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摘要

随着汽车自动化技术发展， 零重力座椅配置逐渐普及且颠覆了传统的乘员单一坐姿， 对车辆乘员保护性能造成挑战． 为评估零重力座椅配置对乘员保护性能的影响， 本文对传统坐姿和零重力坐姿的乘员保护性能进行对比研究． 然而， 目前测试用假人均不能满足零重力座椅的多坐姿要求． 基于能实现多坐姿要求的THUMS AM50人体模型， 对比分析了传统坐姿和零重力坐姿下THUMS AM50的运动趋势以及损伤特征， 同时研究了零重力座椅关键设计参数靠背角和坐垫倾角变化对THUMS AM50运动趋势的影响． 结果表明传统坐姿乘员运动幅度较大， 头部与胸部损伤较大； 零重力坐姿乘员运动幅度较小， 颈部与腰椎损伤较大； 零重力座椅靠背角度增大会导致乘员发生下潜， 坐垫倾角增加会减缓乘员下潜的发生．

关键词：零重力座椅； THUMS AM50人体模型； 乘员坐姿； 靠背角； 坐垫倾角

作者：郑艳婷，卜晓兵，郭庆祥

汽车自动驾驶技术的发展和零重力座椅的普及使车内乘员由传统单一的驾驶或乘坐姿势转变为零重力座椅状态下的多种舒适坐姿成为可能， 但是改变坐姿会使本来针对传统坐姿设计的约束系统配置的保护性能下降甚至失效， 这对车辆碰撞安全保护性能提出了更大挑战．

当前约束系统配置主要由固定点分别固定在B柱、地板以及座椅上的三点式安全带以及安装在方向盘中央的驾驶员气囊和仪表板内的副驾驶气囊组成． 在零重力座椅坐姿下， 座椅靠背倾斜会使假人躯干向后移动， 脱离与肩带的接触， 同时增加了头部和气囊之间的初始距离， 潜在地影响了头部和气囊之间相互作用的时间和保护效果． 另外零重力座椅坐姿时， 靠背倾斜、腿托抬高可能会使碰撞过程中乘员的腰椎和骨盆会更容易向前运动， 造成下潜现象， 同时导致腰椎力和腹部压力过大[1]， 所以非常有必要对零重力坐姿对乘员保护性能的影响进行评估．

另外， 当前的碰撞测试假人是基于传统坐姿设计的， 不论是物理测试假人还是仿真测试假人均不能实现零重力大角度座椅的多种坐姿要求，所以针对零重力座椅坐姿下的车辆约束系统保护性能的研究目前只能通过虚拟仿真的方式利用现有HBM人体模型来展开研究， 本研究选用的是行业内应用广泛的THUMS AM50人体模型对传统坐姿和零重力坐姿以及零重力座椅靠背角、坐垫倾角的变化等变化因素来进行损伤对比， 然而它也是基于传统坐姿来进行开发的， 在零重力座椅坐姿下的损伤表现的真实性还有待通过仿真或者尸体试验进一步评估．当前针对大角度靠背倾斜坐姿下传统约束系统的保护性能的评估以及碰撞乘员损伤特性的分析，国内外学者也进行了很多研究．2018 年，FORMAN等[1]分析并对比了GHBMC和Thor50百分位男性假人在靠背倾斜姿态下的运动姿态的特征． 2019 年，GEPNER等[2]分析对比了GHBMC和THUMS假人在靠背倾斜姿态下的差异， 发现由于GHBMC和THUMS 的骨盆腰椎结构的不同， 导致两种假人在靠背倾斜的状态下， 安全带带力、骨盆及腰椎运动姿态及受力特性等方面均存在差异．TRAN等[3]基于MADYMO主动人体模型对车辆紧急制动离位、座椅靠背倾斜状态下假人的碰撞损伤进行研究， 主要研究离位状态下座椅不同靠背角度、Ｄ环安装位置（Ｄ环集成到Ｂ柱及Ｄ环集成到座椅两种情况）、MADYMO主主动人体模型肌肉松紧程度等多个因素对假人碰撞损伤的影响． 2020年， RICHARDSON等[5]基于尸体滑台试验对倾斜座椅状态下尸体骨盆的运动和损伤进行了分析， 发现座椅靠背倾斜状态下由于腹部安全带和骨盆之间的受力方式改变以及不同骨盆形状和质量， 会造成骨盆的损伤和下潜现象．

