正面碰撞自動緊急制動系統作用下六歲兒童乘員姿態對損傷風險的影響

摘要：為厘清汽車正面碰撞事故中不同坐姿兒童乘員在有無自動緊急制動系統（AEB）介入時頭部及胸腹部損傷差異，結合城市快速路汽車的行駛速度（90km/h）與NHTSA-NCAP測試條件，建立了整車100%重疊率剛性壁障正面碰撞仿真模型。選取了某款帶靠背的增高墊兒童約束系統（CRS）。采用THUMS 6YO人體有限元模型模擬了參考坐姿（RF）、前傾坐姿（HF-OP）和下潛坐姿（PSB），對比分析了有無AEB作用下兒童乘員在各坐姿下的運動學響應及頭部和胸腹部損傷風險。結果表明：有AEB作用下， RF坐姿的兒童乘員HIC15減小了43.6%，胸部3 ms合成加速度降低了24.6%；PSB坐姿的兒童頭部3 ms合成加速度降低了19.2%，胸部壓縮量減小了18.1%；HF-OP坐姿的兒童頭部加速度峰值和胸部加速度峰值分別降低了28%和25%。可見各坐姿下AEB的介入均可顯著降低兒童乘員的頭部和胸部損傷風險。

關鍵詞：正面碰撞;兒童約束系統;自動緊急制動;THUMS 6YO人體有限元模型;坐姿

中圖分類號：U461.4

Effects of Occupant Posture on Injury Risk in Frontal Crash AEB for Six-year-old Children

WANG Peng1 PAN Di^1，2 YE Meiting1 YE Fan1 HAN Yong^1，2*

1.School of Mechanical and Automotive Engineering，Xiamen Institute of Technology，Xiamen，Fujian，361024

2.Fujian Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing of Buses，Xiamen，Fujian，361024

Abstract：To clarify the differences in head and thoracic-abdominal injuries among child occupants in different seating positions during frontal car collisions with and without the intervention of AEB， the driving speeds of urban expressways（90km/h） were combined with NHTSA-NCAP test conditions to establish a full-vehicle 100% overlap rigid barrier frontal collision simulation model. A CRS with a backrest was selected. The THUMS 6YO human finite element model was used to simulate three seating positions：reference（RF）， head forward-out of position（HF-OP）， and pre-submarining（PSB）. The kinematics responses and the risks of head and thoracic-abdominal injuries of child occupants in the three positions were analyzed and compared with and without the intervention of AEB. The results show that， under AEB conditions， the HIC15 and the chest 3 ms resultant acceleration of the children in RF sitting position decrease by 43.6% and 24.6% respectively. In PSB position， the head 3 ms resultant acceleration is reduced by 19.2%， and the chest compression is reduced by 18.1%. In HF-OP position， the peak accelerations of the head and chest are reduced by 28% and 25%， respectively. In all three sitting positions， AEB intervention significantly reduces the risk of head and chest injuries in child occupants.

Key words：frontal collision; child restraint system（CRS）; autonomous emergency braking（AEB）; THUMS 6YO human finite element model; sitting posture

0 引言

隨著汽車智能化的發展與人們安全意識的提高，道路交通事故中的兒童乘員安全也越來越引起人們的重視。世界衛生組織2023年的報告顯示，2021年全球道路交通事故死亡人數達到了119萬人，道路交通事故仍然是全球人類健康和發展的一大挑戰^［1］。在我國，道路交通傷害已經成為導致0～14歲兒童死亡的主要原因之一^［2］。2021年6月修訂的我國未成年人保護法首次將使用兒童安全座椅納入全國性立法，提高兒童約束系統（child restraint system，CRS）對兒童乘員保護效果的必要性日益凸顯。

