車輛偏置碰撞中乘員頭部慣性傷降低研究

盧靜 鄭顥 歐陽(yáng)俊 王玉超 劉玉云

摘 要：車輛碰撞事故中乘員頭部大且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的轉(zhuǎn)動(dòng)加速度會(huì)造成彌散性腦損傷，NHTSA2018版征求意見(jiàn)稿中提出用BRIC考察這種損傷。統(tǒng)計(jì)了美國(guó)市場(chǎng)部分車型中BRIC值，評(píng)價(jià)最差的工況是90km/h OMDB工況，獲得優(yōu)秀評(píng)價(jià)的比例為33.33%。通過(guò)對(duì)BRIC值評(píng)價(jià)優(yōu)秀車型的分析，認(rèn)為駕駛員頭部在側(cè)氣囊和DAB之間穩(wěn)定滑過(guò)是一種較好的保護(hù)模式。為驗(yàn)證分析結(jié)論，首先建立了OMDB工況下的駕駛員側(cè)模型；研究了DAB、側(cè)氣簾、轉(zhuǎn)向管柱對(duì)BRIC值的影響；仿真結(jié)果表明：a）側(cè)氣簾厚度過(guò)大過(guò)小都不利于BRIC值的降低；b）DAB直徑增大有利于增加保護(hù)在區(qū)域；c）DAB剛度過(guò)大過(guò)小都不利于BRIC值的降低；d）DAB拉帶變長(zhǎng)有利于BRIC值的降低；e）轉(zhuǎn)向管柱的潰縮，不利于BRIC值的降低；通過(guò)上述方案優(yōu)化，BRIC值可從0.89降低至0.69，降低幅度可達(dá)20%。然后基于仿真優(yōu)化方案進(jìn)行了滑臺(tái)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，BRIC值為0.64，與預(yù)測(cè)值0.69較為接近，預(yù)測(cè)精度為92.8%。最后基于滑臺(tái)驗(yàn)證了乘員頭部與側(cè)面氣簾接觸區(qū)域平整度對(duì)BRIC值的影響，側(cè)面氣簾變薄后BRIC值從0.64增加為0.84，影響顯著。

關(guān)鍵詞：US-NCAP；OMDB工況；頭部轉(zhuǎn)動(dòng)慣性傷；BRIC值

中圖分類號(hào)：U461.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2019）01-0053-09

Abstract： Larger and longer rotational acceleration may lead to diffuse brain injury in vehicle collisions. BRIC was used to examine the injury in the NHTSA2018 draft. According to the statistics of BRIC in some American market cars， The worst condition was OMDB， The percentage of excellent evaluations was 33.33%. By analyzing the excellent vehicle， it is considered that the stable sliding of the drivers head between side airbags and DAB is a better protection mode. In order to verify the analysis conclusion， a drivers side model of OMDB was established， and the influence of DAB， CAB and steering column on BRIC was studied. The simulation results show ： a）a larger or smaller thickness of SAB is not conductive to the reduction of BRIC； b）Increase the diameter of DAB is beneficial to increase the protection region； c）a larger or smaller stiffness of DAB is not conductive to the reduction of BRIC； d） a longer straps of DAB is conductive to the reduction of BRIC； e） the collapse of the steering column is not conductive to the reduction of BRIC. Through the above optimization scheme， the BRIC can be reduced from 0.89 to 0.69， and the reduction rate can reach 20%. Then， the above optimization scheme was tested， the results show：the BRIC value is 0.64， which is close to the predicted value of 0.69， and the prediction accuracy is 92.8%. Finally， based on the sled test， the effect of the smoothness of the contact area between the head and the side air curtain was verified. BRIC value increased from 0.64 to 0.84 after side air curtain thinning.

Key Words： US-NCAP； OMDB； rotation inertia injury of head； BRIC

2017年，中國(guó)汽車銷量達(dá)到2900萬(wàn)量，銷量全球第一；隨著中國(guó)汽車工業(yè)的發(fā)展壯大，自主汽車企業(yè)不斷有進(jìn)軍美國(guó)市場(chǎng)的計(jì)劃；美國(guó)市場(chǎng)是全球汽車碰撞安全考察最為嚴(yán)格的市場(chǎng)，給自主汽車企業(yè)帶來(lái)不小挑戰(zhàn)。2015年美國(guó)發(fā)布了新車評(píng)價(jià)規(guī)程2018版（US-NCAP2018）征求意見(jiàn)稿[1]，將用全新的評(píng)價(jià)體系，其中首次提出考察由轉(zhuǎn)動(dòng)加速度會(huì)造成的彌散性腦損傷，并提出新的考核指標(biāo)BRIC（Brain Injury Criterion）[2]。

