大傾角坐姿乘員在汽車正面碰撞中的損傷

關鍵詞：大傾角坐姿；自動駕駛；正面碰撞；乘員損傷

中圖分類號：U471.3

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2025.07.012 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Injuries of Occupants in a High-dimation Seated During a Frontal Vehicle Collisions

WU Hequan1，2* GONG Chuangye1，2 LI Yihui1，2 HU Lin1，2 1.School of Automotive and Mechanical Engineering，Changsha University of Science and Technology，Changsha，410114 2.Hunan Province Key Laboratory of Safety Design and Reliability Technology for Engineering Vehicle，Changsha University of Science and Technology，Changsha，410114

Abstract： Autonomous driving liberates passengers from driving tasks，and allows them to choose more comfortable sitting postures. The motion responses and injuries of occupants in colisions were studied under three different sitting angles.The results show that the passengers will dive in a siting position with a large inclination angle，resulting in an increased risk of injury. In response to this phenomenon， a protective strategy of seat cushion flipping was proposed. This strategy significantly reduces the injury risk of the occupants. Under the restraint of seat belts，the liver strain of occupants in 120^° sitting position is reduced to 42.1% ， and the heart strain of occupants in 150^° sitting position is reduced to 24.3% ：

Key words： high angle siting position; automatic drive; front impact; passenger injury

0 引言

人工智能和物聯網技術的發展將自動駕駛技術推向了新的高度[1-2]。目前，汽車工業大國均在積極推進自動駕駛技術[3]，自動駕駛汽車的乘員擁有更大的活動空間。短途出行中，乘員傾向于將座椅傾斜到更放松的角度[4]。自動駕駛意味著乘員不需要局限在轉向盤前，可將座椅靠背傾斜到舒適的角度[5-6]。因此自動駕駛汽車乘員的舒適性和安全問題成為不可忽視的問題[7-8]

目前，座椅靠背大傾角的相關研究相對較少，對汽車碰撞安全性能的評估針對的是標準坐姿乘客[9]。DISSANAIKE等[10]發現駕駛員與乘員都喜歡傾斜座椅，以獲得更舒適的坐姿，但座椅傾斜會增大碰撞中的死亡率。THORBOLE[11]發現座椅靠背傾斜角度越大，安全帶的貼合度越差；大傾角靠背會導致乘員下潛，造成乘員腹部損傷。STANGLMEIER等[12]研究了座墊與靠背的多種角度組合的乘員損傷，發現坐墊角度為 40^° 和靠背角度為 155^° 的組合為座墊與靠背角度的最佳組合。FORMAN等[13]對比了有限元人體模型NHTSATHORFE和GHBMC在傾斜坐姿下的正面碰撞響應，發現GHBMC更容易發生下潛。BOSE等[14]研究了乘員的體重、身高、姿態和支撐水平在正面碰撞中對乘員損傷風險的影響，發現姿勢是影響乘員整體損傷最重要的參數。傳統的安全約束并不能對非標準坐姿下的乘員起到很好的保護作用，所以研究非標準坐姿下的乘員損傷具有重要的意義。

本文使用THUMS（totalhuman modelforsafety）50百分位成年男性有限元模型（THUMSAM50人體模型），搭建臺車試驗平臺進行對比試驗，研究 56km/h 正面碰撞下，乘員在標準姿勢（100^°） 、娛樂姿勢 （120^°） 、休息姿勢 （150^° ），以及不同約束系統下的運動學響應與損傷。

1研究方法

1.1 THUMS乘員約束系統搭建

將正面碰撞試驗[15]的加速度曲線用于臺車模型，通過對比臺車模型與試驗的運動學響應、頭部質心軌跡，對搭建的乘員約束系統進行有效性驗證。試驗使用三點式安全帶將約束在座椅，使用腿部擋板和腳踏板限制乘員骨盆和下肢的運動。參考試驗建立的試驗臺車模型包括汽車座椅、乘員、擋板、三點式安全帶等。試驗設置與搭建的臺車仿真模型如圖1所示，加速度曲線見圖2。