综合以上， 目前的国内外研究主要集中于仅限大角度座椅靠背倾斜状态的前提下对假人运动姿态以及损伤特性进行研究， 针对座椅靠背角度、坐垫倾角同时变化的这种零重力座椅坐姿对假人运动和损伤的影响目前尚未研究． 因此本研究基于能够实现多种坐姿要求的THUMS AM50人体模型以100％正面碰撞工况的仿真模型， 研究评估正面碰撞过程中座椅靠背角度、坐垫倾角同时变化的零重力坐姿下约束系统的保护性能以THUMS AM50的损伤特性， 并研究靠背以及坐垫倾角单独变化对THUMS 运动姿态的影响．

模型建立与验证

为了分析零重力坐姿对乘员损伤的影响， 以某SUV 车型驾驶员位置为研究对象， 建立包含驾驶员座椅、方向盘、仪表板、安全带、安全气囊等在内的100％正面碰撞工况约束系统仿真模型， 并依据滑台试验工况， 放置H350男性假人有限元模型， 并施加100％正面碰撞工况的试验波形， 如图１所示．

依据滑台试验结果对模型进行对标验证． 图２所示为100％正面碰撞工况下驾驶员分别在滑台试验与仿真工况中的重点损伤指标曲线对标情况， 可以看出试验和仿真中安全带肩带力和腰带力、假人头部加速度曲线、胸部压缩量曲线拟合较好， 因此认为该约束系统仿真模型有效， 可以用于后续研究．

零重力座椅乘坐姿态下的

假人定位研究

零重力座椅定义

零重力源自美国航空航天局NASA（

National Aeronautics and Space Administration

，NASA）针对宇航员在太空失重环境下呈现的自然漂浮的中性身体姿（neutral body posture， NBP）的研究． 宇航员在太空状态下会呈现出“双臂抬起、肩膀外展、膝盖弯曲、髋关节明显弯曲、足底弯曲” 的姿态， 人的肌肉骨骼受力最小， 是最舒适的状态．2005 年， 日产汽车将零重力的概念引入汽车座椅设计[5]．

零重力座椅人机布置参数

然而， 针对汽车零重力座椅的乘员驾乘姿态的定义目前行业内尚无统一的标准． 本研究依据当前研究推荐的零重力座椅人机布置参数[6]如表１所示， 为依据调节座椅靠背角、坐垫角、小腿角， 摆放THUMS AM50人体模型， 从而实现零重力姿态下乘员损伤的影响研究．

零重力姿态下THUMS AM50的碰撞损伤分析研究

零重力座椅设计位置THUMS AM50的损伤分析

为了对比分析在传统坐姿和零重力坐姿下乘员损伤的不同， 本研究以对标的正面碰撞工况约束系统仿真模型为基础， 将H350假人替换为THUMS AM50人体模型， 对比传统坐姿和零重力坐姿时THUMS AM50正面碰撞损伤特点的不同． 表２展示了常规与零重力座椅关键布置参数的不同．

从乘员运动姿态角度分析， 如图３所示， 相对于传统坐姿， 零重力初始坐姿下乘员上半身处于半倾斜状态， 碰撞前期（0~60ms）， 零重力坐姿时，由于乘员处于半倾斜状态， 安全带作用于乘员胸部和腹部的分力不大， 不能像传统坐姿下的安全带对乘员起到良好的束缚和固定作用， 所以在碰撞前期零重力坐姿乘员上半身运动惯性及幅度相对于传统坐姿较大； 碰撞后期（90~120ms）， 由于零重力坐姿坐垫倾角较大， 坐垫与腰椎之间产生垂直方向上的载荷相互作用力更大， 造成坐垫与乘员之间产生在水平方向上的摩擦阻力更大， 再加上腹部安全带力， 共同在水平方向作用到乘员腹部及骨盆， 阻碍其向前运动， 最终导致零重力坐姿下乘员向前的最终运动幅度没有传统坐姿下乘员的运动幅度大．

从乘员损伤角度分析， 如图４所示， 与传统碰撞测试假人通过加速度、压缩量、弯矩、力等各项指标评价乘员损伤的方式不同，THUMS 生物力学假人通过分析各人体部位的应力、应变值来判断乘员损伤风险．

