汽车碰撞试验 之 乘员伤害评价指标

道路交通安全问题

道路千万条、安全第一条。

全球每年因交通事故造成的伤亡数字触目惊心，打个不太恰当的比方，当您花了5分钟看完这篇文章后，大概就有10人因车祸失去了生命，很悲伤但很现实。有交通的地方必定有事故，问题无法回避，只有设法减少事故的发生和人员伤亡。

政策层面，可以提高道路安全管理、加强交通安全教育和规范、颁布汽车安全法规、引导车企提升车辆安全性。如政府发布法令禁止酒后驾车、强制佩戴安全带。

技术层面，可以推广安全技术法规和NCAP；提高主动安全、碰撞安全和智能驾驶等技术手段。如安全气囊、儿童约束系统的应用和推广，避撞和辅助驾驶系统的完善和降本。

本文今天要介绍的内容和“碰撞安全技术”相关，该技术旨在减少人员在碰撞过程中与结束后的损伤。其包含车身耐撞设计、约束系统设计、行人保护设计、防火和自动报警设计。汽车座椅/头枕的安全性设计，属于约束系统设计部分。

在解决“如何减少人员在碰撞中的损伤”这一技术难题之前，人们还需要搞清楚，

1. 人体在冲击下的响应及损失过程是什么样的？

2. 人体损伤发生的参考指标及其阈值该怎么定义？

然后才能对症下药，设计出不超过损伤发生阈值的车辆、约束装置和座椅。

碰撞生物力学

专注于研究上述问题的领域叫碰撞生物力学，他们重点研究人体部位（如头部、胸部、颈部、胸部、骨盆、大腿等）在外部冲击载荷下的响应，然后从统计学角度算出损伤的评价指标和阈值。

举个例子，参考简明损伤准则AIS三级标准（导致死亡概率低于10%），此时股骨不能发生骨折，那么就需要获取人体股骨发生骨折的的评价指标和阈值来指导设计。

第一步，通过事故调查、仿真和试验进行响应分析，可以发现骨折主要原因是膝关节与车身接触，导致股骨受压弯曲后骨折。

第二步，建立轴向压力-骨折的关系，通过多次的轴向压缩试验，测得股骨发生骨折的临界压力。但是股骨来源不同结果也不同，简单的例子，老年人显然比中年人更容易骨折。

第三步，基于测试结果，拟合轴向压力与股骨损伤风险函数。发现载荷5kN时骨折概率是4%，载荷9kN时骨折的概率为29%，15kN时骨折概率为100%。

第四步，基于以上函数，标准制订者各取所需。有的地区认为低于29%的骨折风险可以接受，于是在法规中将股骨的轴向压力上限定义为9kN，如GB11551。有些NCAP要求比较高，只接受骨折风险低于3%，将其定义为3.8kN，如Euro-NCAP。

所以法规中定义的评价阈值，并不是表示受伤的极限，只是意味着“导致某种程度伤害的可能性”。

上述步骤中，如何获取人体响应和损伤载荷的数据是个非常重要的环节。

美国韦恩州立大学的Lawrence Patrick教授是该领域的开山鼻祖，也被誉为碰撞假人之父。他常把自己和学生当志愿者，来做一些损伤不大的试验。比如用摆锤撞击胸口来模拟方向盘的冲击。或坐在加速或减速运动的汽车座椅上，来观察人在碰撞过程的运动响应。对于一些载荷很大的碰撞试验，则使用捐赠的尸体或者活体动物来做替代品。

这些手段听似残忍，但却为当前碰撞安全设计的评价指标提供了重要数据支撑。如头部损伤评价指标HIC，是美国韦恩州立大学的研究人员将多个尸体的头部从空中坠落至钢板，测量加速度并观察是否会出现线性骨折，再拟合成韦恩伤害曲线WSTC，来表示头部加速度、持续时间和损伤之间的关系。后经演变，成为现在评价人员头部伤害最常用的指标。

上述试验对象各自都有鲜明的缺点，并且在伦理角度也很难被社会接受。后来他们基于志愿者/尸体/动物的试验数据，设计出与人体尺寸和运动响应相同的碰撞假人和计算机模型，用它们来替代活体进行试验和汽车产品的安全性验证，将人员的损伤响应通过假人的物理量来表现。

举两个例子，

如果要验证头部乘员是否有脑震荡或颅骨折的风险，只需在假人头部安装加速度传感器，输出加速度-时间曲线，然后求出HIC进行评估。

如果要验证乘员胸部是否会有肋骨断裂的风险，只需在假人胸部安装位移传感器，输出位移（转角）-时间曲线，然后计算出胸部压缩率或黏滞指数VC进行评估。

那么乘员保护碰撞试验需要考察哪些部位，哪些损伤基准？啰嗦了那么多，终于进入本文的正题，，，

乘员损伤机理与基准

一般来说，各国法规和NCAP需要评估大脑、颈部、胸部、下肢这四个部分的伤害情况，其中下肢包含骨盆、大腿、膝关节、小腿、足关节、足部这五个小部位。

该领域的研究成果颇多，并非所有的都被法规和NCAP采用，以下介绍的损伤机理和评价基准指数只是平时工作常遇到的部分内容。

头部损伤机理

头部损伤基准

颈部损伤机理

颈部损伤基准

胸部损伤机理

胸部损伤基准

下肢损伤机理

下肢损伤基准

法规与NCAP碰撞生物力学测量限值

*表格数据来源：邱少波 《汽车碰撞安全工程》

以上便是本次分享的全部内容，感谢阅读。

汽车碰撞安全技术是一门复杂的学科，笔者仅是管中窥豹，盲人摸象。想要了解更多内容，可以学习邱少波的《汽车碰撞安全工程》、水野幸治的《汽车碰撞安全》、冈克己的《汽车安全技术》，张金换的《汽车碰撞安全设计》。