圖1試驗和THUMSAM50人體模型

Fig.1 Cadaver trialsand THUMS AM50 mannequins

圖2臺車沖擊加速度曲線Fig.2 Vehicle impact accelerationcurve

1.2 不同座椅靠背角度的正面碰撞模型

建立的正面碰撞有限元模型由THUMSAM50人體模型、靠背多角度安全座椅、安全帶、安全氣囊等組成。座椅模型為豐田YARiS車輛座椅模型，選擇座椅右側平面測量座椅靠背與座椅底架橫梁夾角（初始值為 100^° 。以座椅靠背鉸鏈連接處為旋轉中心，將座椅靠背角調整為120^°.150^° ，參考《美國高速公路安全管理局 100% 正面碰撞試驗設置規范》設置一組標準坐姿乘員作為對照組。通過設置人體與座椅的接觸并對模型系統施加重力場，提取人體模型與座椅達到平衡狀態的模型。此時，人體與座椅接觸，座椅坐墊和靠背受壓變形。座椅不同靠背角度的臺車模型如圖3所示。

基于建立的3種臺車模型，建立肩帶D環固定在B柱（以下簡稱B柱安全帶）與肩帶D環固定在座椅靠背（以下簡稱座椅安全帶）的安全帶模型，如圖4所示。安全帶卷收器限力 4kN ，預緊器限力 2kN^[16] 。對3個座椅靠背角度、2種形式安全帶的6組模型施加圖5所示的 56km/h 碰撞加速度曲線[17]。

圖3不同角度正面碰撞模型

Fig.3 Frontal collision model with different angles

圖4安全帶不同固定形式

Fig.4 Seatbeltsare fastened indifferentways

圖5正面碰撞實驗加速度波形

Fig.5Frontal impact experimental acceleration waveform

1.3 防護策略下的正面碰撞模型

針對大傾角姿勢下乘員的嚴重下潛（增大乘員整體損傷的風險），提出座墊抬起的防護措施，即在娛樂姿勢 （120^°. ）、休息姿勢（ ?150^° 時抬起座椅座墊，以減少乘員的下潛、增強約束系統的約束效果。

以座椅的右側面為測量平面，以座椅靠背與座墊鉸鏈的轉動軸為中心，測量座椅座墊橫梁的轉動角度。使用前處理工具LS-PrePost（V4.8.13）將娛樂姿勢（ ?120^° ）、休息姿勢 （150^°） 下的座椅座墊分別繞轉動軸逆時針旋轉 20^° 和 30^° （圖6），得到座墊抬起后的座椅模型

圖6防護策略座椅調整示意圖Fig.6 Protective strategy seat adjustmentdiagram

1.4 乘員損傷評價

時間間隔 15ms 的頭部損傷指標計算公式為

式中： a（t） 為測試人體頭部質心的合成加速度； t₁…t₂ 分別為頭部損傷指標達到最大值的開始時間和結束時間，美國聯邦機動車安全標準規定 A 的允許值為700。

頭部旋轉損傷指標為

式中： ω_x∣_νω_y∣_νω_z 分別為頭部重繞在 X，Y，Z 軸的最大角速度； 分別為 ω_x∣_{ν∣ν∣y?ωz} 的臨界值， ω_xc=66.3 rad/s，ω_sc=53.8rad/s，ω_zc=41.5rad/sq

損傷概率為

根據YOGANANDAN等[18]的研究，可以通過測量人體模型頸部各類韌帶的最大主應變來確定頸部損傷，其中，前縱向韌帶的損傷閾值為0.35，后縱向韌帶的損傷閾值為0.34，關節囊韌帶的損傷閾值為1.48，黃韌帶的損傷閾值為0.88，棘突間韌帶損傷閾值為0.68。