对于THUMS 人体模型的头部损伤， 主要由颅内压和颅骨应力值来进行评价， 由于本研究仅探究零重力坐姿对乘员保护性能的影响， 并未考虑设置及探究方向盘、气囊的影响因素， 所以头部载荷主要受颈部拉伸载荷的作用， 颅骨损伤较小， 因此头部损伤只考虑颅内压力． WARD 等[7]指出， 颅内压强＜173 kPa会产生轻微损伤， 处于173~235 kPa 之间会导致中度损伤， 超过235 kPa 会导致严重的颅脑损伤． 如图4（a)所示， 本研究传统坐姿下乘员最大颅内压力是1318 kPa， 零重力坐姿下乘员的最大颅内压力是963.7 kPa， 均远超于235 kPa， 颅内损伤风险极大， 且传统坐姿乘员的颅内压力大于零重力坐姿乘员， 主要是因为传统坐姿乘员头部运动幅度大于零重力坐姿乘员．

对于THUMS 人体模型的颈部损伤， 杜登云等[8]指出颈部皮质骨应力超过236 MPa 有骨折风险．如图４（ｂ）所示， 本研究传统坐姿下乘员颈部皮质骨应力为107.1MPa， 零重力坐姿下乘员皮质骨应力为148 MPa， 均未超过损伤阈值． 但是零重力坐姿乘员的颈部损伤大于传统坐姿， 一方面是因为碰撞后期， 零重力坐姿下由于坐垫倾斜导致腹部和骨盆向前运动受阻， 从而导致胸椎向前运动受阻而头部有继续向前运动的惯性力， 颈部受到头部与胸椎之间的相对作用力变大， 另一方面， 如图５ 所示零重力坐姿乘员处于半倾斜姿态会导致碰撞后期安全带作用于颈部下缘， 极易勒紧颈部造成损伤风险．

对于THUMS 人体模型的胸部损伤， 胸部损伤风险主要是依据肋骨塑形应变来评价， 且当肋骨塑形应变＞ ３％ 时， 肋骨就有骨折风险[9] ． 如图４（ｃ）所示， 本研究传统坐姿和零重力座椅坐姿下的胸部最大肋骨塑性变形分别是93％ 和21.8％， 均远大于损伤阈值， 且传统坐姿的胸部肋骨塑性变形比零重力坐姿更严重． 这是因为传统坐姿下乘员运动幅度大， 且肩带与乘员胸部吻合性更高导致胸部肋骨受到肩带的作用力更大； 而零重力坐姿下由于坐垫倾斜对腹部和骨盆造成了阻力导致胸椎运动受阻， 同时如图５所示， 由于零重力坐姿乘员处于半倾姿态安全带更多作用于颈部下缘， 对胸椎肋骨的载荷并不如正常姿态大．

对于THUMS 人体模型的腰椎损伤， 如图４（ｄ）所示， 零重力坐姿的乘员腰椎应力值大于传统坐姿， 这是因为传统坐姿下乘员腰椎的载荷主要来源于上半身运动幅度较大而产生的弯曲载荷； 而零重力坐姿由于坐垫倾斜角度较大， 除了受到上半身运动导致的弯曲载荷外， 倾斜的坐垫结构还会在垂直方向对乘员腰椎产生垂直载荷， 从而导致零重力坐姿乘员腰椎的应力值大于传统坐姿．

零重力座椅设计参数对THUMS的运动姿态的影响分析

为提高乘员的座椅舒适度和多样化选择， 当前的大多数零重力座椅支持乘员自行调节座椅靠背角度和坐垫倾角， 本研究初步探究了零重力座椅关键设计参数靠背角、坐垫倾角变化对THUMS 运动姿态带来的影响． 靠背角α１ 的推荐值为40°~70°，坐垫角α２的推荐值为16°~30°， 如表3 所示． 本研究选取两组仿真进行对比： 第一组坐垫倾角固定为24°， 选取40°、55°、70°三种靠背角来进行对比（第01、03、05工况）， 第二组靠背角度固定为55°， 选取16°、24°、30°三种坐垫倾角来进行对比（第02、03、05工况）．

