側(cè)碰過程中側(cè)門總成對前排外側(cè)乘員人體損傷程度研究

于 琰，蘇洋洋，熊 樂

側(cè)碰過程中側(cè)門總成對前排外側(cè)乘員人體損傷程度研究

于 琰1，蘇洋洋*2，熊 樂3

（1.中汽研汽車檢驗(yàn)中心（常州）有限公司，江蘇 常州 213100；2.江蘇理工學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，江蘇 常州 213001；3.中汽研汽車檢驗(yàn)中心（寧波）有限公司，浙江 寧波 315104）

由于中國城市交通道路的布局多以平面交叉為主，在汽車保有量逐年增加的同時(shí)，車輛側(cè)面碰撞事故概率逐年增大，且較于正面碰撞對乘員的損傷更為嚴(yán)重。為分析車輛側(cè)面碰撞過程中前排外側(cè)乘員身體各部位損傷情況，對前排外側(cè)乘員與車門內(nèi)飾板直接碰撞的肩部、胸部、腹部、髖部損傷影響進(jìn)行了損傷等級分析和車門受力模型建立，搭建了模擬車門側(cè)碰沖擊試驗(yàn)臺，隨切入車門變形量和時(shí)間的變化過程得到不同部位沖擊塊的最大加速度和最大作用力。研究結(jié)果表明，肩部、胸部、腹部、髖部最大等效加速度分別為10.53、23.02、12.28、26.75；最大作用力分別為2 035 N、3 718.87 N、2 631.94 N、5 419.25 N；肩部損傷程度小于AIS4、其他部位損傷程度小于AIS3，該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為前排外側(cè)乘員的安全出行和車門結(jié)構(gòu)的可靠設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

側(cè)面碰撞；人體損傷；沖擊試驗(yàn)；等效加速度；最大作用力

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國公路數(shù)量逐年增多，城市交通道路的布局逐漸以平面交叉為主，十字路口、分叉路口、丁字路口分布甚廣，復(fù)雜路況致使車輛發(fā)生碰撞的概率變大，其中車輛側(cè)面碰撞是我國交通事故發(fā)生概率最高的一種交通事故形態(tài)，此類事故所引起的死亡和受傷人數(shù)占的比例在所有交通事故中分居第二和第一[1-2]。側(cè)面碰撞事故中，乘員受到的傷害發(fā)生在車門內(nèi)飾板與乘員開始接觸直到內(nèi)飾板將乘員推開這一過程中，相較于車輛的正面，車輛側(cè)圍變形空間較小，幾乎沒有緩沖空間來保證車內(nèi)乘員的生存空間，導(dǎo)致乘員的肩部、胸部、腹部、髖部受到相較正面碰撞更為嚴(yán)重的身體損傷[3]。

通過對車輛側(cè)面碰撞過程中乘員人體損傷程度的分析，搭建模擬車門側(cè)碰沖擊試驗(yàn)臺，采用剛性塊模擬前排外側(cè)乘員的肩部、胸部、腹部、髖部尺寸及質(zhì)量參數(shù)，對車輛右側(cè)前門總車包括車門鈑金件及內(nèi)飾進(jìn)行側(cè)碰沖擊試驗(yàn)，通過對四個(gè)部位沖擊塊對車門侵入的等效試驗(yàn)加速度和沖擊力進(jìn)行分析，來反映乘員在側(cè)碰過程中所受到的傷害，為乘員的安全駕駛和車門結(jié)構(gòu)的可靠設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1 人體碰撞部位損傷分析

車輛發(fā)生側(cè)面碰撞時(shí)，車門幾乎沒有足夠的吸能緩沖空間來保證車內(nèi)乘員的生存空間，由于大部分車輛側(cè)門無安全氣囊，車門內(nèi)飾板將直接對乘員的胸部、腹部、髖部和肩部造成損傷，易導(dǎo)致肩部和肋骨骨折、腎臟受損以及髖骨骨折等問題。

為了研究車輛側(cè)面碰撞過程中，車門總成對乘員身體的傷害程度，分別對胸部、腹部、髖部和肩部四個(gè)部位損傷進(jìn)行分析。乘員人體側(cè)面碰撞損傷程度常用簡略損傷等級（Abbreviated Injury Scale, AIS）來進(jìn)行評估，共分為6級，其中1級為輕微傷、2級為中等傷、3級為較嚴(yán)重傷（無生命危險(xiǎn)）、4級為嚴(yán)重傷（有生命危險(xiǎn)）、5級和6級為特別嚴(yán)重傷（致死損傷）[4-5]。

