图1 简化台车模型
Fig. 1 Simplified sled model
北京大学学报(自然科学版) 第62卷 第1期 2026年1月
Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, Vol. 62, No. 1 (Jan. 2026)
doi: 10.13209/j.0479-8023.2025.123
国家自然科学基金(52172399)、湖南省普通高等学校科技创新项目(2024RC1029)和湖南省创新研究群体项目(2025JJ10006)资助
收稿日期: 2024–12–20;
修回日期: 2025–04–29
摘要 为了提高自动驾驶汽车中不同座椅朝向乘员的正面碰撞安全性, 提出一种乘员保护策略, 在正面碰撞发生前, 主动将不同座椅朝向的乘员旋转至标准座椅朝向(0°方向), 通过改变乘员身体受力方向, 将非标准座椅朝向乘员的正面碰撞转化为标准朝向的正面碰撞形式, 从而利用安全气囊对乘员的保护来降低损伤。基于本田雅阁汽车模型, 建立±45°和±90°座椅朝向简化台车模型, 并进行有无应用该保护策略的对比试验, 得到如下结果: 1)传统三点式安全带约束系统无法有效地限制乘员身体的斜向和侧向偏移, 发生“二次碰撞”损伤风险较大; 2)在腿部挡板和安全带共同作用下, 200ms 内座椅旋转±45°和 300ms 内座椅旋转±90°仿真试验中, 乘员均被有效地约束在座椅上, 姿态未发生失控现象, 发生“二次碰撞”损伤风险较小, 对乘员头部、颈部和胸部造成额外的损伤风险较小。由此验证了主动旋转座椅朝向至正对安全气囊保护策略的有效性。
关键词 乘员保护策略; 安全气囊; 座椅朝向; 损伤风险; 自动驾驶汽车
自动驾驶是未来汽车的发展方向, 对未来道路交通产生革命性的影响, 自动驾驶技术也将会成为未来汽车产业的制高点, 并直接反映国家工业的竞争力[1]。《智能汽车创新发展战略》指出, 智能汽车是未来汽车产业发展的战略方向, 要求 2025 年实现有条件自动驾驶汽车达到规模化生产和特定环境下的市场应用[2]。
针对自动驾驶技术路线, 目前业界分为两大阵营: 一是以特斯拉为代表的传统汽车制造商, 基于辅助驾驶技术, 通过系统不断升级, 逐步过渡并最终实现完全自动驾驶; 二是以谷歌为代表的互联网公司, 首先在相对封闭的环境中实现无人驾驶, 然后再实现全环境全路况下的无人驾驶[3]。
传统的汽车交通事故主要由驾驶员操作失误造成, 自动驾驶技术可大大降低人为因素造成的事故风险。但是, 由于道路交通的复杂性、自动驾驶技术的可靠性和信息传递的通畅性等因素, 自动驾驶技术仍然存在一定的风险[4]。近年来, 关于自动驾驶汽车交通事故的报道屡见不鲜。2023 年 8 月, 美国通用汽车的自动驾驶出租车 Robotaxi 与消防车发生碰撞, 致 1 人受伤[5]。2023 年 11 月, 某 M5 型轿车在自动驾驶模式下与静止的施工车辆发生碰撞, 导致车辆前舱结构严重损毁[6]。因此, 未来自动驾驶技术可能仍然难以实现零事故的目标, 自动驾驶技术的安全性未必高于驾驶经验丰富的司机[7]。
在自动驾驶汽车中, 乘员不再需要承担驾驶任务, 其乘坐姿态和乘坐环境将更加多样化。2015年, 奔驰发布 F015 自动驾驶概念车, 前两排座椅可向后旋转 180°, 使前后排乘员可以面对面交流[8]。未来自动驾驶汽车的内饰设计将更加突出多元化的“场景式”主题, 满足客厅、卧室、办公室或餐厅等功能[9]。因此, 未来自动驾驶汽车的座椅布置将更加多元化, 同时对乘员的被动安全提出巨大的挑战。当发生正面碰撞时, 不同座椅朝向乘员的运动学响应可能变成横向或者追尾碰撞的运动学响应, 但目前约束系统的设计是针对面向前方乘坐(标准坐姿)的乘员, 安全带无法有效地限制斜向或横向乘坐的乘员头部和胸部偏移[10]。因此, 传统的约束系统无法有效地保护非标准坐姿乘员, 并可能造成更大的损伤风险[11–14]。
安全气囊是一种有效的乘员保护装置, 根据1996 年美国国家公路交通安全管理局(NHTSA)公布的统计数据, 安全气囊可将车辆正面碰撞中乘员死亡率降低 31%, 安全气囊和三点式安全带共同使用, 可使严重头部损伤率降低75%, 严重胸部损伤率降低 66%[15–16]。安全气囊可有效地降低乘员死亡率和损伤程度, 但也会引起其他多种非致命损伤(如皮肤损伤和眼部损伤等), 如果乘员处于离位状态或非标准坐姿状态, 气囊不仅无法起到缓冲吸能作用, 巨大的爆炸冲击力反而会造成乘员头部或胸腹部损伤[17]。
