后排乘員安全帶約束系統研究*

周惠來 武和全,2 王海濤

（1.長沙理工大學，工程車輛安全性設計與可靠性技術湖南省重點實驗室，長沙 410114；2.韋恩州立大學，生物工程中心，底特律MI48201，美國）

主題詞：正面碰撞 安全帶約束 后排乘員 加載曲線 CHARM-70

1 前言

相比于前排乘員，后排乘員的年齡段和身體尺寸分布更廣泛，故對后排乘員的碰撞保護難度更大[1]。商恩義[2]對正面碰撞試驗中后排女性假人頸部傷害進行了研究，結果表明，后排第5 百分位女性假人頸部傷害偏高。在正面碰撞中，安全帶是后排成年乘員最常見的損傷來源之一，后排座椅安全帶造成的胸部和腹部損傷更常見[3]。Shau[4]的研究表明，在正面碰撞中，腹部受傷通常由安全帶引起。J-Y[5]在研究中提到，在限制乘員的嚴重正面撞擊的情況下，年齡大的乘員常因安全帶而遭受嚴重的胸部損傷。Carter[6]的研究顯示，隨著年齡增長，胸部損傷的耐受性下降，會使得老年乘員更容易受傷。后排乘員所包含的年齡段和體型范圍很廣，研究單一年齡段或單一體型的后排乘員不符合實際情況。不同體型、不同年齡段的乘員全部運用同一套約束系統恐無法對所有乘員起到較好的保護作用。

加載限制器[7]的基本原理是在對安全帶施加很大的力時釋放更多多余的安全帶織帶，然后允許安全帶以受控方式被拉出。Kent[8]在研究中提到，加載限制器的使用能減少胸部負荷，預計將對老年乘員有更好的保護效果。Benjamin[9]發現胸部損傷在老年乘員中更常見，而腹部損傷在年輕乘員中更常見，均與安全帶有關。周青等人[10]研究了一種使用磁流變液（Magnetorheological Fluid，MRF）來實現連續和實時可調的加載限制器，目的是實現在不同的碰撞嚴重程度下對不同乘員的自適應保護，對身材矮小的女性和老年人有潛在利處。

此前的研究表明，卷收器與預緊器的應用降低了乘員在碰撞中所遭受的傷害，但大多僅應用在前排座椅上，在后排座椅上應用的較少，并且加載形式單一，沒有考慮后排乘員不同的體型、性別及年齡差異。通過對不同體型、不同年齡的后排乘員施加不同的安全帶加載曲線可能會在碰撞中起到不同的效果。本文基于碰撞法規，建立后排座椅約束系統，在汽車100%正面碰撞工況下仿真分析不同卷收器加載限制曲線對不同體型后排乘員的保護效果，并分析后排乘員的碰撞損傷機理，對乘員碰撞損傷進行預測。

2 正面碰撞后排乘員約束系統模型的建立

本文基于LS-DYNA 軟件，建立某中型車后排座椅系統簡化模型，如圖1所示。該模型包括1個前排座椅、1 個后排座椅以及地板等，地板設置為剛性，乘員通過三點式安全帶約束在座椅上。

圖1 后排乘員約束系統模型

2.1 模型的約束條件

為了驗證所建立后排乘員約束系統模型的有效性，根據《C-NCAP 管理規則（2018年版）》100%正面碰撞試驗中關于假人放置的規定，本文在建立的后排座椅上放置第5百分位Hybrid Ⅲ假人，并施加重力場。假人在重力作用下對后排座椅座墊存在預壓，對座椅模型網格進行預變形，參照蔣成約等人的試驗[11]，向臺車模型的地板施加X方向的加速度，加速度曲線如圖2所示。

圖2 正面碰撞50 km/h的加速度曲線

使用安全帶擬合（Seatbelt Fitting）為假人模型添加三點式安全帶。安全帶由卷收器、2個滑環以及織帶組成。安全帶織帶用1D單元和2D單元建模，肩帶和腰帶通過2D殼單元模擬可以很好地模擬安全帶織物與假人的接觸作用，且可體現出織帶的幾何參數；其余部分通過1D單元連接，以便能很好地模擬安全帶在滑環點處的滑動。本文所使用的安全帶卷收器的初始加載曲線如圖3所示。最后為假人與后排座椅、前排座椅以及安全帶分別設置接觸。