數(shù)據(jù)表明[3]，頭部損傷造成的死亡在交通事故中所有致死原因中占到68%；其中轉(zhuǎn)動(dòng)加速度過(guò)大造成的彌漫性腦損傷占到因頭部損傷死亡人數(shù)的三分之一[4]。目前各國(guó)法規(guī)評(píng)價(jià)頭部損傷的標(biāo)準(zhǔn)為HIC（Head Injury Criteria）[7]，該標(biāo)準(zhǔn)主要和頭部質(zhì)心的線性加速度有關(guān)，未考慮到旋轉(zhuǎn)加速度的影響。在國(guó)外已有大量文獻(xiàn)[5-6]研究由旋轉(zhuǎn)加速度引起彌散性腦損傷；國(guó)內(nèi)相關(guān)研究文曉較少。

BRIC值尚未正式納入U(xiǎn)S-NCAP考察，國(guó)內(nèi)汽車企業(yè)在該領(lǐng)域的關(guān)注較少；為應(yīng)對(duì)未來(lái)美國(guó)法規(guī)的變化，本文首先統(tǒng)計(jì)了NHTSA數(shù)據(jù)庫(kù)中部分車型的BRIC考察指標(biāo)得分情況，總結(jié)了BRIC值表現(xiàn)優(yōu)秀車型的設(shè)計(jì)特點(diǎn)；建立了OMDB工況駕駛員側(cè)仿真分析模型，分析了正面氣囊和側(cè)面氣囊在OMDB工況中對(duì)BRIC值的影響規(guī)律，提出了降低BRIC值的設(shè)計(jì)思路；并在滑臺(tái)試驗(yàn)中對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。研究了頭部轉(zhuǎn)動(dòng)慣性傷的機(jī)理及并得到工程解決方案。

2 頭部轉(zhuǎn)動(dòng)慣性傷損傷機(jī)理和考察指標(biāo)BRIC

彌散性腦損傷主要和角加速度大小、持續(xù)時(shí)間以及起始角加速度運(yùn)動(dòng)方向有關(guān)。美國(guó)新車評(píng)價(jià)規(guī)程2018版（US-NCAP2018）征求意見(jiàn)稿規(guī)定BRIC值通過(guò)頭部三個(gè)不同方向的角速度計(jì)算得到，表達(dá)式如公式1所示。以頭部質(zhì)心為原點(diǎn)的局部坐標(biāo)系，在X、Y、Z三個(gè)不同方向角速度的參考值分別是66.25rad/s、56.45rad/s、42.87rad/s，該表達(dá)式在繞Z方向轉(zhuǎn)動(dòng)的考核權(quán)重要高于繞X方向轉(zhuǎn)動(dòng)和繞Z方向轉(zhuǎn)動(dòng)。在繞X、Y、Z三個(gè)不同方向的轉(zhuǎn)動(dòng)如圖1所示，分別取三個(gè)不同方向角速度絕對(duì)值最大值進(jìn)行計(jì)算[8]。

NHTSA2018版征求意見(jiàn)稿中給出了56FRB、OMDB、27°MDB、75°POLE四個(gè)工況中BrIC值考察的上、下限值，如表1所示。

3 NHTSA數(shù)據(jù)庫(kù)中BrIC值得分情況分析

統(tǒng)計(jì)了NHTSA數(shù)據(jù)庫(kù)中12款車型在56FRB、OMDB、MDB、POLE四個(gè)碰撞工況下的BrIC值評(píng)價(jià)情況，獲得優(yōu)秀評(píng)價(jià)的比例如圖2所示；在56FRB工況中，評(píng)價(jià)優(yōu)秀車型占比62.5%；在OMDB工況中，評(píng)價(jià)優(yōu)秀車型占比33.3%；在MDB工況中駕駛員側(cè)，評(píng)價(jià)優(yōu)秀車型占比50%；在MDB工況中后排乘員側(cè)，評(píng)價(jià)優(yōu)秀車型占比33.3%；在POLE工況中，評(píng)價(jià)優(yōu)秀車型占比50%。可以發(fā)現(xiàn)，在上述5個(gè)分析工況中，BrIC值不滿足上限值要求風(fēng)險(xiǎn)最大的工況是OMDB工況和MDB工況后排乘員。

