碰撞工況下零重力姿態女性假人損傷對比分析

張浩銘　王凱　劉東春　陳勇旭

摘 要：隨著自動駕駛和智能座艙技術的不斷更新和完善，車輛內部相關結構部件被賦予了新的概念，比如“零重力座椅”，用戶可以通過調整座椅使自身處于平躺的姿態，使身體處于失重狀態，可以有效減少肌肉以及腰椎的疲勞，但目前針對這種姿態的碰撞工況研究和測試較少。本文依托模擬碰撞系統，搭建兩種試驗工況復現正面碰撞，對比分析了在正常坐姿以及零重力坐姿兩種不同工況下5th女性假人損傷差異。

關鍵詞：正面碰撞 滑車試驗 假人損傷 零重力

1 前言

目前頭部新能源車企在進行車型開發階段，為滿足消費者對車輛舒適性和智能化的要求，通過提高座椅的配置來改善座椅舒適性，比如“零重力座椅”（Zero-Gravity-Seats），所謂的零重力座椅就是將零重力原理和汽車座椅人體工業設計技術結合在一起，用戶可以通過調節座椅使自身處于平躺的姿態，使座椅對自身的壓力小于的重力，而表現出失重時的舒適感，在一定程度可有效減少肌肉和脊椎疲勞，使乘員保持充沛的狀態，如圖1所示。但從車輛安全方面考慮，這種新概念“零重力座椅”的安全性能是否符合要求，當車輛發生碰撞時，相關的約束系統能否有效的保護乘員，因此分析該姿態下的乘員傷害很有必要。本文以二排5th女性假人為研究對象，分析發生正面碰撞時，正常坐姿和零重力坐姿兩種工況下假人損傷差異。

2 試驗方法簡述

本文研究的試驗工況主要依托伺服液壓加速模擬碰撞系統進行，在該系統的滑車上搭建試驗工況，既能高精度再現整車碰撞過程，又可以降低采用整車碰撞方式所投入的成本。圖2為模擬碰撞系統復現波形與目標波形的對比，實現高精度復現，圖3為本文兩次試驗工況碰撞波形的對比，可以看出趨勢基本一致，保證了假人傷害數據的可對比性。

3 2種姿態下假人損傷對比分析

假人傷害評價參考C-NCAP中正面 100%重疊剛性壁障碰撞相關程序，主要從5th假人的頭部合成3ms加速度、頸部彎矩My、胸部壓縮量、骨盆合成加速度等參數來表征假人各個部位的傷害情況，C-NCAP評價規程中會對假人各個部位的傷害設定高低性能值，分別對應該部位的滿分或0分。

3.1 肩帶力對比

由圖1可以看出兩種工況下肩部力趨勢基本一致，安全帶的力學性能基本一致，由于姿態的不同，零重力姿態工況比正常姿態下峰值延遲17ms左右，在81.4ms時達到峰值4.5kN，正常姿態在64ms達到峰值4.49kN。

3.2 假人頭部損傷對比

由圖４可以看出，相比正常姿態工況，零重力工況的峰值加速度提前5ms左右達到，正常姿態工況下頭部傷害指標HIC15為214，3ms合成加速度值為47.55g，根據C-NCAP評價規程的評價方法進行線性插值法，對應得分為1.6分；零重力工況下頭部傷害指標HIC15為289，3ms合成加速度值為58.84g，對應得分為1.6分。

兩種工況下，雖然頭部傷害都在低性能范圍內，但是零重力姿態下，3ms合成加速度和HIC15偏高。

3.3 假人頸部損傷對比

假人頸部傷害主要考核頸部力以及頸部彎矩，由于假人頸部力矩傳感器安裝位置到頭頸交界面的距離為0.01778m，因此頸部彎矩力與頸部Fx存在以下關系：實際頸部My=My-0.01778m*Fx，因此通過對比頸部彎矩力來表征頸部傷害。由圖５看出頸部My在碰撞瞬間的力矩是先由負值而后增加至正值的，這是由于在發生碰撞瞬間，假人由于慣性相對于車身是向前運動的，而后安全帶約束系統進行預緊，這時假人頭部相對于胸部還是保持向前的運動的趨勢，而后安全帶預緊力逐漸增大，頸部力矩由負值逐漸變大，直到安全帶預緊結束后，假人頸部逐漸增加為正值，而后進入反彈階段；可以看出正常姿態工況，假人頸部My力矩11.7N·M，零重力工況下，假人頸部My力矩6.3N·M，根據C-NCAP假人傷害評價方法，頸部My高性能值為36N·M，低性能值為49N·M，兩種工況下的頸部傷害都在高性能范圍內。