肺部應變達到 35% 時發生損傷[19]，心臟損傷的應變閾值為 30%^[20] ，肝臟、腎臟和脾臟的應變耐受值為 30%^[21] （204號

2 研究結果

2.1THUMS乘員約束系統驗證試驗

對建立好的THUMS乘員約束系統施加與試驗相同的正面碰撞邊界條件，通過對比動畫及運動軌跡來驗證模型的有效性。 0～20ms 時，碰撞處于初始階段，乘員姿態變化不明顯；20～100ms 時，碰撞沖擊速度變大，乘員與座椅之間出現相對位移，乘員身體前傾，胸腹部在安全帶的作用下發生變形； 100～150ms 時，乘員頭頸部發生明顯屈曲，手臂伸展到水平位置，下肢離開腳踏板。如圖7所示，正面碰撞仿真中，THUMS乘員模型的運動響應與實車撞擊試驗（postMor-temhumansubjects，PMHS）的運動學響應高度一致。仿真中，乘員模型的頭部（Head）、第一胸椎（T1）、第八胸椎（T8）、第二腰椎（L2）、骨盆（Pelvis）的運動軌跡與的軌跡相似，展現出很好的相關性，證明兩者具有較高的相似度（見圖8）。

圖7THUMS與PMHS的運動學響應

Fig.7 Kinematic responsesofTHUMS and PMHS

圖8矢狀面下PMHS與THUMS的頭部、T1、T8、L2和骨盆的運動軌跡

Fig.8Motiontrajectoriesofhead，T1，T8，L2 and pelvis for THUMS and PMHS in sagittal plane

2.2 正面碰撞仿真試驗

表1所示為乘員在正面碰撞仿真實驗中的運動學響應。 0～60ms ，座椅加速向后運動。35ms時，安全氣囊完全展開，人體由于慣性向前運動，安全帶預緊器、卷收器拉緊安全帶，使胸帶、腰帶與人體貼合。標準坐姿下，2種安全帶約束的乘員運動學響應基本一致。娛樂坐姿下，座椅安全帶約束的人體出現下潛的趨勢，B柱安全帶約束的乘員沒有出現明顯的下潛趨勢。休息姿勢下，2種安全帶約束的乘員均出現明顯的下潛的趨勢。 80ms 時，B柱安全帶約束的乘員面部與胸帶接觸，但乘員的下滑趨勢明顯小于座椅安全帶；2種安全帶約束的乘員面部在整個碰撞過程中均未與安全氣囊接觸。

表1正面碰撞乘員的運動學響應

Tab.1 Kinematic response of frontal collision occupant

3種坐姿下的乘員頭部質心運動軌跡如圖9所示。標準姿勢下，2種安全帶約束的乘員頭部質心軌跡無顯著差異。娛樂姿勢下，座椅安全帶約束的乘員頭部質心的Y向位移顯著大于B柱安全帶，座椅安全帶不能很好約束乘員，導致乘員出現下潛趨勢。休息姿勢下，B柱安全帶約束的乘員頭部質心的 Y 向運動幅度很小（最大位移為44mm） ，座椅安全帶不能很好約束乘員，導致乘員出現下潛趨勢。

圖9不同坐姿的頭部質心運動軌跡

Fig.9 Hightilt sittinghead centroid motion trajectorydiagram

由表2可以看出后縱向韌帶、棘突間韌帶為主要的損傷位置。隨著座椅靠背傾角的增大，頸部韌帶的損傷數量增大。座椅安全帶約束下，150^° 傾角的乘員頸部韌帶有5處損傷， 120^° 傾角的乘員頸部韌帶有4處損傷， 100^° 傾角的乘員頸部韌帶有2處損傷。B柱安全帶約束下， 120^° 傾角的頸部韌帶有3處損傷， 150^° 傾角的頸部韌帶有4處損傷。

表2正面碰撞中頸部韌帶損傷結果Tab.2 Resultsofneckligament injuryin head-oncollision

由表3可知，隨著傾斜角度的增大，乘員胸部的損傷風險增大；同種傾斜角度下，B柱安全約束的乘員胸部損傷風險小于座椅安全帶約束的乘員。標準坐姿下，B柱安全帶約束的乘員胸部器官未發生明顯損傷；座椅安全帶約束的肺部、脾臟應變小幅度超過閾值，可能發生損傷。娛樂姿勢下，座椅安全帶約束的肺部、肝臟、脾臟應變超過閾值，有損傷的風險；B柱安全帶約束的肝臟應變超過閾值，有損傷的風險。休息姿勢下，座椅安全帶約束的肝臟、肺部、脾臟、心臟應變超過閾值；B柱安全帶約束的肺部、肝臟、脾臟、腎臟應變均超過閾值。