盡管兒童約束系統相關法規明確規定兒童乘員應以正常的直立標準坐姿放置于CRS中心位置。但相關研究表明^［3-5］，僅有少數情況下兒童乘員能夠保持理想的標準坐姿，且隨年齡越大，兒童乘員脫離CRS正確約束的傾向越嚴重。研究發現，在車輛行駛過程中，兒童乘員的身體往往會呈現前傾或下潛趨勢的坐姿^［6］。BOSE等^［7］通過對比乘員的質量、身材、姿態和肌肉張緊程度對汽車正面碰撞中損傷風險的敏感性，發現乘員姿態是影響正面碰撞整體損傷風險最重要的參數。李海巖等^［8］研究了某款SUV 50%重疊移動漸進變形壁障（mobile progressive deformable barrier，MPDB）碰撞工況中不同坐姿6歲兒童乘員頭頸部的損傷風險影響，發現坐姿角度的增加會導致腦組織慣性損傷風險的增加。在正面碰撞事故中，兒童的胸腹部也是最容易受傷的部位^［9］。柏楊^［10］以法規標準坐姿為參考坐姿，研究了6歲兒童乘員不同坐姿和碰撞速度對胸腹部損傷的影響，結果表明，兒童乘員在后仰坐姿下胸腹部損傷風險更高。張學榮等^［11］進一步研究了正面碰撞工況下大傾角增高墊座椅中兒童乘員下潛姿態對腹部損傷的影響，得出下潛會顯著增加兒童腹部損傷。

隨著自動緊急制動系統（autonomous emergency braking，AEB）的普及，國內外學者針對緊急工況下乘員坐姿變化對損傷風險的影響進行了大量研究。YAMADA等^［12］研究了自動緊急制動情況下第五百分位女性、五十分位男性及九十五分位男性乘員坐姿對運動學響應的影響，發現AEB的介入不但顯著減輕了乘員損傷，且由于安全帶提前預緊和假人頭部提前接觸氣囊，提高了碰撞緩沖效果。胥林立等^［13］研究了制動工況中乘員的動態響應，并通過主動預緊安全帶對乘員的前傾離位進行防護，有效減小了乘員制動工況下的前傾位移量。曹立波等^［14］對自動緊急制動工況與可逆預緊安全帶共同作用下的乘員損傷風險進行了分析，得出碰撞前AEB導致的離位運動將加劇乘員在碰撞中的傷害。上述研究主要集中在成年乘員身上，針對兒童乘員的相關研究較少。研究發現^［15-16］，在AEB介入或緊急轉向時，兒童乘員的坐姿變化更明顯，且存在兒童乘員軀干脫離安全帶正確約束的風險。STOCKMAN等^［17］對比研究了AEB介入時不同年齡段的兒童志愿者與假人在多種約束條件下的運動學響應差異，發現兒童志愿者會有更大的頭部前向位移量，且身高較矮的兒童會產生更大的頭部彎曲運動。崔世海等^［18］采用6歲兒童有限元模型研究了公交車有無AEB對兒童乘員顱腦損傷風險的影響，得出AEB介入能有效降低公交車內兒童乘員頭部損傷風險。MAHESHWARI等^［19-20］采用PIPER兒童人體有限元模型研究了偏置碰撞和100%重疊率正面碰撞條件下有無AEB時 6歲和10歲兒童乘員在不同約束條件下的坐姿變化對運動學響應和頭頸部損傷風險的影響，得出AEB的介入能夠有效降低兒童乘員頭頸部損傷風險的結論，但未對兒童乘員損傷機制進行深入分析。

本研究參考城市快速路汽車的行駛速度與NHTSA-NCAP測試協議，采用THUMS 6YO人體有限元模型，搭建了有AEB和無AEB兩種工況下兒童乘員正面碰撞模型，對比了兒童乘員在三種坐姿下使用增高墊型兒童約束系統CRS時的運動學響應差異，并基于HIC15、頭部及胸部3 ms合成加速度、von Mises應力等指標進一步分析了兒童乘員的頭部及胸部損傷機理。

1 方法與材料

1.1 有限元模型

本文采用有限元前處理軟件HyperMesh 2022搭建仿真工況，采用求解器LS-DYNA R11.0進行仿真計算。汽車有限元模型選用喬治華盛頓大學國家碰撞分析中心（NCAC）基于2001版福特Taurus開發的有限元模型^［21］。根據US-NCAP與NHTSA測試報告，分別從正面碰撞和側面碰撞工況中驗證了Taurus汽車有限元模型的有效性^［21］。本研究使用質量點對汽車進行了配重，整車有限元模型質量約為1421 kg，實際質量為1452 kg。