1.1 胸部損傷

車輛側(cè)碰過程中對胸部的損傷主要在肋骨和較低脊骨部分，胸部傷害指數(shù)()如式（1）所示。

()=1/2 (+) （1）

式中，為胸腔中上面或下面肋骨的最高加速度；為胸腔中較低脊骨(T12)的最高加速度。

通過參考Stalnaker和Tarriere的實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)[6]，胸部側(cè)碰的耐受限度如表1所示。

胸部側(cè)碰損傷等級為3級和4級以上概率與肋骨變形量之間的關(guān)系如式（2）所示。

式中，x為胸部損傷概率；Rib_def 為肋骨變形量。

表1 胸部側(cè)碰的耐受限度

耐受限度損傷等級 力/kN7.4AIS0 10.2AIS3 5.5AIS≥4的可能性為25% 加速度/gT8-Y軸45.2AIS≥4的可能性為25% T12-Y軸31.6 60 TTI(d)/gTTI (d)85四門車測試中 SID假人的最大值 TTI (d) 90二門車測試中 SID假人的最大值 TTI 145AIS≥4的可能性為25% TTI 151AIS≥4的可能性為25% 單側(cè)胸壓縮/%35AIS3 33AIS≥4的可能性為25% 胸部整體壓縮/%38.4AIS≥4的可能性為25% 單側(cè)胸VCmax /(m·s?1)0.85AIS≥4的可能性為25% 胸部整體VCmax /(m·s?1)1.0AIS≥3的可能性為50% 1.47AIS≥4的可能性為25%

1.2 腹部損傷

車輛側(cè)碰過程中，與胸部相比腹部更容易受到傷害，內(nèi)部器官在外物撞擊過程中更容易產(chǎn)生變形而造成體內(nèi)血管破裂和內(nèi)部組織器官的損傷。

腹部各器官的損傷形式和損傷機(jī)理如圖1所示。

圖1 腹部各器官的損傷形式和損傷機(jī)理

腹部側(cè)碰損傷等級為3級和4級以上概率與腹部受力之間的關(guān)系如式（3）所示。式中，f為腹部損傷概率；f為腹部受力。

1.3 髖部損傷

在車輛側(cè)面碰撞過程中，易造成骶骨左側(cè)與骼骨接縫處、骶骨、骼骨和股骨的骨折，以及骨關(guān)節(jié)脫臼與恥骨結(jié)合處脫離等損傷。髖部骨折機(jī)理的可以分解為壓縮、垂直剪切或二者的組合，側(cè)碰時(shí)髖關(guān)節(jié)受到側(cè)面壓縮極易發(fā)生骨折。

髖部側(cè)碰損傷等級為3級以上概率與髖部受力之間的關(guān)系如式（4）所示。

k(AIS3+)=[1+e(7.5969-0.0011Fk)]-1（4）

式中，k為髖部損傷概率；k為髖部受力。

1.4 肩部損傷

在車輛側(cè)碰過程中，乘員肩部損傷主要是肱骨損傷和肩關(guān)節(jié)損傷，通過近年來的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[7]，肱骨的失效耐受限度如表2所示。

表2 肱骨的失效耐受限度

肱骨彎曲力矩/(N·m)剪切力/kN 男性女性男性女性 11573 15185 157841.96（忽略性別） 2301302.51.7 138 154 217128

2 模擬車門側(cè)碰沖擊試驗(yàn)

2.1 側(cè)碰受力分析

為了研究車輛側(cè)碰過程中車門對乘員人體損傷程度，依據(jù)牛頓第三定律對車門進(jìn)行受力分析可知，車門受到的力主要包括施加在車門上的外力m、車身側(cè)面結(jié)構(gòu)阻礙車身變形的力s以及車門與乘員身體之間的相互作用力d。

車門受到的合力如式（5）所示。

式中，Σ為合力；d為車門質(zhì)量；d為車門變形速度。

車門承受的合力主要來自側(cè)面外部、車身側(cè)圍結(jié)構(gòu)以及乘員人體的反作用力，側(cè)面碰撞整個(gè)過程中車門的運(yùn)動過程是車門隨著車輛發(fā)生碰撞，然后車身側(cè)面結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，車門與乘員身體接觸，在這個(gè)過程中快速變形的車門直接作用于乘員身體，使乘員產(chǎn)生側(cè)向的加速運(yùn)動。