表3正面碰撞胸腹部器官應變

The strain of the thoracic and abdominal organs inafrontal collision %

由表4可知， 120^° 與 150^° 的頭部旋轉損傷指標 B 均大于 100^° 的標準坐姿；B柱安全帶約束的休息坐姿乘員頭部損傷指標 A 超過閾值;B柱安全帶約束下，隨著座椅傾斜角度的增大，乘員頭部損傷的風險會增加。

表4正面碰撞中頭部損傷結果Tab.4 Resultof head injuryinhead-oncollision

2.3防護策略下正面碰撞仿真實驗

表5所示為乘員在正面碰撞仿真實驗中的運動學響應。娛樂姿勢下，座椅安全帶約束的乘員頭部僅與安全氣囊邊緣接觸，B柱安全帶約束的乘員頭部在 80ms 時完全與安全氣囊接觸，且接觸位置位于氣囊中間。休息姿勢下，座椅安全帶約束的乘員胸帶卡住乘員脖子，B柱安全帶約束的乘員安全帶胸帶與乘員面接觸；座椅安全帶約束的乘員下潛趨勢小。

娛樂姿勢與休息姿勢防護策略下，乘員頭部質心的運動軌跡如圖10所示。座椅安全帶約束的乘員頭部質心 Z 向運動幅度更大，B柱安全帶約束的乘員 X 向運動幅度更大，但乘員均未出現明顯的下潛。休息姿勢防護策略下，B柱安全帶約束的乘員頭部質心 Z 向運動幅度更大；座椅安全帶約束的乘員頭部質心 X 向運動幅度更大，乘員頭部質心 Z 向的運動軌跡多次上升與下降（可能原因是安全帶勒住乘員頸部）。

座墊翻轉抬起策略下，娛樂姿勢、休息姿勢的乘員頸部韌帶損傷如表6所示。同一坐姿的座墊翻轉防護策略下，B柱安全帶約束的頸部韌帶總體損傷更少。座墊翻轉抬起策略并未顯著減少頸部韌帶的損傷，某些韌帶的應變增大，如休息姿勢的棘突間韌帶與前縱向韌帶、娛樂姿勢的前縱向韌帶的應變增大。

由表7可知，娛樂姿勢下，座椅安全帶約束的乘員肝臟、肺部、脾臟、心臟的應變均超過閾值，腎臟應變未超過閾值；B柱安全帶約束的乘員心臟、肺部、腎臟的應變均未超過閾值，肝臟、脾臟的應變超過閾值。休息姿勢下，座椅安全帶約束的乘員肝臟、肺部、脾臟的應變均超過閾值，腎臟、心臟的應變未超過閾值；B柱安全帶約束的乘員心臟、肺部、腎臟的應變均未超過閾值，肝臟、脾臟的應變超過閾值。B柱安全帶約束的乘員內臟應變幅度明顯更小即乘員內臟損傷的風險小。

表5防護策略下正面碰撞乘員的運動學響應

Tab.5Kinematic response of frontal collision occupant under protective strategy

圖10防護策略下頭部質心運動軌跡圖 Fig.10 Head centroid motion trajectory under protection strategy

座墊翻轉拾起策略下，娛樂姿勢、休息姿勢的乘員頭部損傷指標如表8所示，座墊翻轉抬起策略有效減小了娛樂姿勢乘員的頭部損傷指標、頭部旋轉損傷指標，將座椅安全帶約束下娛樂姿勢乘員的損傷概率從 80% 降至 43% 。頭部旋轉損傷指標與頭部質心的旋轉密切相關，休息姿勢下，B柱安全帶約束的乘員面部與安全帶接觸，導致頭部運動發生改變，加大了頭部旋轉損傷指標。對比發現座墊翻轉能有效降低乘員的頭部損傷風險。