兒童乘員模型選用豐田中央研究院開發的第四代學術版人體有限元模型THUMS 6YO^［22］，該模型具有較為詳細的人體解剖學結構，且基于尸體試驗已驗證了其良好的生物逼真度^［23-24］。

兒童約束系統CRS有限元模型是基于某款增高墊型兒童安全座椅的幾何數據建立的^［25］。座椅本體采用8 mm的2D單元進行網格劃分，座椅頭枕和兩側泡沫采用四面體網格劃分。網格總數為283 695，節點總數為152 875，座椅有限元模型總質量為7 kg，如圖1所示。使用該款兒童約束系統按照ECE R44試驗規程設置^［25］，采用ECE R44法規臺車，搭載Hybrid Ⅲ 6YO數值模型并使用汽車三點式安全帶對數值模型進行約束。臺車的加速度曲線處于法規要求的通道之內，如圖2所示。

仿真和試驗的胸部與盆骨合成加速度曲線如圖3、圖4所示。其中試驗與仿真的加速度曲線趨勢基本一致，加速度的波峰和波谷出現的時刻也較為一致。由此驗證了所建立的CRS有限元模型的有效性，可用于后續兒童乘員損傷風險分析研究。

1.2 兒童乘員坐姿

本研究共選用了三種最常見的兒童乘員坐姿進行研究。其中按照NHTSA-NCAP測試標準設置的坐姿定義為基準參考坐姿（reference，RF），其余兩種坐姿參考MAHESHWARI等^［19-20］采用的坐姿，分別定義為前傾坐姿（head forward-out of position，HF-OP）和下潛趨勢坐姿（pre-submarining position，PSB）。其中前傾坐姿以參考坐姿（圖5a）為基準將頭部向前傾斜150 mm得到；下潛趨勢坐姿通過對無約束系統約束的兒童乘員施加重力，使其懶散坐于后排座椅上，并將安全帶腰帶的中心線約束在髂前上棘上方5～10 mm的位置。兩種非標準姿態的兒童乘員坐姿如圖5b、圖5c所示。

1.3 正面碰撞模型

如圖6所示，基于US-NCAP碰撞試驗，建立整車100%重疊率剛性壁障正面碰撞仿真模型，主要由整車模型、CRS模型、THUMS 6YO人體有限元模型和安全帶模型組成。將增高墊型兒童座椅安裝在后排座椅的左側位置上（駕駛位后方），通過施加重力預模擬兒童真實乘坐CRS時的初始狀態。兒童乘員、CRS、安全帶及整車模型之間分別采用LS-DYNA關鍵字*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE建立接觸，動靜摩擦因子均設置為0.2。同時，模型各自采用關鍵字*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFCAE設置自接觸， 除兒童有限元模型的動靜摩擦因子設置為0.1外，其他模型均設置為0.2。兒童乘員與CRS受到帶有卷收器、預緊器以及4kN載荷限力器的三點式安全帶約束。其中，三點式安全帶采用HyperMesh 2022中的Seatbelt功能進行建模，并采用關鍵字*ELEMENT_SEATBELT_PRETENSIONER和*ELEMENT_SEATBELT_RETRACTOR模擬卷收器和預緊器的功能。

本文將汽車在AEB正面碰撞仿真工況分為預碰撞階段與碰撞階段，仿真總時長為1020 ms，其中0～740 ms為預碰撞模擬AEB行駛階段，740～1020 ms為碰撞階段，模擬兒童乘員碰撞運動學響應與損傷風險。初始速度參考某城市快速路的限速值設為90 km/h，參考YAMADA等^［12］研究中使用的汽車AEB減速度曲線，如圖7所示。本文模擬的車身速度從90 km/h降至碰撞時刻的56 km/h；對于沒有AEB的工況，車輛初始速度設置為56 km/h。