传统型汽车上的部分被动安全技术可直接应用到自动驾驶汽车上, 同时, 自动驾驶汽车利用其更先进的环境感知能力, 提前预判危险, 并通过主动调节安全装置来更好地保护乘员[18]。针对这种情况, 奔驰提出保护旋转座椅乘员的方法, 乘员前方气囊在弹出前, 系统会检测乘员座椅朝向角度和位置, 自适应调整气囊弹出的角度, 使气囊可以保护侧向坐姿的乘员[19]。但是上述方法中气囊的自适应调节角度有限, 因此存在一定的局限性。
本文提出一种乘员保护策略, 在正面碰撞发生前, 主动旋转座椅朝向角度至正对安全气囊, 并通过仿真试验来验证该策略的有效性。
本文基于 2014 款本田雅阁轿车模型, 建立一个简化的台车模型(图 1)。该台车模型包括座椅、仪表台、前挡风玻璃、乘客安全气囊、三点式安全带和脚踏板等, 本文使用的模型均来自 NHTSA 官方网站(http://www.nhtsa.gov)。
根据 Singh 等[20]的研究, 通过对比 2014 款本田雅阁整车的正面碰撞和 NHTSA 左斜向 OMDB (ob-lique moving deformable barrier)正面碰撞试验, 本文使用的本田雅阁整车 CAE 模型与全车试验的加速度脉冲表现出良好的一致性。通过 THOR (test devi-ce for human occupant restraint)人体模型和GHBMC (global human body model consortium)人体模型的左右斜向 OMDB 正面整车碰撞仿真试验和 THOR 假人整车试验, 对乘员运动学、安全带载荷和损伤结果进行比较, 证明该整车模型的内饰、座椅、安全气囊和约束系统等有较好的逼真度, 可应用于仿真研究。
根据 Singh 等[20]的研究, 进行 2014 款雅阁汽车乘客侧安全气囊跌落试验, 将试验中安全气囊的运动学响应、冲击器加速度和位移等与仿真试验结果进行比较。结果表明, 乘客安全气囊模型具有良好逼真度, 因此, 该乘客安全气囊模型可应用于仿真研究。
图1 简化台车模型
Fig. 1 Simplified sled model
将本田雅阁整车斜向 OMDB 正面碰撞试验 B柱底部加速度曲线[20](图 2)作为边界条件, 施加到本文建立的简化台车模型上, 通过对比人体有限元模型(THUMS AM50Version 4.1)和 THOR 试验假人的运动学响应、头部质心加速度和安全带张力, 验证模型的有效性。
本文使用客观评分法[21](ORM)来评估仿真曲线与对标实验曲线的相似度, 计算方法如下: 这种方法又称为加权综合因子法, 通过对比峰值和曲线形状来评估两个曲线的相似度。实验(e(t))与仿真(s(t))的对比结果介于 0～100%之间, 0 表示无相关性, 100%表示完美的相关性。在目前的研究中, ORM 值高于 80%为良好, 60%～80%之间为一般或可接受[22]。
(1)
图2 斜向 OMDB 正面碰撞试验 B 柱底部的加速度
Fig. 2 B-pillar bottom acceleration oblique OMDB frontal collision test
台车模型中, 汽车座椅为前排乘客座椅, 为保证座椅在旋转过程中保持足够的刚度, 将座椅框架结构设定为刚性材料, 将安全带锚点、滑环和锁扣等也设定为刚性材料, 并与座椅框架结构刚性连接, 使其能在座椅旋转过程中与座椅的相对位置保持不变。乘员座椅初始朝向设置为±45°和±90°, 如图 3所示。本文模拟 2014 款本田雅阁 56km/h 的正面碰撞试验, 其加速度曲线[20]如图 4 所示。
本文提出的先旋转后碰撞的乘员保护策略, 即在预碰撞时间内, 安全带主动预紧, 座椅主动旋转至标准座椅朝向(0°方向), 使约束系统能够在碰撞发生前调整其特性和乘员姿态, 为即将发生的碰撞做准备。碰撞发生后, 仪表台安全气囊起爆, 缓冲吸收乘员冲击。根据 Savino 等[23]的研究, 目前自动驾驶汽车对不可避免的碰撞的预测时间最多为 350ms, 因此, 本文将座椅朝向角度的旋转时间控制在300ms 内, 旋转角速度的选择[24]如图 5 所示。
图3 乘员座椅初始朝向设置
Fig. 3 Initial orientation setting of occupant seat
图4 正面碰撞试验的加速度
Fig. 4 Acceleration of frontal collision test