為揭示BrIC值過(guò)大原因，本文首先在OMDB工況挑選了3個(gè)BRIC值評(píng)價(jià)較好車型和3個(gè)Bric 值評(píng)價(jià)較差車型進(jìn)行了對(duì)比分析。從圖3～圖5可以發(fā)現(xiàn)，3個(gè)BRIC值較差車型具備相同的特點(diǎn)：頭部從側(cè)氣簾和氣囊的縫隙中快速滑過(guò)并產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，側(cè)氣簾未對(duì)頭部的側(cè)向運(yùn)動(dòng)提供較好支撐；從圖6～圖8可以發(fā)現(xiàn)，3個(gè)Bric值較好車型具備相同的特點(diǎn)：頭部從側(cè)氣簾和氣囊的縫隙中緩沖滑過(guò)，頭部沒(méi)有出現(xiàn)明顯的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

4 OMDB工況駕駛員BRIC值降低仿真分析

本文研究處于項(xiàng)目開(kāi)發(fā)概念階段，無(wú)OMDB工況試驗(yàn)數(shù)據(jù)，故仿真分析模型基于在50km/h100%全正面碰撞中完成對(duì)標(biāo)的分析模型，通過(guò)偏置角度的設(shè)置，碰撞波形更換、假人更換建立?；A(chǔ)模型的對(duì)標(biāo)結(jié)果如圖9示；由于偏置角度、碰撞波形、假人的變化不會(huì)影響到仿真模型的精度，故認(rèn)為通過(guò)該種方法搭建的OMDB工況仿真模型具有可接受的分析精度。OMDB工況仿真模型如圖10所示，其中假人采用MADYMO中自帶的THOR-50M假人模塊，可直接輸出BrIC值。

基于上述模型，本文分析了DAB直徑、DAB泄氣孔直徑、DAB拉帶長(zhǎng)度、側(cè)氣簾厚度、轉(zhuǎn)向管柱潰縮對(duì)Bric的影響；分析參數(shù)選擇如表3所示，DAB直徑選擇650mm、680mm、710mm三種參數(shù)，DAB泄氣孔直徑選擇20mm、30mm、40mm三種參數(shù)，DAB拉帶長(zhǎng)度選擇270mm、300mm、330mm三種參數(shù)，側(cè)氣簾厚度選擇100mm、150mm、200mm三種參數(shù)，轉(zhuǎn)向管柱選擇潰縮和不潰縮兩種狀態(tài)。

4.1 側(cè)氣簾厚度對(duì)Bric的影響

首先分析了側(cè)面安全氣囊厚度對(duì)Bric值的影響；選擇50mm、100mm、150mm、200mm四種不同厚度側(cè)氣簾進(jìn)行仿真對(duì)比分析，計(jì)算結(jié)果如表4所示，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)側(cè)氣簾厚度為50mm時(shí)，BRIC值明顯高于側(cè)氣簾厚度為100mm、150mm、200mm時(shí)；側(cè)氣簾厚度為50mm時(shí)，側(cè)氣簾對(duì)乘員頭部的支撐不夠，而當(dāng)厚度為100mm、150mm時(shí)，側(cè)氣簾可以對(duì)乘員頭部形成較好的支撐；當(dāng)側(cè)氣簾厚度為200mm時(shí)，BRIC值呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，主要原因是較厚的側(cè)氣簾會(huì)影響到乘員頭部的運(yùn)動(dòng)路徑，增加乘員頭部Y方向運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，并造成頭部繞Z方向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)增加。通過(guò)優(yōu)化側(cè)氣簾厚度，可以讓BRIC值從0.89降低到0.81，降低幅度為9%。

4.2 正面氣囊直徑對(duì)Bric的影響

基于側(cè)面氣囊厚度100mm，分析了正面安全氣囊直徑對(duì)Bric值的影響；選擇了650mm、680mm、710mm三種方案進(jìn)行仿真對(duì)比分析，計(jì)算結(jié)果如表5所示，可以發(fā)現(xiàn)隨著DAB直徑的增加，BRIC值呈現(xiàn)降低趨勢(shì)；從圖15、圖 17可以看出，當(dāng)DAB直徑為650mm時(shí)，具有支撐不足的風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)DAB直徑為710mm時(shí)，可以明顯增加對(duì)乘員頭部的支撐。DAB直徑增大，保證了乘員頭部不會(huì)從縫隙中滑脫；同時(shí)DAB直徑的增加會(huì)降低DAB剛度，這可以給乘員頭部更好的緩沖作用。通過(guò)優(yōu)化DAB直徑，可以讓BRIC值從0.816降低到0.773，降低幅度為5.3%。