3討論

對比運動學響應發現，不同座椅傾角和安全帶的乘員運動學響應差異明顯。座椅安全帶約束下， 120^°.150^° 坐姿的乘員在碰撞中出現明顯的下潛；B柱安全帶約束下的乘員下潛趨勢小。座椅傾角的增大加大了肝臟、肺部、脾臟、心臟、腎臟的損傷風險。同種約束下，座椅傾角越大，乘員內臟的損傷風險越大；同一座椅傾角下，B柱安全帶約束的乘員內臟損傷風險更低。大傾角坐姿下，后縱向韌帶、棘突間韌帶為主要的損傷位置。隨著座椅靠背傾角的增大，頸部韌帶的損傷增多。相同安全帶約束下， 120^° 與 150^° 傾角下的頭部旋轉損傷指標均大于 100^° 的標準坐姿； 150^° 坐姿、B柱安全帶約束下的乘員頭部損傷指標超過閾值。針對大傾角坐姿下，乘員下潛導致嚴重損傷的現象，提出座墊抬起的防護措施即通過座墊抬起來減少乘員的下潛。人體的運動學響應和損傷分析證明該保護策略具有可行性。

座墊翻轉抬起策略大幅度降低了大傾角坐姿乘員胸腹部的損傷風險，尤其是座椅安全帶約束下的乘員的損傷風險。但座墊翻轉抬起策略并未顯著減少頸部韌帶的損傷，甚至 150^° 坐姿下的棘突間韌帶、 120^° 與 150^° 坐姿下的前縱向韌帶等的應變增大，這可能是由于座墊翻轉導致安全帶滑動到乘員頸部，對頸部造成傷害。座墊翻轉抬起策略有效減少了 120^° 乘員的頭部損傷指標、頭部旋轉損傷指標，將座椅安全帶約束下 120^° 的乘員的損傷概率從 80% 降至 43% 。頭部旋轉損傷指標與頭部質心的旋轉密切相關，B柱安全帶約束下， 150^° 坐姿的乘員由于安全帶接觸到了乘員面部，加大了該乘員頭部損傷。

4結論

1）在大傾角坐姿、B柱安全帶約束下的乘員損傷整體小于座椅安全帶；乘員在正面碰撞中發生下潛，且下潛趨勢隨傾斜角度的增大而增大，但乘員的下潛趨勢小于座椅安全帶約束乘員。

2）傾角 150^° 時，隨著座椅靠背傾角的增大，乘員的整體損傷增大。對于座椅安全帶約束的損傷概率，傾角 150^° 比傾角 100^° 增大 53.5% 。座椅安全帶約束下， 150^° 傾角的乘員頸部韌帶有5處損傷， 120^° 傾角有4處損傷， 100^° 傾角有2處損傷。

3）對比防護策略下乘員的運動學響應與人體損傷指標發現，防護策略能有效減小身體在大傾角坐姿下損傷風險；相同角度下，B柱安全帶約束的乘員損傷風險低于座椅安全帶約束的乘員損傷風險。

隨著自動駕駛技術的普及，乘員可能采取多種坐姿，這要求安全設備具有高度的適應性和有效性。未來研究可繼續探索更多非標準坐姿下的乘員安全防護措施，以及如何通過控制最大限度減小乘員在碰撞中的傷害，為自動駕駛車輛的安全設計提供更全面的理論支持和實踐指導。

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（編輯張洋）

作者簡介：武和全*，男，1982年生，博士，副教授。研究方向為汽車碰撞安全。發表論文50余篇。E-mail：csust_vehicle hot-mail.com。

本文引用格式：

武和全，龔創業，李羿輝，等.大傾角坐姿乘員在汽車正面碰撞中的損傷[J].中國機械工程，2025，36（7）：1497-1504.WUHequan，GONGChuangye，LI Yihui，et al.Injuries ofOccupantsina High-dimation Seated Duringa Frontal Vehicle Colli-sions[J].China Mechanical Engineering，2025，36（7）：1497-1504.