本文将座椅主动旋转角度分别设置为±45°和±90°, 旋转轴设定为通过座椅坐垫结构质心的 Z轴方向。为了研究 300ms 内座椅主动旋转一定的角度是否会对乘员造成额外损伤, 仿真实验分别对旋转阶段和碰撞发生阶段进行乘员运动学响应和损伤风险分析。先旋转后碰撞模型的模拟实验时间轴线如图6 所示, 其中 t=0 时刻为碰撞发生时刻; 预碰撞阶段, 安全带预紧, 座椅朝向主动旋转至 0°; 碰撞阶段, 安全气囊起爆, 缓冲和吸收乘员冲击, 减少乘员损伤。
由于仿真实验无法设置负时刻, 故设置预碰撞阶段的安全带预紧开始时刻为 t=0 时刻。不同座椅朝向角度下的正面碰撞仿真试验设置如表 1 所示, 仿真时间共 145ms, 0～25ms 为安全带主动预紧; 25～145ms 为碰撞发生阶段。施加先旋转后碰撞策略下, 试验 5 和 7 的仿真时间共 345ms, 0～25ms 为安全带预紧阶段, 25～225ms 为座椅主动旋转阶段, 225～345ms 为碰撞发生阶段。根据 Savino 等[23]的研究, 本田雅阁汽车乘客侧安全气囊在碰撞发生后14ms 开始起爆, 因此, 在 239ms 时刻, 安全气囊开始起爆。试验 6 和 8 的仿真时间共 445ms, 0～25ms为安全带主动预紧阶段, 25～325ms 为座椅主动旋转阶段, 325～445ms 为碰撞发生阶段, 其中, 安全气囊在 339ms 时刻起爆。
图5 座椅旋转角速度
Fig. 5 Rotation angular velocity of seats
图6 模拟实验的时间轴线
Fig. 6 Timeline of simulation experiment
表1 不同座椅朝向的正面碰撞仿真试验参数设置
Table 1 Parameter settings for frontal collision simulation tests at different seat orientation angles
试验编号有无安全策略座椅初始朝向仿真时间/ms安全带预紧阶段碰撞阶段1无45°0～2525～1452无−45°0～2525～1453无90°0～2525～1454无−90°0～2525～145试验编号有无安全策略座椅初始朝向仿真时间/ms安全带预紧阶段旋转阶段碰撞阶段安全气囊起爆时刻 5有45°0～2525～225225～345239 6有90°0～2525～325325～445339 7有−45°0～2525～225225～345239 8有−90°0～2525～325325～445339
1.6.1 乘员头部损伤评价
在仿真试验中, 记录乘员头部质心(center of gravity, CG)的合成加速度和角速度, 计算头部损伤指标 HIC15 (head injure criterion)和头部旋转损伤指标(brain injury criterion, BrIC)[25]。
, (2)
。 (3)
式(2)中, t1和 t2为三轴合成加速度波形的任意时刻(t1<t2), a为头部重心的三轴合成加速度(m/s2), t为时间(s)。式(3)中, wxc, wyc 和 wzc 为标准角速度, 其值分别为 66.3, 53.8 和 41.5rad/s。
1.6.2 乘员颈部损伤评价
采用 Yoganandan 等[26]的方法, 测量乘员颈部前纵向韧带(ALL)、后纵向韧带(PLL)、关节囊韧带(CL)、黄韧带(LF)和棘突间韧带(ISL)的最大主应变, 根据相应的损伤阈值判断颈部韧带损伤。
颈部损伤标准 Nij由枕踝处测得的轴力和弯矩组合而成[27]:
(4)
其中, FZ为颈部张力(N), Fint为颈部张力与 Z轴的截距(N), My为伸展的弯矩(N·m), Mint伸展弯矩与 Y轴的截距(N·m)。50%人体模型对应的 Fint为 3370N, Mint为 62N·m[27]。
1.6.3 乘员胸腹部损伤评价
根据 Kitagawa 等[28]的研究, 通过测量图 7 中前后以及侧向节点位置的距离获得该位置处的胸骨变形量, 同时观察肋骨的骨折数量, 用于分析胸部的损伤。
人体肋骨由皮质骨和松质骨组成, 成年人肋骨的皮质骨和松质骨的塑性失效应变分别为 2%和 3%[29–30]。本文中, 肋骨骨折采用单元消去法, 即当某些单元的应力或应变达到设定值时, 这些单元在运算中被自动删除, 删除的单元可模拟骨折状态。
图 8 对比本文台车仿真试验 THUMS 人体模型与 Singh 等[20]的左斜向 OMDB 正面碰撞试验乘客THOR假人的运动学响应情况。
图7 胸骨变形量取点分布
Fig. 7 Point distribution of sternum deformation measurement