圖3 安全帶加載限力曲線

2.2 模型驗證

將設置好的后排乘員約束系統模型提交LS-DYNA進行求解，然后將正面碰撞所得出的仿真動畫與試驗碰撞錄像對比[11]來驗證模型的有效性，如圖4所示。

圖4 仿真和試驗不同時刻假人的姿態對比

由圖4可知：在第0～40 ms，在慣性的作用下乘員與座椅發生了相對位移，但是四肢及頭部還保持原有姿態；在第40～80 ms，安全帶對后排乘員進行了約束，此時后排乘員的雙腿和雙手與前排座椅發生了接觸，頭部也在慣性作用下出現明顯前傾；在第80～120 ms，后排乘員繼續前傾，在前傾過程中，后排乘員的頭部與前排座椅頭枕發生了碰撞，通過同時刻的姿態對比可知，仿真動畫與試驗假人錄像的運動學響應基本一致，本文所建立模型有效。

仿真與試驗中假人頭部合成加速度和骨盆合成加速度分別如圖5、圖6所示?？梢钥闯?，仿真與實際碰撞試驗的頭部合成加速度曲線在峰值時域和曲線走勢上基本一致，總體曲線的擬合度較好，假人的胸部壓縮量峰值及趨勢也基本一致，如圖7所示，因此可以認定該后排乘員約束系統模型有效，后續仿真可基于該模型進行。

圖5 試驗和仿真的頭部合成加速度對比

圖6 試驗和仿真的骨盆合成加速度對比

圖7 試驗和仿真的胸部壓縮量對比

3 正面碰撞仿真

3.1 不同類型后排乘員模型的建立

本文使用3 種有代表性的有限元人體模型，即第5百分位女性人體模型（THUMS AF05）、第50百分位男性人體模型（THUMS AM50）和70 歲老年人有限元模型（CHARM-70）。

CHARM-70是美國韋恩州立大學生物工程中心建立的老年人體生物力學有限元模型，如圖8 所示，老年人體模型的頭部、頸部、胸部、腰椎、腹部、骨盆和股骨等主要部位的建立是通過死亡后人體標本（Post Mortem Human Surrogates，PMHS）試驗得到的，并進行了整車正面碰撞和臺車側面碰撞仿真，與PMHS試驗結果進行對比，老年人體整體模型反映出了較好的生物逼真度[12-13]。

圖8 老年人體模型

在后排乘員約束系統模型的基礎上，將后排乘員模型分別替換成THUMS AF05、THUMS AM50 以及CHARM-70，同時建立新的安全帶織帶對人體模型進行約束，所有約束條件均不變，得到3組模型，如圖9所示，后續仿真均基于這3組模型進行。

圖9 后排乘員模型

3.2 安全帶加載曲線

碰撞發生后，安全帶卷收器中的加載限制器（Load Limiter）介入，通過釋放織帶允許乘員進一步運動以吸收能量，減少乘員遭受的負載。胡敬文[14]介紹了幾種不同的加載曲線，如圖10 所示，包括恒定加載限制（Constant Load Limiter，Con-LL）曲線、漸進加載限制（Progressive Load Limiter，Pro-LL）曲線、遞減加載限制（Digressive Load Limiter，Dig-LL）曲線。

圖10 不同安全帶加載限制曲線概念圖

不同加載曲線可適應不同類型的乘員或不同的碰撞條件。例如，當安全帶織帶被拉出時，Pro-LL會逐漸增加卷收器的加載，體型較小的乘員將承受較低的加載，因為從卷收器中拉出的織帶不多，而體型較大的乘員將拉出更多的織帶，從而導致更高的加載[14]。