如图6所示， 为40°、55°、70°靠背角下THUMS 人体模型的运动姿态对比．

可以发现， 随着靠背角度增加， 导致乘员半倾斜姿态程度增加， 从而导致安全带与胸部的间隙过大、胸部束缚力变小， 直接作用于腹部的阻力分力也变小． 靠背角增大会导致乘员半倾姿态程度增加以及安全带束缚力的减小， 以至于大角度的座椅靠背和安全带无法共同作用起到很好地固定乘员姿态的作用， 极易发生下潜现象．

如图７ 所示， 为同一座椅靠背角度、与水平方向呈16°、24°、30°坐垫倾角下THUMS 50人体模型的运动姿态对比． 可以发现， 坐垫倾角的增大会在水平方向给予乘员骨盆阻力， 减缓乘员下潜程度．

结论

本研究基于能够实现多种坐姿要求的THUMS 50人体模型以100％ 正面碰撞工况的仿真模型， 研究对比了传统坐姿和零重力坐姿下THUMS 50的运动趋势以及损伤特征的不同， 同时研究了零重力座椅关键设计参数座椅靠背角和坐垫倾角的变化对THUMS 的运动趋势的影响， 并得出以下结论：

①在乘员运动趋势方面， 相对于传统坐姿， 零重力坐姿正面碰撞过程中THUMS 50人体模型整体运动幅度偏小， 主要是因为零重力坐姿的坐垫倾角较大， 坐垫在水平方向上对乘员向前运动的阻力更大．

②在乘员损伤特征方面， 相对于传统坐姿， 零重力坐姿的头部损伤较小， 主要是因为传统坐姿乘员头部运动幅度大于零重力坐姿乘员； 零重力坐姿乘员的颈部损伤大于传统坐姿， 一方面是因为零重力坐姿坐垫倾斜导致乘员上半身向前运动受阻而头部继续向前运动的惯性力， 因此颈部受到头部与胸椎之间的相对作用力变大， 另一方面零重力坐姿乘员处于半倾斜姿态会导致碰撞后安全带作用于颈部下缘， 极易勒紧颈部造成损伤风险； 传统坐姿的胸部肋骨塑性变形比零重力坐姿更严重， 是因为传统坐姿下肩带与乘员胸部吻合性更高， 且整体运动幅度较大， 而零重力坐姿乘员整体运动幅度较小， 且处于半倾姿态安全带更多作用于颈部下缘， 对胸椎肋骨的载荷并不如正常姿态大； 零重力坐姿乘员腰椎应力值大于传统坐姿， 是因为传统坐姿下乘员腰椎的载荷主要来源于上半身向前运动而产生的弯曲载荷； 零重力坐姿除了受到上半身向前运动导致的弯曲载荷外， 倾斜的坐垫还会在垂直方向对乘员腰椎产生垂直载荷， 从而导致零重力坐姿乘员腰椎的应力值大于传统坐姿．

③座椅靠背角度增大会导致乘员半倾姿态程度增加以及安全带对乘员束缚力的减小， 以至于座椅靠背角度越大， 越是无法和安全带共同作用起到很好地固定乘员姿态的目的， 越是容易发生下潜现象； 而同一座椅靠背角度， 坐垫倾角增大会使给予乘员水平方向上的骨盆阻力变大， 从而减缓乘员下潜程度．

通过以上分析， 对传统坐姿和零重力座椅坐姿下乘员的运动与损伤特征以及零重力座椅靠背角度、坐垫倾角对乘员运动姿态的影响有了深入的了解， 为零重力座椅配置对乘员保护性能的影响分析提供了数据参考， 为针对零重力坐姿的乘员保护性能开发提供了技术支持．

【参考文献】

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[3] TRAN D, HOLTZ J, MULLER G, et al. A study of the effect of reclined seatback on the occupant kinematics in an autonomous emergency braking using a MADYMO active human body model [ C] / / Proceedings of the VDI⁃Tagung Fahrzeugsicherheit, 2019. Berlin GER:[s. n. ], 2019: 17⁃27.

[4] RICHARDSON R, JA YATHIRTHA M, DONLON J P, et al. Pelvis kinematics and injuries of reclined occupants in frontal impacts [C] / / Proceedings of the 2020 International IRCOBT Conference on the Biomechanics of Injury. Beijing, China: IRCOBT, 2020: 499⁃515.

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[8] 　杜登云. 人体颈椎建模及车辆后碰撞颈部损伤研究 [D]. 吉林： 吉林大学， 2014.