乔维高;商博
【摘 要】在MADYMO软件中使用BioRID Ⅱ后碰撞假人建立追尾碰撞模型,分析了头枕位置和倾角参数对汽车发生追尾碰撞时头颈部动力学的影响,并使用颈部损伤准则值NIC和Nkm来评估颈部损伤的风险.仿真结果表明这些因素对颈部的动力学响应有着重要影响,高而且靠近头部,并且有适当增大倾角的头枕,有助于减小颈部的损伤.%Head restraint plays a very important part in protecting the occupants during the rear impact. The present study investigated the effects of the position, tilt angle of the head restraint on the biomechanical responses and related injury measures of the neck in a rear-end impact. A series of simulated rear-end impacts were conducted by applying a rear-end impact model, which is developed in the MADYMO package by using the BioRID II dummy. Then, the neck injury criterion (NIC) and JV-km were utilized to assess the likelihood of injury. The results show that modifying the head restraint may influence the head-neck kinematics to a great extent. It is possible to reduce the neck injury risk by positioning the head restraint higher and closer to the head, and with a proper larger tilt angle.
【期刊名称】《交通信息与安全》
【年(卷),期】2011(029)006
【总页数】5页(P81-84,93)
【关键词】颈部伤害;头枕;BioRIDⅡ;追尾碰撞
【作 者】乔维高;商博
【作者单位】武汉理工大学汽车工程学院 武汉430070;武汉理工大学汽车工程学院 武汉430070
【正文语种】汽车头枕中 文
【中图分类】U462
颈部损伤在汽车追尾碰撞中是最为常见的一种伤害形式，这种伤害通常是在低速碰撞造成的（Δv≤20km/h），并且大多数的颈部损伤都属于AIS＝1的轻微伤。头枕是汽车追尾碰撞中减
少损伤的安全部件，在乘员的保护中起着最为重要的保护作用，自从头枕被引入到汽车的座椅后，汽车发生碰撞时颈部的伤害明显减轻。本文在MADYMO碰撞仿真软件平台上，使用BioRID II后碰撞假人建立追尾碰撞模型，系统分析头枕位置、倾角这些头枕参数对乘员头颈部的动力学响应和颈部损伤的影响。
1 追尾碰撞中人体颈部伤害机理及仿真分析
1.1 模型建立
在MADYMO软件平台上建立追尾碰撞仿真的计算模型[2]，见图1，头枕的各个参数见图2。整个模型包括车辆、座椅、BioRID II假人和3点混合式安全带系统。
碰撞的加速度曲线见图3，碰撞的速度Δv为16km/h，峰值为9 g，持续时间为90ms，满足FMVSS NO.202动态测试的要求。
图1 追尾碰撞分析的MADYMO模型Fig.1 MADYMO model for rear－end Impacts
图2 头枕各参数示意图[3]Fig.2 The head restraint parameters
图3 碰撞加速度曲线Fig.3 Curve of impact acceleration
车辆由单个刚体组成，包括地板，脚踏板，膝挡板3个面及制动踏板和加速踏板2个体。座椅由坐垫、靠背和头枕3个刚体组成。整个车辆系统通过一个固定铰与惯性空间连接，整个座椅系统通过一个移动铰与车辆系统的子体Frame连接，坐垫通过转动铰链与Frame连接，靠背通过旋转铰与坐垫连接。座椅和头枕的吸能特性在MADYMO通过定义卸载函数，迟滞模型来实现。BioRID II假人模型和座椅间的摩擦系数设置为0.6，和头枕之间的摩擦系数设置为0.3。各个铰的约束特性通过准静态试验获得。
安全带系统采用有限元和标准多体安全带模型组成的混合安全带系统，假人模型为BioRID II后碰撞假人。
1.2 参数分析
通过27次模拟试验来分析头枕的高度（height），头枕和头部的间距（backset）以及头枕倾角（tilt angle）对头颈部动力学的影响。根据FMVSS No.202的说明，头枕的高度分别为700、750和800mm，在每一个头枕高度上，头枕和头部的间距依次为50，80，110mm，并
且在每一个Backset时，相应的头枕的倾角分别为0、7.5、12°[3，5－6]，见表1。输出参数包括头部和 T1 的加速度，上颈部的剪切力、轴向力、弯矩，以及颈部伤害准则NIC和Nkm。
表1 头枕的参数分析Tab.1 Analysis of the head restraint parameters高度/mm以下头枕与头部的间距（mm）及头枕倾角（°）时头枕参数50 0 7.5 12 80 0 7.5 12 110 0 7.5 12 700b01b02b03b10b11b12b19b20b21 750b04b05b06b13b14b15b22b23b24 800b07b08b09b16b17b18b25b26b27
3 结果分析和讨论