4.3 正面氣囊剛度對(duì)Bric的影響

基于側(cè)面氣囊厚度100mm，正面氣囊直徑710mm，分析了正面安全氣囊剛度對(duì)Bric值的影響；選擇了孔直徑20mm、30mm、40mm三種方案進(jìn)行仿真對(duì)比分析，計(jì)算結(jié)果如表6所示，可以發(fā)現(xiàn)隨著DAB泄氣孔直徑的增加，BRIC值呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)；從圖18-圖20可以看出，隨著DAB 泄氣孔直徑的增加時(shí)，剛度較小的DAB可以對(duì)乘員頭部提供更好的緩沖，但當(dāng)剛度過(guò)小時(shí)，會(huì)造成對(duì)乘員頭部的支撐不足，由于乘員肩部受安全帶約束，乘員頭部會(huì)造成較大的讓Y方向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并進(jìn)而造成較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性傷。從圖18可以看出，乘員頸部具有明顯的向上彎曲，從圖20可以看出，乘員頸部明顯的向下彎曲；過(guò)大的向上彎曲和向下彎矩都會(huì)造成較大的頭部繞Y方向旋轉(zhuǎn)，增加BRIC值。通過(guò)DAB剛度的優(yōu)化，可以讓BRIC值從0.773降低到0.738，降低幅度為4.5%。

4.4 正面氣囊拉帶對(duì)Bric的影響

基于側(cè)面氣囊厚度100mm，正面氣囊直徑710mm、泄氣孔40mm，分析了正面安全氣囊拉帶對(duì)Bric值的影響；選擇了拉帶長(zhǎng)度270mm、300mm、330mm三種方案進(jìn)行仿真對(duì)比分析，計(jì)算結(jié)果如表7所示，可以發(fā)現(xiàn)隨著DAB拉帶長(zhǎng)度的增加，BRIC值呈現(xiàn)先降低趨勢(shì)；從圖21-圖23可以看出，隨著DAB 拉帶長(zhǎng)度的增加時(shí)，DAB可以更早的對(duì)乘員頭部提供緩沖，增加氣囊的做功距離，讓氣囊的緩沖作用發(fā)揮更充分，進(jìn)而造成較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性傷。通過(guò)DAB拉帶長(zhǎng)度的優(yōu)化，可以讓BRIC值從0.747降低到0.735，降低幅度為2%。

4.5 轉(zhuǎn)向管柱對(duì)Bric的影響

基于側(cè)面氣囊厚度100mm，正面氣囊直徑710mm、泄氣孔30mm，拉帶300mm，分析了轉(zhuǎn)向管柱對(duì)Bric值的影響；選擇了轉(zhuǎn)向管柱潰縮和不潰縮兩種狀態(tài)進(jìn)行仿真對(duì)比分析，計(jì)算結(jié)果如表8所示，可以發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向管柱不潰縮時(shí)，BRIC值呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，且趨勢(shì)明顯；從圖24-圖25可以看出，轉(zhuǎn)向管柱潰縮后，乘員頸部具有更大的彎曲，頭部具有更大的前移量，同時(shí)乘員肩部在安全帶的約束作用下不能繼續(xù)前移， 故乘員頭部然Y方向轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì)更強(qiáng)烈，進(jìn)而造成較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性傷。與轉(zhuǎn)向管柱潰縮相比，轉(zhuǎn)向管柱不潰縮時(shí)，BRIC值可以從0.738降低為0.689，降低幅度為6.6%。

4.6 設(shè)計(jì)因素影響大小分析

從表9可以看出，在仿真中通過(guò)上述5個(gè)設(shè)計(jì)因素的優(yōu)化分析，可以將模型中乘員BRIC值從0.89降低至0.689，減低幅度為20%；其中對(duì)BRIC值影響最大的因素依次為側(cè)氣簾厚度、轉(zhuǎn)向管柱潰縮、DAB直徑、泄氣孔剛度、拉帶長(zhǎng)度；對(duì)BRIC值的影響幅度分別為9%、6.6%、5.3%、4.5%、2%。

5 OMDB工況駕駛側(cè)BRIC值降低試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證4中仿真分析結(jié)論的準(zhǔn)確性，基于直徑 710mm、泄氣孔直徑30mm、拉帶長(zhǎng)度300mm的DAB，在滑臺(tái)試驗(yàn)中進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)方案見(jiàn)圖26所示；試驗(yàn)結(jié)果如表10所示，試驗(yàn)中BRIC值為 0.64，仿真中BRIC值為0.689，仿真分析精度為92.9%，驗(yàn)證了仿真分析模型及優(yōu)化方案的準(zhǔn)確性。