2.2 模擬車門側(cè)碰沖擊試驗(yàn)臺

結(jié)合人體碰撞部位損傷分析和側(cè)碰受力分析，為研究車輛側(cè)面碰撞過程中車門對乘員人體的作用過程，通過搭建車門沖擊側(cè)碰試驗(yàn)臺，模擬《汽車側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)》（GB 20071－2006）中側(cè)面碰撞過程中車內(nèi)前排外側(cè)乘員運(yùn)動狀態(tài)，根據(jù)SID-Ⅱ假人的肩部、胸部、髖部、腹部尺寸及質(zhì)量參數(shù)加工剛性沖擊塊來對車門鈑金件及其內(nèi)飾進(jìn)行低速沖擊的試驗(yàn)，準(zhǔn)確測量并記錄在側(cè)面沖擊過程中剛性沖擊塊受到的作用力及侵入量。

本次研究高度還原靜止車輛在受到行駛速度為50 km/h車輛側(cè)面撞擊時(shí)，被撞車輛內(nèi)部前排外側(cè)乘員在車廂內(nèi)與碰撞側(cè)臨近車門發(fā)生內(nèi)部碰撞的運(yùn)動方式。剛性沖擊塊安裝在動力發(fā)射器發(fā)射桿的前端，試驗(yàn)前通過調(diào)整沖擊塊安裝位置使發(fā)射桿推力作用于沖擊塊質(zhì)心位置，避免沖擊塊運(yùn)動過程中發(fā)生自轉(zhuǎn)及翻轉(zhuǎn)。四個(gè)部位模擬沖擊器實(shí)物如圖2所示；側(cè)門總成模擬實(shí)車安裝方式豎直固定在不低于車輛固定強(qiáng)度的剛性結(jié)構(gòu)件上，車門沖擊側(cè)碰試驗(yàn)臺實(shí)物如圖3所示。

圖3 模擬車門沖擊側(cè)碰試驗(yàn)臺實(shí)物

2.3 試驗(yàn)步驟

1）參照《汽車側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)》（GB 20071－2006）附錄F.6在前排外側(cè)安放SID-Ⅱ假人，標(biāo)記SID-Ⅱ假人在碰撞側(cè)臨近車門的垂直投影，劃分肩部、胸部、髖部、腹部沖擊試驗(yàn)區(qū)域。

在試驗(yàn)開始前不同位置的沖擊器分別對應(yīng)相應(yīng)的沖擊試驗(yàn)區(qū)域，并對第一接觸點(diǎn)進(jìn)行追蹤。

2）根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)要求碰撞速度在50 km/h[8]，通過前期實(shí)車側(cè)碰試驗(yàn)追蹤和行業(yè)要求[9]發(fā)生側(cè)面碰撞時(shí)車內(nèi)乘員各部位與車門沖擊的速度，從而制定零部件車門碰撞時(shí)的沖擊速度。

3）在試驗(yàn)臺沖擊塊上加裝兩個(gè)單向加速度傳感器用以采集沖擊車門總成時(shí)人體的減速度，通過減速度計(jì)算沖擊塊受到的最大力值，其中沖擊塊分為四部分，胸部沖擊塊（16 kg）、腹部沖擊塊（22 kg）、髖部沖擊塊（20 kg）、肩部沖擊塊（20 kg）。

4）沖擊過程采用沖擊塊自由飛行的方式垂直沖擊車門總成。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

為降低試驗(yàn)過程誤差影響，通過在各部分沖擊塊質(zhì)心處安裝2個(gè)單向加速度傳感器以獲得沖擊塊等效試驗(yàn)加速度，整個(gè)沖擊試驗(yàn)過程均在100 ms內(nèi)完成無二次撞擊產(chǎn)生，分別獲得不同部位沖擊塊試驗(yàn)速度工況下隨沖擊塊切入車門變形量的等效試驗(yàn)加速度變化曲線和隨試驗(yàn)時(shí)間的沖擊塊作用力變化曲線。

在肩部沖擊塊試驗(yàn)速度為7.37 km/h時(shí)，試驗(yàn)獲得肩部沖擊塊等效試驗(yàn)加速度在試驗(yàn)100 ms過程中的變化曲線如圖4所示；獲得肩部沖擊塊等效試驗(yàn)加速度在其切入車門變形量的變化曲線如圖5所示；獲得肩部沖擊塊作用力在試驗(yàn)過程中的變化曲線如圖6所示。通過試驗(yàn)可知，當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到23.5 ms時(shí)，肩部沖擊塊切入車門變形量為28.47 mm，其等效試驗(yàn)加速度最大且為10.53，其作用力最大且為2 035 N，滿足C-NCAP[10]側(cè)面碰撞≤3 000 N的限值要求，損傷程度＜AIS4，未達(dá)到嚴(yán)重傷程度條件。