1.4 兒童乘員損傷評價指標

研究表明，在正面碰撞工況下，頭部和胸腹部損傷是導致兒童乘員死亡和重傷的主要原因^［26-27］。3 ms合成加速度可以有效評估兒童乘員頭部和胸部損傷風險，von Mises應力^［28-29］對腦震蕩等彌漫性腦損傷有較好的預測效果，HIC15和顱內壓力^［30］能夠很好地預測腦挫傷等局灶性腦損傷。兒童胸廓柔軟，受到沖擊時易產生較大的胸部壓縮量，通過胸部壓縮量可以更為直觀地評估胸部損傷程度。肋骨塑性應變不僅可以較好地預測成人肋骨的骨折風險，對兒童同樣也具有較好的預測能力^［31］。心肺第一主應變可以有效預測兒童心肺組織的損傷風險^［32-33］。基于上述研究，選用頭部3 ms合成加速度值、HIC15、顱內壓力以及von Mises應力對兒童乘員頭部損傷風險進行評估。采用胸部3 ms合成加速度值、胸部最大壓縮量、肋骨塑性應變以及心肺第一主應變對兒童乘員胸腹部損傷風險進行評估。

2 結果分析

2.1 兒童運動學響應

圖8為有無AEB介入時不同坐姿下兒童乘員的運動學響應。定義0為碰撞初始時刻，無AEB條件下，該時刻兒童乘員均處于初始坐姿狀態（RF坐姿、HF-OP坐姿、PSB坐姿）。有AEB條件下，0時刻為兒童乘員處于初始坐姿經歷緊急制動后的坐姿。從圖中可以看出，相同時刻下不同坐姿兒童乘員的運動學響應有較大差異。70ms時，兒童乘員在安全帶肩帶的約束作用下，軀干均出現不同程度的向左傾斜，其中HF-OP坐姿的傾斜程度較為嚴重。140 ms時，整個碰撞過程處于回彈階段，此時RF坐姿與PSB坐姿下的兒童乘員處于正常的約束狀態下，而HF-OP坐姿下兒童乘員軀干向左傾斜的程度加重，出現了較大偏轉角。210 ms時，三種姿態下兒童乘員在CRS的約束下回彈且向后運動，并與汽車后排座椅靠背發生碰撞。整個運動學響應過程中，RF坐姿下安全帶均保持在正確的約束路徑上，而HF-OP坐姿下在回彈階段安全帶肩帶由兒童乘員的肩部滑落至大臂處，未能產生較好的約束效果。PSB坐姿下的兒童乘員由于發生了下潛，90 ms時出現了“勒脖子”現象。

圖8中，RF坐姿與PSB坐姿較為相似，主要區別為安全帶腰帶的位置不同，導致二者在有無AEB條件下兒童乘員不同時刻的運動學響應較為相似。HF-OP坐姿下，有無AEB的介入對兒童乘員的運動學響應產生了顯著差異，主要表現為有AEB介入的工況中，兒童乘員軀干向左側傾斜程度更嚴重。

2.2 基于運動學參數的頭部和胸部損傷風險

圖9為兒童乘員頭部和胸部質心合成加速度隨時間變化的關系曲線。圖9a顯示，在0～120 ms時間段內，各工況的頭部合成加速度趨勢基本一致。約85 ms時，6個工況的頭部合成加速度均達到第一個加速度波峰，該波峰是由于兒童乘員的身體前傾，頭部前向位移增大造成的。在130 ms時，有無AEB作用下的RF坐姿以及無AEB作用的PSB坐姿頭部合成加速度均出現了第二個明顯波峰，這是因為在回彈階段，兒童乘員的頭部與CRS頭枕首次發生接觸。隨著兒童乘員與CRS回彈運動的加劇，200 ms左右CRS的頭枕與汽車后排座椅發生接觸，隨后兒童乘員頭部與CRS頭枕發生劇烈撞擊，產生了較高的頭部加速度峰值。圖9b所示為兒童乘員的胸部質心合成加速度，從圖中可以看出，兒童乘員的胸部加速度趨勢相近，且相同坐姿下，相比于有AEB介入，無AEB時的胸部合成加速度峰值更大。由于安全帶肩帶對兒童乘員胸部的擠壓作用，6個工況下兒童乘員胸部的合成加速度在100 ms左右均產生了一個較高的波峰，其中以PSB坐姿無AEB條件下的胸部加速度峰值最高，達到了129g。

