用點的位置。圖中：FB為安全帶腹帶力；FCh為上軀干內力；FFe為股骨內力；FS為座椅反作用力；θB為安全帶腹帶與水平面的角度；θP為髂骨法線與水平面的夾角。

通過幾何分析得知：

減小θP或者增大θB，可以降低BTP的值。θP的值主要與乘員骨盆的后向旋轉有關，降低θP最終還是要以增大上肢的前向旋轉來實現。本研究的防下潛措施的目的主要是增大θB的值。

對骨盆進行運動學分析有：

其中：AX、AZ分別為乘員骨盆在水平方向和豎直方向的位移；正切函數在 （-π/2，π/2）上是單調遞增的。由式（2）可知：θB與Z0的單調性一致，θB與X0、AX、AZ的單調性相反，即θB隨著Z0的增大而增大；θB隨著X0、AX、AZ的減小而增大。

依據以上分析可以通過調整以下參數提出防下潛方案：

1） 增大Z0，在汽車碰撞安全法規允許的范圍內降低安全帶腹帶的地板固定點，或者增加座椅坐墊的高度。

2） 減小X0，在汽車碰撞安全法規允許的范圍內向前移動安全帶腹帶的地板固定點。

3） 減小AX，對于后排座椅可以適當減小后排座椅以前排座椅的距離，也可使用安全帶限力器，或帶單向鎖止器的安全帶。還可以通過增大座椅坐墊的角度來實現。

4） 減小AZ，在不影響乘員舒適性的前提下可以加裝防下潛檔桿結構，或者增大座椅坐墊的剛度。也可以通過增加座椅坐墊的長度來實現，增加座椅坐墊的長度實質還是增加了座椅坐墊的剛度。

基于上述分析，對某特定車型的后排座椅，考慮到防下潛措施的成本、試制周期、措施的可行性等，最終確定了6種具體防下潛方案，如表1所示。

表1 防下潛方案

3.2 最優防下潛方案的確定

3.2.1 下潛趨勢對比

以第2節中以THUMS模型為乘員模型的正面碰撞模型為Baseline模型。Baseline模型和6種防下潛方案的安全帶腹帶相對骨盆的滑移距離ΔL時間歷程曲線如圖8所示。

由圖8可以觀察得到，各方案下，左側安全帶相對于骨盆的滑移距離明顯小于Baseline模型。方案3中右側ΔL大于初始下潛模型，其他方案中的ΔL的值均遠遠小于初始下潛模型。從安全帶滑移距離時間歷程曲線中，可以看到各個方案下的下潛趨勢是明顯減小的。

表2 總結了各個方案下的ΔL的峰值。

表2 ΔL峰值

方案3中的右側ΔL大于大腿頂部到髂骨支撐的髖部皮膚的頂部的距離，因此該防下潛措施未能防止下潛。其他方案均沒有發生下潛。各方案的下潛趨勢（從大到小順序）為：左側：方案6、方案3、方案2、方案1、方案5、方案4；右側：方案3、方案6、方案1、方案5、方案2、方案4。因此，綜合來講，方案4的防下潛性能最好，方案5次之。

3.2.2 乘員損傷情況對比

本研究還結合碰撞過程中乘員的損傷情況對各方案做出更全面的評價。本研究考慮的乘員損傷輸出包括：頭部合成加速度、胸部合成加速度、骨盆合成加速度、胸部壓縮量DCh、大腿軸向力。表3總結了碰撞過程中乘員各損傷值的峰值情況。將各方案下的乘員傷害指標和FMVSS 208 法規的乘員傷害指標對比，如表4所示，所有方案傷害指標基本都在法規要求之內。其中：HIC15為頭部15 ms損傷指標；a3mm為胸部3 ms加速度。

表3 各損傷指標峰值

表4 FMVSS 208 法規規定的傷害指標

本研究使用雷達圖分析法對不同防下潛措施中乘員損傷綜合影響進行系統分析， 見圖9。方案3中的乘員發生了下潛現象，將不再納入損傷綜合分析對比。各個方案中，乘員大腿力、胸部壓縮量差別不大，并且遠遠小于乘員傷害質指標，也將不作為綜合損傷對比范圍。

如圖9所示，從雷達圖中心同一點引出6個變量作為坐標軸，連接各個方案下的損傷值，形成了不規則的閉環六邊形。綜合損傷趨勢與六邊形的面積成負相關，對比每個六邊形的面積，即可得出綜合損傷的大小。圖中六邊形面積（從大到小順序）：方案2、方案6、方案5、方案1、方案4；即綜合損傷（從大到小順序）：方案2、方案6、方案5、方案1、方案4。

依據上述分析，方案4的防下潛性能最好，同時能夠將乘員其它部位的損傷保持在合適的范圍。

4 結 論

論文通過正面碰撞的有限元模擬與臺車碰撞試驗對比了3種乘員模型的碰撞響應，結果表明THUMS人體模型具有更加接近真實人體的腰椎結構和更加合理的碰撞響應，更適合作為后文研究后排乘員下潛問題的工具。

本研究以某乘用車的后排座椅為研究對象，通過改變后排乘員約束系統相關參數提出6種防下潛方案。根據LS-DYNA有限元仿真結果，以安全帶滑移距離的大小判斷下潛趨勢，并對后排座椅的不同的防下潛方案進行乘員損傷綜合對比，在滿足FMVSS 208 法規要求的條件下，防下潛檔桿是最優防下潛方案，提高了后排乘員約束系統的安全性能，為后排乘員下潛的防護設計提供了參考價值。

參考文獻(Refereences)

[1] Maclaughlin T F, Sullivan L K, O’Connor C S.Experimental investigation of rear seat submarining [J].Inst Injury Reduction, 1988,1(1): 64-74.