圖4 肩部沖擊塊等效試驗(yàn)加速度變化曲線

圖5 肩部沖擊塊切入車門變形量的等效試驗(yàn)加速度變化曲線

圖6 肩部沖擊塊作用力變化曲線

在腹部沖擊塊試驗(yàn)速度為9.12 km/h時(shí)，試驗(yàn)獲得腹部沖擊塊等效試驗(yàn)加速度在試驗(yàn)100 ms過程中的變化曲線如圖7所示；獲得腹部沖擊塊等效試驗(yàn)加速度在其切入車門變形量的變化曲線如圖8所示；獲得腹部沖擊塊作用力在試驗(yàn)過程中的變化曲線如圖9所示。通過試驗(yàn)可知，當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到9.9 ms時(shí)，腹部沖擊塊切入車門變形量為21.81 mm，其等效試驗(yàn)加速度最大且為12.28，其作用力最大且為2 631.94 N，滿足GB 20071－2006中腹部峰值力＜2 500 N（相當(dāng)于4 500 N外力）的限值要求，損傷程度＜AIS3，未達(dá)到較嚴(yán)重傷程度條件。

圖7 腹部沖擊塊等效試驗(yàn)加速度變化曲線

圖8 腹部沖擊塊切入車門變形量的等效試驗(yàn)加速度變化曲線

圖9 腹部沖擊塊作用力變化曲線

在胸部沖擊塊試驗(yàn)速度為18.07 km/h時(shí)，試驗(yàn)獲得腹部沖擊塊等效試驗(yàn)加速度在試驗(yàn)100 ms過程中的變化曲線如圖10所示；獲得胸部沖擊塊等效試驗(yàn)加速度在其切入車門變形量的變化曲線如圖11所示；獲得胸部沖擊塊作用力在其切入車門變形量的變化曲線如圖12所示。通過試驗(yàn)可知，當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到10 ms時(shí)，胸部沖擊塊切入車門變形量為45.79 mm，其等效試驗(yàn)加速度最大且為23.02，其作用力最大且為3 718.87 N，滿足FMVSS 214[11]胸腔傷害指數(shù)()≤85的限值要求，損傷程度＜AIS3，未達(dá)到較嚴(yán)重傷程度條件。

圖10 胸部沖擊塊等效試驗(yàn)加速度變化曲線

圖11 胸部沖擊塊切入車門變形量的等效試驗(yàn)加速度變化曲線

圖12 胸部沖擊塊切入車門變形量的作用力變化曲線

在髖部沖擊塊試驗(yàn)速度為21.06 km/h時(shí)，試驗(yàn)獲得髖部沖擊塊等效試驗(yàn)加速度在試驗(yàn)100 ms過程中的變化曲線如圖13所示；獲得髖部沖擊塊等效試驗(yàn)加速度在其切入車門變形量的變化曲線如圖14所示；獲得髖部沖擊塊作用力在試驗(yàn)過程中的變化曲線如圖15所示。通過試驗(yàn)可知，當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到15.5 ms時(shí)，髖部沖擊塊切入車門變形量為80.42 mm，其等效試驗(yàn)加速度最大且為26.75，其作用力最大且為5 419.25 N，滿足FMVSS 214髖部橫向最大加速度≤130的限值要求，滿足GB 20071－2006中髖部峰值力≤6 000 N的限值要求，損傷程度＜AIS3，未達(dá)到較嚴(yán)重傷程度條件。

圖13 髖部沖擊塊等效試驗(yàn)加速度變化曲線

圖14 髖部沖擊塊切入車門變形量的等效試驗(yàn)加速度變化曲線

圖15 髖部沖擊塊作用力變化曲線

3 結(jié)論

基于損傷理論模型，分析了在車輛側(cè)碰過程中乘員的碰撞部位損傷和側(cè)碰受力，搭建了車門沖擊側(cè)碰試驗(yàn)臺，模擬側(cè)碰過程中車內(nèi)乘員運(yùn)動狀態(tài)，隨切入車門變形量和時(shí)間的變化過程得到不同部位沖擊塊的最大加速度和最大作用力，為乘員的安全駕駛和車門結(jié)構(gòu)的可靠設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

[1] 王振飛,楊慧.汽車側(cè)碰乘員保護(hù)及胸臀一體式側(cè)氣囊設(shè)計(jì)[J].遼寧科技學(xué)院學(xué)報(bào),2011,13(2):4-5,9.