在已經驗證的后排乘員約束系統模型基礎上，通過調整安全帶卷收器的加載曲線，在原有試驗加載曲線（見圖3）基礎上，改變其峰值時刻、峰值大小，曲線最高限力不超過6 kN，得到3條不同的加載曲線Pro-LL、Con-LL和Dig-LL，如圖11所示。通過關鍵字命令將4種加載曲線依次替換，探究不同加載曲線對不同人群的保護效果。

圖11 4種安全帶加載限制曲線

3.3 正面碰撞仿真

通過提交LS-DYNA 進行顯式動力學仿真，得出3組有限元人體模型在各自換用4 種不同類型安全帶加載曲線的12 組試驗數據，記錄頭部質心（Center of Gravity，CG）處的節點響應數據，利用頭部質心處加速度曲線并經滿足國際自動機工程師學會（SAE International）標準的濾波器濾波，后測量15 ms 頭部傷害指標HIC15來描述頭部損傷。

頸部損傷通過在后處理中查看最大應變云圖來統計。老年人體模型（CHARM-70）建模方式與THUMS（Total Human Model for Safety）模型不同，在THUMS 模型中，韌帶使用殼單元模擬，而老年人模型建模過程中則采用1D 單元模擬，所以沒有加入老年人的頸部韌帶應變統計。統計了頸部4 類韌帶的最大應變值，如圖12所示：前縱韌帶（Anterior Longitudinal Ligament，ALL）應變閾值為0.35；后縱韌帶（Posterior Longitudinal Ligament，PLL）應變閾值為0.34；囊韌帶（Capsular Ligament，CL）應變閾值為1.48；黃韌帶（Ligament Flavum，LF）應變閾值為0.88[15]。

圖12 頸部韌帶示意

對于胸部的損傷，根據Kitagawa等[16]的研究，測量6組測量點在整個試驗過程中前-后的胸骨壓縮量，如圖13 所示，分別是左上（L2～L5）、左下（L8～L11）、上側（胸骨上部至T5）、下側（胸骨下部至T9）、右上（R2～R5）和右下（R8～R11），同時觀測骨折數量、骨折位置，按照人體模型的不同對仿真結果進行分析。

圖13 胸部壓縮量測量點分布

3.3.1 CHARM-70仿真組

對正面碰撞工況下后排老年乘員的損傷預測統計如表1 所示。老年乘員在4 組試驗中未出現HIC15超出閾值（700）的損傷；肋骨均出現了多處骨折，骨折處多分布在左上側肋骨及胸骨下端，在安全帶路徑上；胸腔部下側壓縮量較大。

表1 正面碰撞工況下后排老年乘員損傷預測

與試驗加載曲線相比，Pro-LL 類型曲線增加了肋骨骨折數量，Con-LL類型曲線導致乘員HIC15損傷臨近閾值，而Dig-LL 類型曲線在沒有大幅度增大胸腔壓縮量和HIC15的情況下，減少了肋骨骨折數量。

通過綜合比較，對于后排的老年乘員的保護，Dig-LL類型的曲線效果優于其他3種類型的加載曲線。

3.3.2 THUMS AM50仿真組

后排中等體型的男性乘員損傷預測結果如表2 所示，本組仿真中增加了乘員頸部韌帶最大應變的統計。統計顯示，所有組中乘員的前縱韌帶、后縱韌帶及囊韌帶均出現了超出閾值的情況，施加Con-LL和Dig-LL類型曲線后，乘員出現了HIC15超出閾值的情況，乘員的胸腔壓縮量比老年乘員的壓縮量小，但是乘員的胸骨上尖端處及底部出現了嚴重損傷，不同試驗中乘員肋骨骨折情況有所變化。

表2 正面碰撞THUMS AM50后排乘員損傷預測

相較于試驗加載曲線，采用Pro-LL 類型曲線時乘員頸部韌帶損傷情況及胸腔壓縮量的變化不明顯，但增加了肋骨骨折數量，Con-LL及Dig-LL類型曲線雖然使得肋骨骨折情況好轉，但導致乘員HIC15超出了閾值，尤其是Con-LL類型曲線帶來了很嚴重的頭部損傷。