同時可以明顯看到正常姿態的頸部彎矩比零重力姿態高出50%左右，通過觀察試驗過程的高速攝像，可以看出在正常坐姿工況下，假人頸部相對于胸部的旋轉角度是大于零重力工況的，這是假人坐姿差異所導致，零重力工況下由于假人是接近平躺的姿態，碰撞瞬間整體在向前向上運動會受到自身重力向下的影響，減少了頸部相對于胸部的旋轉運動。

3.4 假人胸部損傷對比

兩種工況下，假人胸部位移曲線趨勢基本一致，正常姿態下在68.2ms時達到峰值20.78mm，胸部粘性指標VC值為0.099m/s；零重力姿態下在97.7ms達到峰值15.83mm，胸部粘性指標VC值為0.141m/s；胸部損傷比較接近，正常姿態的胸部損害略高，根據C-NCAP假人傷害評價方法，頸部My高性能值為0.5m/s，低性能值為1m/s，均能達到滿分。

3.5 假人骨盆損傷對比

兩種工況下，假人骨盆合成加速度趨勢基本一致，正常坐姿工況下，在61.2ms時達到峰值44.77g，左髂骨力Fx峰值為2.40kN，右髂骨力Fx峰值為2.38kN，髂骨力減少速率為190.10N/ms；零重力坐姿工況下，在57.8ms時達到峰值49.53g，左髂骨力Fx峰值為1.75kN，右髂骨力Fx峰值為1.68kN，髂骨力減少速率為136.70N/ms。

由圖７可以看出，正常坐姿下骨盆合成加速度以及髂骨力總體比零重力坐姿偏大，這是由于正常坐姿的5th女性假人在碰撞瞬間基本被安全帶的預緊力有效的束縛在座椅上，因此總體受力會偏大，而零重力姿態的5th女性假人在碰撞瞬間由于慣性以坐墊作為緩沖向前滑移，安全帶也沒有按照正確約束路徑進行預緊；根據C-CANP假人傷害評價方法，兩種工況下髂骨力變化速率均不大于700N/ms，沒有發生下潛的現象。

3.6 假人大腿力損傷對比

大腿力參數也是表征假人傷害重要參數之一，由圖８可以看出正常坐姿下5th女性假人的左大腿力峰值為2.02kN，右大腿力峰值為1.25kN；零重力坐姿下5th女性假人的左大腿力峰值為2.58kN，右大腿力峰值為2.54kN；總體上兩種工況下的傷害比較接近，但零重力姿態下的傷害偏高。

4 結論

本文依托模擬碰撞系統，搭建了兩種試驗工況，分析對比5th二排女性正常坐姿和零重力坐姿兩種不同姿態下在碰撞過程中的損傷差異，主要結論如下：根據C-CANP（2021版）假人傷害評價方法，兩種工況的假人部位傷害都在高性能范圍內，但是由于姿態的不同，不同部位的傷害存在一定差異，相對比正常姿態，零重力姿態的頭部HIC15和大腿力Fz偏高，頸部My、胸部以及骨盆損傷表現稍好。但通過觀察實驗過程中的高速攝像，可以看到零重力姿態下假人會在碰撞瞬間由于自身慣性出現下滑，導致安全帶偏離設計的指定約束路徑。因此，從安全以及長遠的角度來看，要保證零重力座椅在應用時能對乘員提供全面的保護，車輛配備的相關被動安全系統也許進行一定的升級迭代，并進行不斷反復驗證優化，保證車輛的主被動安全性能。

參考文獻：

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