6 接觸區(qū)域平整度對(duì)BRIC值降低分析

為進(jìn)一步研究OMDB工況中乘員頭部與側(cè)氣簾接觸區(qū)域平整度對(duì)BRIC值的影響；進(jìn)一步在側(cè)氣簾與乘員頭部接觸區(qū)域設(shè)置了凹坑，并進(jìn)行滑臺(tái)試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果如表10所示；試驗(yàn)曲線對(duì)比見(jiàn)圖28～圖30所示，可以發(fā)現(xiàn)接觸區(qū)域平整的氣簾可以較好的降低X方向和Z方向轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，降低幅度分別達(dá)到34.7%和61.9%，計(jì)算得到的Bric值從0.84降低到0.64，降低幅度為23.8%；側(cè)氣簾與乘員頭部接觸區(qū)域的平整度對(duì)BRIC值影響顯著。

7 結(jié)論

1）美國(guó)發(fā)布了新車評(píng)價(jià)規(guī)程2018版（US-NCAP2018）征求意見(jiàn)稿，其中首次提出了考察由轉(zhuǎn)動(dòng)加速度會(huì)造成彌散性腦損傷，并提出新的考核指標(biāo)BRIC（Brain Injury Criterion）；自主汽車企業(yè)有必要提前開(kāi)展技術(shù)儲(chǔ)備。

2）統(tǒng)計(jì)了NHTSA數(shù)據(jù)庫(kù)中BRIC值得分情況，56FRB工況、OMDB工況、MDB工況、POLE工況中BRIC值獲得優(yōu)秀評(píng)價(jià)的比例分別為62.5%、33.3%、50%、50%；整體表現(xiàn)較差。分析了BRIC值評(píng)價(jià)較好車型，具有共同特點(diǎn)：乘員頭部從側(cè)氣簾和DAB之間緩沖滑過(guò)，頭部轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì)小。

3）基于完成對(duì)標(biāo)的基礎(chǔ)模型建立了OMDB工況仿真模型，優(yōu)化了DAB、CAB、轉(zhuǎn)向管柱等環(huán)境件， BRIC值從0.89降低至0.69，降低幅度可達(dá)20%。對(duì)仿真中的優(yōu)化方案進(jìn)行了滑臺(tái)試驗(yàn)，滑臺(tái)試驗(yàn)中BRIC值為0.64，與仿真預(yù)測(cè)值0.69接近，仿真預(yù)測(cè)精度為92.9%。

4）基于滑臺(tái)驗(yàn)證了乘員頭部與側(cè)面氣簾接觸區(qū)域平整度對(duì)BRIC值的影響，側(cè)面氣簾變薄后BRIC值增加為0.84，影響顯著。

參考文獻(xiàn)：

[1]TYLKO.S，German.A，Dalmotas. D， Bussieres. A IMPROVING SIDE IMPACT PROTECTION： RESPONSE OF THE ES-2RE AND WORLDSID IN A PROPOSED HARMONIZED POLE TEST. IRCOBI Conference Paper， September 2006.

[2] Takhounts， E.， Eppinger， R.， Campbell， J.，Tannous， R.， Power， E.， Shook， L.， “On the Development of the SIMon Finite Element Head Model.” Stapp Car Crash Journal， Vol. 47 （October 2003）， pp. 107-133.

[3] Lee J W， Yoon K H， Kang Y S， et al. Vehicle hood and bumper structure design to mitigate casualties of pedestrian accidents. In： Proc of 19th ESV Conference Washington DC， 2005.

[4] 許偉.車輛碰撞事故中頭部生物力學(xué)響應(yīng)和損傷機(jī)理分析：[湖南大學(xué)博士學(xué)位論文].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，2008，16-17.

[5]Omm aya A K， Yarnell P， Hirsch A E， et al. Scaling of experimental data on cerebral concussion in sub-human primates to concussion threshold froman. In： Proc of 11th Stapp Car Crash Conference. California， USA： Society of Automotive Engineers， 1967， 73-80.

[6]Abel J M， Gennarelli T A， and Segawa H. Incidence and Severity of cerebral concussion in the rhesus monkey following sagittal plane angular acceleration. In： Proc of 22nd Stapp Car Crash Conference. Ann Arbor， Michigan， USA： Society of Automotive Engineers， 1978， 35-53.

[7]Versace J. A review of severity index. In： Proc of 15th Stapp Car Crash Conference. San Diego： Society of Automotive Engineers，1971， 771-786.

[8]Erik G. Takhounts， Matthew J. Craig， Kevin Moorhouse， Joe McFadden. Development of Brain Injury Criteria （BrIC）. Stapp Car Crash， Journal， Vol. 57 （November 2013）， pp. 243-266.