綜合對比，使用原始加載曲線對乘員的保護效果優于Pro-LL類型曲線，而Con-LL和Dig-LL類型曲線不適宜用于該工況。

3.3.3 THUMS AF05仿真組

后排小體型的女性乘員的損傷預測結果如表3 所示。結果顯示，該組別中乘員未出現HIC15超出閾值的情況，且所有組中乘員的前縱韌帶、后縱韌帶及囊韌帶也均出現了超出閾值的情況，乘員右下側胸腔壓縮量較大，但未出現胸部骨折的情況。

表3 正面碰撞THUMS AF05后排乘員損傷預測

相較于試驗曲線仿真組，Pro-LL 類型曲線的施加，使得肋骨骨折數量減少了，且同時HIC15及胸部壓縮量的損傷變動范圍很小，而Con-LL和Dig-LL類型曲線使得肋骨骨折數量增加了。綜合對比，使用Pro-LL 類型加載曲線對乘員的保護效果優于其余3組類型曲線。

4 討論

通過仿真發現，對于50 km/h 的正面100%碰撞，后排乘員頭頸部損傷來自2個方面：慣性作用下頭部大幅度的前傾；頭部與前排座椅的碰撞，這也是導致頭部傷害急劇增加的原因。同時，頭部的運動缺少約束和頸部的過度拉伸導致頸部韌帶的損傷風險較大。胸部損傷主要來自安全帶與乘員的相互作用，胸部的胸骨和肋骨往往承受較高的負載，當負載超出肋骨所承受的應變時便會斷裂，從而造成骨折現象。

使用試驗加載曲線，3類體型乘員的HIC15均未超過損傷閾值，與同組其他加載曲線作用效果橫向對比，乘員HIC15均為同組最低。肋骨骨折情況為：70 歲老年乘員8處、第50百分位男性乘員7處、第5百分位女性乘員6 處；頸部損傷統計中，第50 百分位男性乘員及第5 百分位女性乘員均出現了頸部前縱韌帶、后縱韌帶、囊韌帶損傷超出閾值的情況。

施加Pro-LL加載曲線，相較于試驗曲線，后排乘員中的老年乘員及男性乘員肋骨骨折增加了1處，同時胸部壓縮量增加，而女性乘員的HIC15與試驗曲線組持平，胸部壓縮量基本一致，肋骨骨折數減少了1處。

施加Con-LL加載曲線，相比較試驗曲線，男性乘員HIC15損傷值達到了閾值的2 倍，老年乘員的HIC15損傷值也瀕臨閾值，女性乘員的肋骨增加了2 處骨折，Con-LL曲線不適合在該工況下對3類乘員進行保護。

施加Dig-LL加載曲線，相較于試驗曲線，男性乘員HIC15超出了閾值，女性乘員增加了2 處肋骨骨折，老年乘員骨折數量減少了1處，同時，HIC15沒有超出閾值，胸部壓縮量基本一致。

5 結束語

本文建立并驗證了一套后排約束系統模型，通過仿真動畫對比驗證了其有效性。換用不同類型的人體模型，引入不同類型的安全帶加載曲線進行仿真，對仿真中乘員運動學響應和乘員損傷進行了分析。

在50 km/h 的正面碰撞工況中，單一類型的加載曲線并不能適應不同類型的后排乘員，仿真結果表明：Dig-LL 類型的加載曲線適用于后排老年乘員；對于后排中等體型的男性乘員，使用試驗加載曲線保護效果優于Pro-LL類型曲線，而Con-LL及Dig-LL類型曲線不適用于該工況；Pro-LL 類型加載曲線對后排小體型女性乘員的保護效果更優。

本文仿真中乘員乘坐環境和約束系統進行了簡化處理，無法完全代表正面碰撞中的乘員碰撞響應，乘員的損傷預測存在一定偏差，后續可以通過臺車試驗進一步研究，并針對后排乘員在不同碰撞工況下開展更多的乘員保護自適應約束系統研究。未來約束系統的研發應該加強對后排乘員胸部及頸部韌帶的保護，針對不同類型的人群，需要配置相應的加載曲線或者更為先進的約束系統以減少乘員碰撞損傷。