碰撞假人頭部性能指標HIC36及HIC15的區(qū)別研究

胡經(jīng)國,朱曉勇,丁冉冉,周杭衛(wèi)，杜志豪，陳亞依

中汽研汽車檢驗中心(寧波)有限公司，浙江寧波 315336

0 引言

C-NCAP管理規(guī)則2021版已正式發(fā)布。對于100%正面壁障碰撞試驗形式，相比于C-NCAP管理規(guī)則2018版，試驗形式、試驗速度及試驗假人未改變，但是駕駛員位置使用的Hybrid Ⅲ 型 50 百分位男性假人的頭部性能傷害指標卻從修改為，傷害值限值從650～1 000修改為500～700，副駕駛的頭部性能傷害指標保持為。

本文將從與的區(qū)別的角度分析修改為的原因，以及這種修改對于100正面壁障碰撞試驗駕駛員頭部傷害考核產(chǎn)生的影響，并通過副駕駛員及側(cè)面碰撞試驗的頭部傷害數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析進行了驗證。

1 頭部傷害指標

1.1 頭部結(jié)構(gòu)

頭部分為面部和頭部(不包括面部)兩個部分。頭部具有多層結(jié)構(gòu)，由頭皮、顱骨、腦膜和腦組成。顱骨大致分為容納腦的腦顱和形成面部的面顱。顱骨由多塊骨組成，骨之間由骨縫線相互連接。下頜骨例外，它通過自由活動的關(guān)節(jié)與顱骨相連接。頭顱骨的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 頭顱骨的結(jié)構(gòu)

在碰撞事件發(fā)生時，頭部會發(fā)生面部外傷、顱骨骨折、局灶性腦損傷、彌漫性腦損傷等多種損傷。目前的研究主要針對面顱骨損傷，該部位損傷是由于面部與汽車的接觸沖擊引發(fā)的，包括頭皮損傷、顱骨骨折、硬膜外血腫和直達性挫傷。顱骨骨折又分為接觸部位骨折或由于碰撞力的傳遞而造成的遠隔接觸損傷骨折，如顱蓋骨折、顱底骨折或?qū)_性損傷。

1.2 頭部的損傷基準HIC

通過Wayne State大學(xué)對頭部耐受性的研究，得到頭部加速度、沖擊持續(xù)時間的研究數(shù)據(jù)。通過整理出現(xiàn)顱骨骨折情況的數(shù)據(jù)分布，得到了Wayne State耐受性曲線(即WSTC 曲線)，如圖2所示。圖中曲線公式為·25。WSTC 曲線給出了在頭部碰撞中前后平移加速度和持續(xù)作用時間對頭部損傷的綜合影響。

WSTC耐受度曲線 ，最初只包含 6 ms的沖擊響應(yīng)曲線，如圖2所示。優(yōu)化后得到50 ms內(nèi)的沖擊響應(yīng)曲線，如圖3所示。

圖2 初始Wayne Stste 耐受性曲線

圖3 優(yōu)化后Wayne Stste 耐受性曲線

由耐受性曲線可知，在耐受性曲線上方時，存在生命危險，即發(fā)生顱骨骨折(≥2)的可能性為31%;在耐受性曲線下方時，沒有生命危險。為1 000的情況下發(fā)生顱骨骨折(≥2)的可能性為48%。

1971年，VERSACE在前人研究的基礎(chǔ)上得到了一個與WSTC耐受性曲線相關(guān)的平均加速度量——(head injury creterion)值，成為沿用至今的汽車安全法規(guī)頭部顱骨骨折和腦挫傷的評價指標。的計算公式為：

(1)

其中公式代表了WSTC耐受性曲線的公式化。

由于WSTC耐受性曲線是根據(jù)前額重復(fù)撞擊試驗確定，采集的是腦后部的加速度，試驗形式接近于正面碰撞沖擊的狀態(tài)，因此它較適用于正面碰撞場景。

1.3 HIC36和HIC15的選擇

下角36表示碰撞持續(xù)時間為36 ms，下角15表示碰撞持續(xù)時間為15 ms，表示碰撞持續(xù)時間在36 ms以內(nèi)的頭部傷害最大值，表示碰撞持續(xù)時間為15 ms以內(nèi)的頭部傷害最大值。但是頭部傷害最大值出現(xiàn)的持續(xù)時間段并不一定是在正好持續(xù)36 ms或者15 ms時長的時候出現(xiàn)。

WSTC的頭部沖擊試驗代表的是標定試驗狀態(tài)下，整個沖擊持續(xù)過程中的加速度輸出。在實際碰撞過程中，由于假人頭部合成加速的不規(guī)律性，并不能準確判斷頭部承受沖擊力的準確開始時間和結(jié)束時間。而的最大值計算理論上取從開始時間到結(jié)束時間整個沖擊過程中的最大值。

通過對試驗結(jié)果計算值，取15 ms作為計算頭部傷害的最長持續(xù)時間，持續(xù)時間15 ms以上的值就不需要再計算了。

同理，評估側(cè)面撞擊試驗對頭部的損傷程度，要根據(jù)側(cè)面碰撞頭部合成加速度曲線的特點，確定一個能夠取到最大值的持續(xù)時間區(qū)間。由于正面碰撞與側(cè)面碰撞的頭部加速度合成曲線形態(tài)不同，為了能評估側(cè)面撞擊對頭部的損傷程度，在FMVSS214中定義了另一個指標。