图8 碰撞试验乘客 THOR 假人与仿真试验 THUMS 人体模型的运动学响应对比
Fig. 8 Kinematic response comparison between occupant THOR dummy in collision test and THUMS human model in simulation
实验中, 14ms 时安全气囊开始展开, 25ms 时安全带预紧器启动并收紧; 35ms 时, 安全气囊未完全展开, 乘客未与安全气囊接触; 70ms 时, 安全气囊完全展开, 试验 THOR 假人和仿真试验 THUMS 人体模型都开始与气囊接触, 由于 OMDB 壁障与试验车辆撞击位置为左侧车宽 35%处, 在惯性作用下, THOR 假人和 THUMS 人体模型的上身均向车辆左前方偏移; 90ms 时, 乘客 THOR 假人和 THUMS 人体模型上身进一步向左前方偏移; 120ms 时, 乘客THOR 假人和 THUMS 人体模型头部均与仪表台冲击接触, 头部在与安全气囊的相互作用下, 出现明显的沿颈部的轴向偏转。THUMS 人体模型与试验THOR 假人的的运动学响应表现出较好的一致性。
图 9(a)显示, 仿真试验 THUMS 人体模型与试验假人 THOR 的头部加速度曲线走势和峰值基本上一致, 通过加权因子评分法得到两条曲线的相似度为 72%。图 9(b)显示, 试验假人 THOR 与 THUMS人体模型的安全带力曲线走势和峰值时刻基本上一致。在 18ms 前后, 由于安全带预紧导致安全带力曲线出现第一个波峰; 在 55ms 前后, 安全带力达到最大值, 采用加权因子评分法得到两条曲线的相似度为 81%。根据 Reichert 等[22]的研究, ORM 值高于 60%为可接受, 因此本文所用 THUMS 台车模型是有效的, 具有较好的逼真度。
图 10 为不同座椅朝向的乘员在正面碰撞仿真试验中的运动学响应。在±45°和±90°座椅朝向的正面碰撞中, 乘员在惯性的作用下均向碰撞侧偏移, 骨盆在安全带的约束作用下未完全脱离座椅。+45°和+90°座椅朝向乘员的安全带肩带均从乘员肩部滑落, 无法有效地约束乘员侧向和斜向偏移, 在惯性的作用下, 乘员上身和下肢向碰撞侧偏转并完全脱离座椅, 乘员姿态出现失控现象, 易造成乘员头部和身体与汽车内饰“二次碰撞”损伤。−45°和−90°座椅朝向乘员的颈部在 80ms 时已与安全带肩带接触, 造成严重的“卡脖子”现象, 颈部易因安全带的挤压造成严重损伤, 乘员上身和下肢也出现过度偏转的失控现象, 易造成乘员头部和身体与汽车内饰的“二次碰撞”损伤。
不同座椅朝向乘员头部 CG 的运动轨迹如图 11中红线所示, 可见乘员运动响应均出现严重失控现象, 头部严重侧向偏离座椅, 易造成头部与汽车内饰的“二次碰撞”损伤。以座椅为参照, ±45°座椅朝向乘员头部横向最大偏移量约为 610mm, +90°朝向最大偏移量约为 855mm, −90°朝向最大偏移量约为617mm。这主要是由于−90°坐姿乘员颈部出现安全带“卡脖子”现象, 限制了乘员头部偏移。
表 2 为正面碰撞中不同座椅朝向乘员的头部和颈部损伤预测结果。可以看出, 在−45°和±90°座椅朝向, 乘员的 BrIC 值均超过 1。由图 11 乘员的头部运动轨迹可知, 安全带无法有效地限制乘员头部的侧向位移, 但安全带腰带始终作用于乘员的骨盆, 因此乘员臀部未完全脱离座椅, 乘员头部出现绕臀部的旋转运动, 较大的头部旋转加速度易造成弥漫性脑损伤。在−90°座椅朝向, 乘员的 HIC15值为2083, 远大于阈值 700, 这主要是由于在−90°座椅朝向, 乘员颈部与安全带肩带出现严重“卡脖子”现象, 乘员颈部受安全带的挤压而被过度拉伸, 头部绕安全带肩带做旋转运动并与右侧手臂发生碰撞。4 种座椅朝向乘员的 Nij值均小于 1, 因此乘员颈部颈椎损伤的风险较小。
图9 THUMS 人体模型与试验假人 THOR 头部加速度和安全带力对比
Fig. 9 Head acceleration and seatbelt force comparison between THUMS human model and occupant THOR dummy
图10 正面碰撞中乘员在不同座椅朝向配置下的运动学响应
Fig. 10 Kinematic responses of occupants in different seat orientation configurations during frontal collision