表2和表3分别为头部和T1x向加速度的结果，可见头枕的参数对头部和T1x向加速度有很大影响，头枕的高度决定头部和头枕的接触位置，而头枕的头部的间距和头枕的倾角影响头部和头枕的接触时间，以及头部和胸部的相对位移和转动。头部加速度的峰值随着头枕的高度的增加，头枕间距的减小以及头枕倾角的增大而减小；对于T1的加速度，其峰值随头枕的高度的增加，头枕间距的减小而减小，但是随着头枕的倾角增大而增大。
表2 头部加速度峰值及对应时刻Tab.2 Peak value of the head acceleration间距/mm以下高度（mm）及头枕倾角（°）时的头部加速度（g）及对应时刻/ms 700 0 7.5 12 750 0 7.5 12 800 0 7.5 12 50 27.000（104.5）25.510（100.4）25.159（96.7）26.837（104.8）25.946（103.4）25.268（101.9）26.637（104.8）25.926（104.5）25.608（104.2）80 25.108（110.4）24.996（107.6）24.683（106.8）24.914（110.5）24.662（109.1）24.437（107.2）23.843（110.0）23.217（109.5）23.611（109.3）110 21.04（118.0）21.602（114.7）22.098（111.4）20.747（118.1）20.239（116.7）20.008（115.7）15.746（116.2）15.646（116.35）15.101（116.4）
表3 T1加速度峰值及对应时刻Tab.3 T1peak value of the head acceleration间距/mm以下高度（mm）及头枕倾角（°）时的头部加速度（g）及对应时刻/ms 700 0 7.5 12 750 0 7.5 12 800 0 7.5 12 50 10.709（94.4）10.991（88.5）11.185（88.0）10.606（90.0）10.854（88.9）11.083（88.4）10.522（94.8）10.694（89.2）10.881（89.2）80 10.862（94.4）10.816（93.1）11.841（84.7）10.798（89.6）10.841（89.2）11.087（88.4）10.731（79.5）10.736（79.7）10.779（79.7）110 11.385（87.6）11.189（86.8）11.878（79.6）11.291（87.6）11.328（87.7）11.471（86.8）11.186（87.6）11.199（87.6）11.
206（87.6）
总体上来说，上颈部的剪切力、轴向力随着头枕高度的增加，头枕和头部距离的减小以及头枕倾角的增大呈现明显减小的趋势，见图4、图5。但是上颈部的弯矩仅在头枕角度为0°时才随着头枕高度增加和头部距离的减小表现出减小的趋势，见图6。
头枕的参数对颈部损伤准则NIC值也有着很大的影响，如图7所示。当头枕的高度增加，头枕和头部距离的减小以及头枕的倾角增大时，NIC值呈现出明显减小的趋势。
图4 上颈部剪切力Fig.4 Shearing strength in upper neck
图5 上颈部轴向力Fig.5 Axile force in upper neck
图6 上颈部弯矩Fig.6 Torque in upper neck
图7 颈部损伤准则值NICmaxFig.7 Neck injury cost NICmax
而颈部损伤准则Nkm则仅受头枕和头部距离的影响最大，见图8，当头枕和头部距离的减小时，Nkm值显著减小。从整体上来看，Nkm值随着头枕倾角的增大而减小，但是仅在头枕倾
角为0°时，Nkm值才随着头枕高度的增加，头枕和头部距离的减小表现明显减小趋势。
图8 颈部损伤准则值NkmFig.8 Neck injury cost Nkm
在相同的头枕角度时，随着头枕的高度增加，头部和头枕的接触部位由颅底变化到头的后上部，头枕对头部的反作用力逐渐由向前变化到向上，使得上颈部的轴向力随着头枕高度的增加而减小。由于在较低的头枕位置时，乘员的头部会在发生追尾碰撞时沿座椅向上滑动使头部越过头枕的顶部，增高的头枕结合减小的头枕距离可以有效阻止这种趋势，从而减小剪应力。此外，头部与头枕距离的减少以及头枕倾角的增大，使得头部更早的与头枕接触，减小了头部相对于胸部的转动角度，同时头枕高度的增加，也有效的减小了头部的向后运动，这就减少了头部和胸部相对运动的差异，从而使颈部损伤的风险降低。表2和表3表明，随着头枕角度的增大，头部x向的加速度峰值减小，而T1x向的加速度峰值减小量相对较小，NICmax和Nkm的值也有减小的趋势。头枕角度的增大，一定程度上使得头部和头枕的接触时间变短，也抑制了头部的向后转动的趋势，从而减少了头部和胸部相对运动的差异使NICmax和Nkm值都有所变小，但其影响相对头枕的高度和Backset较小。
3 预防追尾碰撞保护系统设计
3.1 预防追尾碰撞保护系统组成
追尾碰撞预防保护系统由传感器、碰撞控制单元（central ECU）和执行元件等组成，见图9。
图9 系统结构框图Fig.9 System construction
3.2 系统控制流程
1）2车安全距离。假设2个车辆分别为A和B，初始距离为S0，在计算行驶中前后2辆车的安全距离S＊时作如下假设：①2车同向匀速行驶，后面车辆（B）速度大于前车（A）速度，两车不断接近；②2车均按点目标考虑，则两车的安全距离S＊定义为B车减速到与A车车速相同时（即两车的相对速度为零时）两车的距离。设A车的速度为va，B车的速度为vb，B车的速度由vb减小到va的制动减速度为ab，考虑到驾驶员的反应时间τ＇1和制动器的反应时间τ2，则
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