表1列出了兒童乘員頭部和胸部損傷參數計算結果。所有工況下，兒童乘員HIC15值及頭部3 ms合成加速度均低于法規閾值，但胸部3 ms合成加速度均高于法規閾值。其中 PSB坐姿無AEB介入時胸部3 ms合成加速度最大，達到了101.7g。該工況下兒童乘員的胸部壓縮量同樣最大，為52.4 mm，遠高于胸部壓縮量損傷風險閾值。

2.3 基于應力應變的頭部和胸部損傷風險

圖10為不同工況下兒童乘員腦組織的von Mises應力云圖（左）和顱內壓力云圖（右）。BAUMGARTNER等^［29］研究表明，腦組織von

Mises應力在15～20 kPa時將會導致腦部出現不同程度的腦震蕩損傷風險。本文中，所有工況下，兒童乘員的腦組織應力均未超過15kPa。相同坐姿下，有AEB時，兒童乘員腦組織von Mises應力更低。在正面碰撞中兒童乘員的腦組織主要受縱向載荷的影響，圖中可以看出，各工況下兒童乘員顱內壓力均呈現依次遞減的階梯式分布現象。馮城建^［30］基于典型交通事故的顱腦損傷學機制，提出顱腦壓力低于173 kPa時顱內組織會發生輕度挫傷，當顱內壓力值在173～235 kPa之間時，會導致顱腦中度挫傷。本研究所有工況下的兒童乘員顱內壓力均遠低于損傷參考閾值，腦組織的損傷風險較低。

圖11為6個工況下兒童乘員肋骨和心肺組織的第一主應變云圖。由肋骨第一主應變云圖可知，應變主要集中分布在肋骨的左側，所有工況下兒童乘員的肋骨第一主應變均遠超肋骨應變范圍^［31］，有較高的骨折風險；且PSB坐姿無AEB的工況下兒童乘員肋骨的應變值最高，達到了92.9%。由肺部第一主應變云圖可以看出，應變主要集中于兩側肺的中下部，且與安全帶的約束路徑較吻合。其中PSB坐姿無AEB條件下兒童乘員肺部的主應變最大，達到了187.8%。根據GAYZIK^［32］研究所得，當肺部有限元模型的應變達到35%時，肺組織會出現損傷。圖中所有工況的兒童肺部第一主應變值均遠高于35%，表明兒童乘員的肺部出現嚴重的肺挫傷甚至肺破裂的風險較大。由心臟組織第一主應變云圖可知，6個工況下兒童乘員的心臟均發生了較大形變。研究發現^［33］，0～9歲兒童心肌組織的極限拉伸應變為（62.9±6.9）%，當心臟的第一主應變達到30%時，便可導致心肌組織出現損傷。6個工況下兒童乘員的心臟主應變均高于30%的損傷閾值^［33］，但是低于極限拉伸應變，有出現心臟嚴重損傷的風險。

3 討論與分析

3.1 坐姿變化對兒童乘員損傷風險的影響

由表1可知，無論有無AEB介入，三種坐姿下兒童乘員HIC15值及頭部合成加速度均遠低于法規閾值。HF-OP坐姿下的兒童乘員頭部3 ms合成加速度高于相同工況下的其他兩種坐姿，原因是HF-OP坐姿增加了頭部與頭枕之間的距離，加重了回彈過程中兒童乘員頭部與頭枕的撞擊程度。從腦組織損傷指標看，三種坐姿下兒童乘員的腦組織von Mises應力和顱內壓力均遠小于損傷閾值，兒童腦組織損傷的風險較低。

所有工況下兒童乘員的胸部合成加速度均超過了法規閾值。其中，PSB坐姿的兩個工況下兒童乘員胸部合成加速度峰值均超過了110g，且均出現在100 ms左右，該時刻兒童乘員的胸部壓縮量基本達到最大。由兒童乘員運動學響應可知，該坐姿相對于其他兩種坐姿，兒童乘員胸部產生了更嚴重的變形，同時由于安全帶肩帶上移至兒童胸部質心處，所以產生了更高的胸部加速度。兒童乘員的肋骨及心肺組織的第一主應變也驗證了這一觀點。