[2] Lamielle S, Vezin P, Verriest J P, et al. 3D deformation and dynamics of the human cadaver abdomen under seatbelt loading [J].Stapp Car Crash J, 2008,52: 267-294.

[3] 張嘯, 劉雙, 楊笠. HIII5th女性假人的下潛機理及防下潛方案[J]. 汽車安全與節能學報, 2016,7(2): 202-209.ZHANG Xiao, LIU Shuang, YANG Li. Submarining mechanism for the HIII 5th female dummy and antisubmarining plans [J].J Autom Safe Energy, 2016,7(2):202-209. (in Chinese)

[4] 任啟豐. 基于某車型后排乘員防下潛研究 [C]// 第十三屆國際汽車交通安全學術會議(INFATS), 杭州, 2016: 309-313.REN Qifeng. Research on rear occupant anti-submarine[C]//Proc 13th Int’l Forum of Autom Traf Safe(INFATS),Hangzhou, 2016: 309-313. (in Chinese)

[5] Beck B, Brown J, Bilston L E. Assessment of vehicle and restraint design changes for mitigating rear seat occupant injuries [J].Traffic Injury Prevention, 2014,15(7): 711-719.

[6] Beck B, Brown J, Bilston L E. Variations in rear seat cushion properties and the effects on submarining [J].Traffic Injure Prevention, 2011,12(1): 54-61.

[7] Nakane K, Nojiri M, Maekawa R, et al. Analysis of abdominal injuries caused by the submarining phenomenon in the rear seat occupants [C]//24th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles (ESV), Gothenburg, Sweden, 2015: 15-23.

[8] HU Jingwen, WU J, KLINICH K D, et al. Optimizing the rear seat environment for older children, adults, and infants [J].Traffic Injury Prevention, 2013,14(sup1):S13-S22.

[9] Evans L, Frick M C. Seating position in cars and fatality risk [J].Amer J Public Health, 1988,78(11):1456-1458.

[10] Dennis R, Jessica S.Jermakian, et al. Rear seat safety:Variation in protection by occupant, crash and vehicle characteristics [J].Accident Anal Prevention, July 2015,80: 185-192.

[11] Demetropoulos C K, Yang K H, Grimm M J, et al.Mechanical properties of the cadaveric and hybrid III lumbar spines [C]//Proc 42nd Stapp Car Crash Conf,Tempe, Arizona, USA,1998,107: 2862-2871.

[12] 唐亮, 劉晉浩, 程朋樂, 等. 乘員下潛傾向判斷準則的研究[J]. 汽車工程,2014,36(06):694-698+693.TANG Liang, LIU Jinhao, CHENG Pengle, et al. A research on the judgment criteria for the tendency of occupant submarining [J].Automotive Engineering, 2014,36(06): 694-698+693. (in Chinese)

[13] 章龍. Hybrid III 50th假人有限元模型胸腰椎段研究[D].長沙: 湖南大學機械與運載工程學院, 2011.ZHANG Long. The research of the finite element model of thoracolumbar section of Hybrid III 50th dummy [D].Changsha: School of Mechanical and Transportation Engineering, Hunan University, 2011. (in Chinese)

[14] LIN H, GEPNER B, WU T, et al. Effect of seatback recline on occupant model response in frontal crashes [C]//Proc2018 Int’l IRCOBI Conf Biomech Injury, Athens, Greece,2018: 386-387.

[15] Horsch J D, Hering W E. A kinematic analysis of lap-belt submarining in test dummies [C]//Proc 33rd Stapp Car Crash Conf, Washington, DC, 1989,98: 1847-1854.

[16] TENG Tso-Liang, CHANG Kuan-Chun, WU Chien-Hsun,et al. Development and validation of side impact sled testing FE model [J].SAE Int’l J Engines, 2006,115: 167-172.

[17] Rouhana S W, Horsch J D, Kroell C K. Assessment of Lap-Shoulder Belt Restraint Performance in Laboratory Testing [C]//Proc 33rd Stapp Car Crash Con,Washington, DC, 1989, 98: 1810-1823.

[18] 張冠軍, 趙新鋒, 曹立波. 座椅參數對乘員正面碰撞的損傷影響研究[J]. 現代制造工程, 2016(12): 53-56+107.ZHANG Guanjun, ZHAO Xinfeng, CAO Libo. Study on the influence of seat parameters for occupant injury under frontal impact [J].Modern Manuf Engi, 2016(12): 53-56+107. (in Chinese)