[2] 公安部交通管理局.中華人民共和國道路交通事故統(tǒng)計(jì)年報(bào)(2020年度)[EB/OL].(2021-05-19)[2022-03- 16].https://xxgk.mot.gov.cn/2020/jigou/zhghs/202105/t20210517_3593412.html.

[3] 譚琳,李沁逸,陳益慶,等.汽車側(cè)面碰撞側(cè)圍結(jié)構(gòu)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].汽車技術(shù),2019(11):22-25.

[4] 鄧召文,高偉,熊劍.Taurus轎車車門側(cè)面碰撞有限元分析[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010,29(5): 808-812.

[5] 馬志雄,朱西產(chǎn),陶穎,等.側(cè)碰試驗(yàn)中車門運(yùn)動與假人傷害響應(yīng)的相關(guān)性[J].汽車技術(shù),2010(1):48-52,56.

[6] 楊濟(jì)匡.汽車與行人碰撞中的損傷生物力學(xué)研究概覽[J].汽車工程學(xué)報(bào),2011,1(3):81-93.

[7] 凱-烏韋·密特.汽車與運(yùn)動損傷生物力學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

[8] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.汽車側(cè)面碰撞的乘員保護(hù): GB 20071－2006[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2006.

[9] 曲杰,覃威,鄭溫洛.車門內(nèi)飾板總成耐撞性實(shí)驗(yàn)分析及優(yōu)化[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2015,34 (8):1273-1278.

[10] 中國汽車技術(shù)研究中心有限公司. C-NCAP管理規(guī)則[S].天津:中國汽車技術(shù)研究中心有限公司,2021.

[11] Office of Regulatory Analysis and Evaluation National Center for Statistics and Analysis.Fmvss no.214 Ame- nding Side Impact Dynamic Test Adding Oblique Pole Test[S].New York:Department of Transportation,2019.

Research on the Damage Degree of the Passenger's Body Caused by the Door in the Process of Lateral Collision

YU Yan1, SU Yangyang*2, XIONG Le3

( 1.CATARC Automotive Test Center (Changzhou) Company Limited, Changzhou 213100, China;2.School of Electricaland Information Engineering, Jiangsu University of Technology, Changzhou 213001, China;3.CATARC Automotive Test Center (Ningbo) Company Limited, Ningbo 315104, China )

Since the layout of urban traffic roads in China is dominated by plane intersections, the probability of vehicle side collision accidents increases year by year with the increase of vehicle ownership, and the damage to passengers is more serious than that of frontal collision. In order to analyze the injuries of various parts of the passenger's body in the process of vehicle side impact, the damage grade analysis and damage mechanics model of the shoulder, chest, abdomen and hip caused by the direct collision between the passenger and the door interior panel are carried out, and a simulation test bench for the side impact of the car door is built. The maximum acceleration and the maximum force of the impact block at different positions are obtained with the changing process of the deformation amount and time of the door. The results show that the maximum equivalent acceleration of shoulder, chest, abdomen and hip is 10.53, 23.02, 12.28and 26.75, the maximum force is 2 035 N, 3 718.87 N, 2 631.94 N and 5 419.25 N. The damage degree of shoulder is less than AIS4, the injury degree of other parts is less than AIS3.These experimental data provide the basis for the safe travel of front and outside occupants and the reliable design of the door structure.

Lateral collision; Body injury; Impact test; Equivalent acceleration; Maximum force

467.5+23

A

1671-7988(2023)18-82-07

于琰（1990－），女，助理工程師，研究方向?yàn)槠嚤粍影踩珳y試，E-mail:yuyan@catarc.ac.cn。

蘇洋洋（1991－），女，碩士，助理實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)樯镝t(yī)學(xué)與生物信息學(xué)，E-mail:suyangyang@jsut.edu.cn。

江蘇省高等學(xué)校自然科學(xué)研究資助項(xiàng)目（20KJB580005）；常州市科技支撐計(jì)劃（社會發(fā)展）資助項(xiàng)目（CE2020 9002）；常州市領(lǐng)軍型創(chuàng)新人才引進(jìn)培育資助項(xiàng)目（CQ20210093，CQ20220089）；江蘇省高等學(xué)校自然科學(xué)研究資助項(xiàng)目（22KJB460021）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.018.017