3.2 AEB介入對兒童乘員損傷風險的影響

以RF坐姿為例，由AEB介入導致的兒童乘員頭部與胸部質心點位移變化如圖12所示，黑色虛線代表碰撞前AEB減速階段開始時的坐姿，也是無AEB介入時兒童初始坐姿，當AEB介入時，兒童乘員初始坐姿如圖中實體所示。在AEB的影響下，兒童乘員頭部質心位置前移了83.6 mm，胸部質心位置前移了44.9 mm。在碰撞之前，有AEB條件的情況比沒有AEB工況下的兒童頸椎（C1～C7）更加彎曲，與沒有AEB的情況相比，有AEB情況下的兒童乘員在水平方向上C1與C7頸椎之間的夾角增加了9.4°。在AEB的影響下，脊柱與水平方向上的夾角減小，脊柱彎曲程度與身體前傾成正比。表2列出了碰撞階段在AEB的影響下，兒童乘員頭部、胸部、C1～C7頸椎以及脊柱與水平方向夾角的變化。

由表1可知，除HF-OP坐姿外，其他坐姿下，兒童乘員在有AEB介入時的胸部3 ms合成加速度均低于無AEB介入工況。且RF坐姿下，兒童乘員HIC15值降幅最大，達43.6%，胸部3 ms合成加速度降低了24.6%；PSB坐姿下兒童的頭部3ms合成加速度降低了19.2%，胸部壓縮量減小了18.1%。通過對比分析兒童乘員頭部和胸部組織器官的損傷情況可知，除HF-OP坐姿外，其余兩種坐姿時，兒童乘員在有AEB介入時的顱內壓力均遠低于無AEB介入的工況。三種坐姿下，兒童乘員均有發生嚴重肋骨骨折的風險，而AEB的介入顯著減低了肋骨的第一主應變。對比三種姿態下兒童乘員心肺組織損傷風險發現，RF坐姿和PSB坐姿下，有AEB介入的兒童乘員肺部和心臟第一主應變低于無AEB的情況，而HF-OP坐姿的結果與之相反，原因是AEB的介入加重了兒童乘員前傾的程度，增加了安全帶肩帶對兒童乘員胸部的作用力。

4 結論

1）坐姿的變化會顯著影響兒童乘員的運動學響應和損傷風險。HF-OP坐姿下的兒童乘員在碰撞過程中身體軀干向左發生了明顯的偏轉，并且在回彈過程中安全帶肩帶完全滑落至兒童手臂大臂處。PSB坐姿下，由于兒童乘員發生了明顯的下潛，碰撞后期有無AEB介入的兩個工況均出現了“勒脖子”現象。

2）AEB的介入顯著減輕了兒童乘員的頭部和胸部損傷。RF坐姿下兒童乘員HIC15值減小了43.6%，胸部3 ms合成加速度降低了24.6%；PSB坐姿下兒童的頭部3 ms合成加速度降低了19.2%，胸部壓縮量減小了18.1%。

3）所有工況下，兒童乘員的肋骨與心肺組織應變值均遠超其損傷閾值。其中，RF坐姿和PSB坐姿下，有AEB介入時兒童乘員心肺組織的損傷風險均低于無AEB介入時的情況，但HF-OP坐姿下結論相反。

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（編輯 王旻玥）

基金項目：國家自然科學基金（51675454）；福建省技術創新重點攻關及產業化項目（2022G043，2023G048）

作者簡介：

王 鵬，男，1998年生，碩士研究生。研究方向為兒童乘員安全、碰撞生物力學。E-mail：13766225375@163.com。

韓 勇*（通信作者），男，1984年生，教授、博士研究生導師。研究方向為車輛智能安全、道路弱勢群體安全、碰撞生物力學等。E-mail：yonghan@xmut.edu.cn。

本文引用格式：

王鵬，潘迪，葉美婷，等.正面碰撞自動緊急制動系統作用下六歲兒童乘員姿態對損傷風險的影響［J］. 中國機械工程，2025，36（3）：483-492.

WANG Peng， PAN Di， YE Meiting， et al. Effects of Occupant Posture on Injury Risk in Frontal Crash AEB for Six-year-old Children［J］. China Mechanical Engineering， 2025， 36（3）：483-492.