图11 不同座椅朝向乘员头部 CG 运动轨迹(俯视图)
Fig. 11 Trajectories of head cg of occupants at different seat orientations (top view)
表2 乘员头部和颈部损伤风险预测结果
Table 2 Occupant head and neck injury risk assessment
座椅朝向BrIC值HIC15Nij +45°0.65297.00.20 +90°1.00496.00.25 −45°1.05338.70.19 −90°1.332083.00.36
说明: 粗体数字表示超过阈值, 下同。
表 3 为在正面碰撞中不同座椅朝向乘员的颈部韧带损伤预测结果。±45°和 90°座椅朝向乘员均有4 条韧带峰值应变超过阈值, −90°座椅朝向乘员 5 条韧带峰值应变均超过阈值, 由于缺少安全气囊对乘员头部位移的限制, 乘员颈部被过度拉伸, 导致乘员颈部韧带出现不同程度的损伤。
表3 乘员颈部韧带损伤风险预测结果
Table 3 Risk prediction of cervical ligament injury for occupants
颈部韧带损伤应变阈值损伤风险 +45°+90°−45°−90° 前纵向韧带(ALL)0.350.520.500.510.53 后纵向韧带(PLL)0.340.860.750.971.33 关节囊韧带(CL)1.482.001.673.934.77 黄韧带(LF)0.880.470.490.680.91 棘突间韧带(ISL)0.681.381.142.412.35
表 4 显示, 不同座椅朝向乘员胸部量测点峰值变形量存在较大差异, 其中胸骨和左下侧量测点峰值变形量较大, 主要是由于该量测点位于安全带肩带路径区域, 而安全带与胸部的作用力相对集中。
由图 12 可知, 90°座椅朝向乘员胸部肋骨出现一处骨折现象, −45°座椅朝向乘员胸部出现 9 处骨折风险, 骨折风险数量最多, 骨折位置集中于胸骨和肋骨连接处附近; +45°和−90°座椅朝向乘员胸部分别存在 5 处和 6 处骨折风险。
目前的汽车座椅设计未考虑到高速旋转。为防止乘员在高速旋转过程中下肢的过度偏移, 本文模型中, 在可旋转的汽车座椅上增加脚踏板和下肢挡板, 为保证脚踏板和下肢挡板与座椅同步旋转, 脚踏板和下肢挡板与座椅骨架刚性连接(图 13)。
图 14 展示不同座椅朝向乘员在先旋转后碰撞策略下的运动学响应。在碰撞发生前, 将座椅从初始朝向角度为±45°和±90°主动旋转至安全气囊方向, 然后进行正面碰撞的安全策略下的乘员运动学响应。为方便和清晰地观察乘员的运动学响应和安全气囊的起爆过程, 图中前挡风玻璃被隐藏。
表4 胸部量测节点的峰值变形量
Table 4 Peak deformation amount of the chest measurement node
量测位置峰值变形量 +45°+90°−45°−90° 胸骨上部−16.30−8.80−27.10−15.30 胸骨下部−20.40−15.70−21.00−7.08 右上侧−17.609.72−16.30−13.90 左上侧−5.4304.71−24.20−25.90 右中侧−9.68−7.6512.3016.60 左中侧4.287.31−17.30−22.80 右下侧18.10−25.6014.50−17.80 左下侧−44.10−44.30−31.2030.60 下外侧18.9010.8023.1017.10
图12 胸部肋骨骨折风险预测
Fig. 12 Risk prediction of rib fractures in the chest
图13 可旋转座椅
Fig. 13 Rotatable seat
图 14(a)和(c)中采用旋转速度曲线Ⅱ。0～25ms为安全带预紧阶段, 25～225ms 为碰撞前座椅主动旋转阶段, 225～345ms 为正面碰撞阶段, 其中安全气囊在 239ms 时开始起爆。图 14(a)中, 座椅主动旋转−45°(逆时针方向)过程中, 安全带始终作用于肩部, 乘员头部和上身出现一定的偏转。图 14(c)中, 座椅主动旋转+45°(顺时针方向), 在 120ms 时, 安全带肩带出现轻微“卡脖子”现象, 乘员头部和上身出现一定的偏转。239ms 时, 安全气囊开始起爆, 295ms 前后乘员头部开始与气囊接触, 由图 14(a)和(c)可明显发现, 虽然乘员头部由于座椅主动旋转存在一定的偏转, 但仍然在气囊中线附近与之接触, 安全气囊可以有效限制头部位移, 并吸收头部和胸部因惯性力产生的动能, 降低乘员头部与内饰发生“二次碰撞”的风险。