因此，碰撞持續(xù)時間分別為15 ms及36 ms即為經(jīng)驗性選擇。

1.4 頭部傷害限值的改變

假人的傷害值限值從1 000修改為700。使用計算公式對WSTC耐受性曲線進行計算，如圖4所示。

圖4 WSTC耐受性曲線HIC值計算

將圖4中的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，結(jié)果如圖5所示。

圖5 WSTC耐受性曲線HIC值統(tǒng)計

同WSTC曲線，當值在該曲線上方時，存在生命危險;在耐受性曲線下方時，沒有生命危險。

2 正面碰撞試驗頭部傷害HIC36與HIC15持續(xù)時間對比

文中統(tǒng)計樣本為61次正面碰撞試驗，分別統(tǒng)計了駕駛員與副駕駛員的頭部及數(shù)值最大時對應(yīng)的持續(xù)時間。

2.1 駕駛員HIC36與HIC15持續(xù)時間對比

對碰撞試驗的實際與的持續(xù)時間進行了統(tǒng)計，駕駛員與持續(xù)時間對比如圖6所示。

圖6 駕駛員HIC36與HIC15持續(xù)時間對比

由圖6可以看出，在統(tǒng)計的61個樣本中，有25個樣本出現(xiàn)最大傷害的持續(xù)時間是小于36 ms的，而出現(xiàn)最大傷害的持續(xù)時間均為15 ms。由此可知，當以為考核指標時，不同的車輛出現(xiàn)最大傷害值的持續(xù)時間值可能并不相同，根據(jù)WSTC耐受性曲線可知，持續(xù)時間不同，對人體造成危險的限值是不同的，如果以作為這些所有車輛的統(tǒng)一考核指標并不合適。而傷害指標最大值出現(xiàn)均在持續(xù)時間為15 ms的時候，對于不同的車輛，考核指標進行了統(tǒng)一。

將的限值規(guī)定在500～700，最大限值700是符合WSTC曲線中當持續(xù)時間為15 ms時=630這個臨界值的。在<500時，表示不會有生命危險產(chǎn)生;當>700時，有生命危險產(chǎn)生。限值500也是WSTC耐受性曲線的值的最小值位置，是最嚴格的假人傷害要求。

2.2 副駕駛員HIC36與HIC15持續(xù)時間對比

副駕駛員與持續(xù)時間對比如圖7所示，副駕駛員與持續(xù)時間對比情況與駕駛員類似。

圖7 副駕駛員HIC36與HIC15持續(xù)時間對比

3 碰撞試驗頭部傷害HIC36與HIC15傷害值對比

對正碰試驗及側(cè)碰試驗假人頭部及數(shù)值進行統(tǒng)計分析。統(tǒng)計共涉及碰撞試驗室145次正面碰撞試驗中駕駛員頭部和的數(shù)值，及105次側(cè)面碰撞試驗中駕駛員的和的數(shù)值。

3.1 正面碰撞駕駛員頭部傷害值對比

正面碰撞中駕駛員頭部和的對比如圖8所示。由圖可以看出，除個別與的數(shù)值相同之外，大部分的數(shù)值都是小于的數(shù)值。

圖8 正面碰撞中駕駛員的頭部HIC36和HIC15的對比

由圖還可以看出，所有樣品的數(shù)值均在限值1 000以下，而對應(yīng)的的數(shù)值則有一部分出現(xiàn)在700的限值以上。在C-NCAP管理規(guī)則2021版將頭部傷害指標從限值1 000，修改為限值700之后，頭部傷害存在超限的風險。也證明C-NCAP管理規(guī)則2021版的主駕的頭部傷害值評價更為嚴格。

3.2 正面碰撞副駕駛員頭部傷害值對比

正面碰撞中副駕駛員頭部和的對比如圖9所示。由圖可以看出，與的數(shù)值分布于駕駛員的分布情況類似。

圖9 正面碰撞中副駕駛員頭部HIC36和HIC15的對比

C-NCAP管理規(guī)則2021版相對于C-NCAP管理規(guī)則2018版，正面碰撞副駕駛員頭部傷害指標評價保持為，與駕駛員傷害指標保持一致，該頭部傷害指標比較合理。

3.3 側(cè)面碰撞駕駛員頭部傷害值對比

側(cè)面碰撞中駕駛員頭部和的對比如圖10所示。

圖10 側(cè)面碰撞中駕駛員頭部HIC36和HIC15的對比

C-NCAP管理規(guī)則2021版相對于C-NCAP管理規(guī)則2018版，側(cè)面碰撞頭部傷害指標評價保持為。由圖10可知，側(cè)面碰撞時，頭部與基本相同。

4 結(jié)束語

本文介紹了人體頭部解剖學(xué)結(jié)構(gòu)，頭部損傷指標，及的選擇，頭部傷害限值變化的分析，頭部傷害發(fā)生的持續(xù)時間的分析，和正面碰撞試驗駕駛員、副駕駛員及側(cè)面碰撞試驗駕駛員及數(shù)據(jù)的對比分析，得到了修改為使不同車輛頭部傷害評價標準更為統(tǒng)一，頭部評價也更為嚴格的結(jié)論。此次分析為碰撞試驗頭部傷害的研究提供了支持。