图14 不同座椅朝向乘员在先旋转后碰撞策略下的运动学响应(俯视图)
Fig. 14 Kinematic responses of occupants with different seat orientations under the safety strategy (top view)
图 14(b)和(d)中采用旋转速度曲线Ⅰ。0～25ms为安全带预紧阶段, 25～325ms 为碰撞前座椅主动旋转阶段, 325～445ms 为正面碰撞阶段, 安全气囊在339ms 时开始起爆。图 14(c)中, 座椅主动旋转−90°(逆时针方向), 在惯性的作用下, 乘员上身和头部出现明显的偏转, 安全带滑离肩部。图 14(d)中, 座椅主动旋转+90°(顺时针方向), 乘员颈部与安全带相互作用, 限制了头部和上身的偏转。安全气囊均有效地限制了头部位移并吸收头部和胸部的冲击动能, 降低乘员的损伤风险。
采用安全策略下, 不同座椅朝向乘员头部 CG的运动轨迹如图 15 中红线所示。可以看出, 乘员头部相对座椅的横向最大偏移量均在 300mm 左右, 且未偏离座椅, 乘员运动响应始终未出现失控现象。同时, 安全气囊可以有效限制乘员头部位移, 降低“二次碰撞”风险, 先旋转后碰撞策略将不同朝向的碰撞有效地转化为标准的正面碰撞形式。
在先旋转后碰撞策略下, 正面碰撞中不同座椅朝向乘员的头部和颈部损伤预测结果如表 5 所示。可以发现 BrIC 值、HIC15和 Nij均未超过损伤阈值, 表明在座椅主动旋转阶段和碰撞发生阶段, 乘员头部和颈部颈椎损伤风险较小。
表 6 为在正面碰撞中不同座椅朝向乘员的颈部韧带损伤预测结果。±45°座椅朝向乘员分别有 2 条韧带峰值应变值超过阈值, ±90°座椅朝向乘员分别有 3 条韧带峰值应变值超过阈值。
图15 安全策略下的不同座椅朝向乘员头部 CG 运动轨迹(俯视图)
Fig. 15 CG movement trajectory of the occupant’s head with different seat orientations under the safety strategy (top view)
表5 安全策略下的乘员头部和颈部损伤风险预测结果
Table 5 Risk prediction of occupant head and neck injuries under safety strategies
座椅朝向BrIC值HIC15Nij +45°0.53371.70.11 +90°0.91404.60.13 −45°0.64513.50.13 −90°0.95666.80.28
表6 安全策略下的乘员颈部韧带损伤风险预测结果
Table 6 Risk prediction of cervical ligament injury for occupants under the safety strategy
颈部韧带损伤应变阈值损伤风险+45°+90°−45°−90° 前纵向韧带(ALL)0.350.310.360.280.36 后纵向韧带(PLL)0.340.380.610.580.61 关节囊韧带(CL)1.481.191.350.581.34 黄韧带(LF)0.880.310.480.490.47 棘突间韧带(ISL)0.680.861.060.951.56
表 7 显示在先旋转后碰撞安全策略下, 乘员胸部肋骨不同量测点间的峰值变形量。不同座椅朝向乘员胸部量测点峰值变形量存在较大的差异, 其中胸骨以及左下侧和右上侧量测点峰值变形量较大, 主要是由于该量测点位于安全带肩带路径区域, 安全带与胸部的作用力相对集中。
表 8 为先旋转后碰撞安全策略下乘员胸部肋骨骨折的损伤预测结果。在座椅旋转阶段, 4 种座椅朝向乘员胸部肋骨均未出现骨折现象, 表明座椅主动旋转阶段不会对乘员胸部造成额外损伤。45°座椅朝向乘员胸部存在两处骨折风险, ±90°朝向乘员胸部存在 5 处骨折风险, −45°朝向乘员胸部存在 6 处骨折风险, 这是由于不同的旋转角速度导致乘员在碰撞发生前的姿态存在差异, 从而导致在碰撞发生后乘员的胸部肋骨骨折数量和位置存在差异。
表7 安全策略下的乘员胸部量测节点的峰值变形量
Table 7 Peak deformation of the occupant chest measurement node under the safety strategy
量测位置峰值变形量 +45°+90°−45°−90° 胸骨上部−21.50−25.00−25.30−26.50 胸骨下部−32.70−34.20−22.30−27.30 右上侧−26.50−28.60−14.20−26.80 左上侧−8.36−7.74−14.4014.60 右中侧−22.40−26.806.3814.80 左中侧−7.309.03−15.8012.50 右下侧−6.146.9720.7031.60 左下侧−56.90−48.30−40.70−49.10 下外侧12.3010.009.6411.30
表8 安全策略下的乘员胸部肋骨骨折风险预测结果
Table 8 Risk prediction of chest rib fractures for occupants under safety strategies
本文通过正面碰撞仿真试验中 THUMS 人体模型的运动学响应以及头部加速度和安全带力曲线与试验曲线进行对比, 并利用加权因子法评估仿真试验曲线与试验曲线的相似度, 发现头部加速度曲线的相似度为 72%, 安全带力曲线的相似度为 81%。曲线的 ORM 值均高于 60%, 因此本文构建的台车模型是有效的。
本文提出的正面碰撞发生前通过主动旋转座椅朝向至正对安全气囊的保护策略中, 设置座椅初试朝向角度为±45°和±90°, 并进行先旋转后碰撞的仿真试验来验证该保护策略的有效性。结果表明, 在座椅旋转过程中, 乘员下肢因挡板的约束作用而始终在可控范围内, 乘员的运动学响应未出现“失控”现象, 乘员头部相对座椅的横向最大偏移量均控制在 300mm 左右, 身体仅出现轻微偏转, 未脱离座椅, 与未应用该保护策略的仿真试验相比, 明显减小乘员的“二次碰撞”损伤风险。同时, 安全气囊可以有效限制乘员头部位移, 缓冲并吸收乘员的冲击动能, 降低损伤。
表 9 对比有无使用安全策略时不同座椅朝向乘员头部、颈部和胸部损伤预测的结果。在使用该保护策略后, ±45°和±90°座椅朝向乘员的 HIC15, BrIC和 Nij值均未超过损伤阈值。与未使用该安全策略相比, 乘员颈部韧带损伤数量明显减少, ±45°和±90°朝向, 乘员颈部分别有 2 条和 3 条韧带峰值应变超过阈值。对比乘员胸部损伤预测结果发现, 使用该安全策略后, 45°座椅朝向乘员胸部存在 2 处骨折风险(减少 3 处), −45°座椅朝向乘员胸部存在 6 处肋骨骨折风险(减少 3 处), −90°座椅朝向乘员胸部肋骨存在 5 处骨折风险(减少 1 处), 90°座椅朝向乘员在使用该保护策略后胸部肋骨存在 5 处骨折风险(增加 4 处)。这是由于在未使用安全策略时, 90°座椅朝向的正面碰撞形式近似远端侧面碰撞, 安全带无法有效地约束乘员的侧向偏移, 安全带滑离乘员胸部, 乘员胸部受到安全带法向载荷力较小。
表9 有无使用安全策略下的不同座椅朝向乘员损伤比较
Table 9 Occupant injury comparison of different seat orientations with and without safety strategies
是否使用安全策略座椅朝向头部损伤颈部损伤胸部骨折数量BrICHIC15Nij韧带损伤数量 未使用45°0.65297.00.2045 90°1.00496.00.2541 –45°1.05338.70.1949 –90°1.332083.00.3656 使用45°0.53371.70.1122 90°0.91404.60.1335 –45°0.64513.50.1326 –90°0.95666.80.2835
综上所述, 应用先旋转至安全气囊再碰撞的保护策略后, 在有效地降低乘员“二次碰撞”风险的同时, 不同座椅朝向乘员的头部、颈部和胸部的损伤风险也明显降低。
由于实验条件和相关技术的限制, 本研究主要基于模拟实验。座椅旋转是否会对乘员的身体造成不适, 目前无法用有限元方法进行分析。为此, 我们研究了 2021 年全运会女子体操比赛的视频, 其中运动员完成旋转 3 次约 2.3 秒的动作中, 平均角速度约为 470°/s, 90°的平均旋转时间约为 0.19 秒[31], 旋转角速度远高于本文安全策略中座椅的旋转角速度。因此, 本文提出的转速范围可能不会对人体造成不适。尽管如此, 仍然需要进一步研究, 来评估人类对旋转的耐受性。
本文基于有人驾驶车型的座舱环境去除方向盘、刹车踏板等汽车操纵装置来模拟未来智能座舱, 并引入新型主动安全策略, 研究多角度乘坐的乘员的碰撞安全, 可为后续智能座舱主动安全开发提供一定的研究基础。本文使用人体模型研究碰撞响应及其损伤在提供重要数据的同时, 也存在一些固有的局限, 比如乘员在面对危险时的主动响应是否会影响碰撞响应以及有限元模型的验证区间等问题, 后续会针对这些问题展开研究。
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Research on Airbag Protection Strategy for Occupants with Different Seat Orientations in Autonomous Vehicles
Abstract To improve the frontal crash safety of occupants with different seat orientations in autonomous vehicles, an occupant protection strategy is proposed. Occupants with non-standard seat orientations are actively rotated to the standard seat orientation (0° direction) before a frontal collision occurs. By changing the force direction on the occupant, the protection strategy converts the frontal collision form into the standard frontal collision form, thereby reducing injuries by using airbags. Then, a simplified sled model with seat orientations of ±45° and ±90° was established based on a Honda Accord vehicle model. By comparing the kinematic responses and injury risks of occupants with and without the protection strategy, it can be concluded: 1) The traditional three-point seatbelt restraint system cannot effectively limit the occupant’s diagonal and lateral displacement, leading to a higher risk of “secondary collision” injuries. 2) Under the combined restraint of the leg baffle and seatbelt, the seat completes a rotational angle of ±45° within 200 ms and ±90° within 300 ms. In the simulation test, the occupants with protection strategy can be effectively restrained on the seat without any loss of control in their posture. The risk of “secondary collision” injury is minimal, and there is also a low risk of additional damage to the head, neck, and chest of occupants. Therefore, the effectiveness of the protection strategy of actively rotating seat orientation to face the airbag directly is verified.
Key words occupant protection strategy; airbag; seat orientation; injury risk; autonomous vehicles