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(yàn)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(duì)于100%正面壁障碰撞試驗(yàn)形式，相比于C-NCAP管理規(guī)則2018版，試驗(yàn)形式、試驗(yàn)速度及試驗(yàn)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(biāo)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(biāo)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(duì)于100正面壁障碰撞試驗(yàn)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(yàn)的頭部傷害數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 頭部傷害指標(biāo)

1.1 頭部結(jié)構(gòu)

頭部分為面部和頭部(不包括面部)兩個(gè)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(dòng)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(shí)，頭部會(huì)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(duì)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(dá)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(yuǎn)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(zhǔn)HIC

通過Wayne State大學(xué)對(duì)頭部耐受性的研究，得到頭部加速度、沖擊持續(xù)時(shí)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(shí)間對(duì)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(shí)，存在生命危險(xiǎn)，即發(fā)生顱骨骨折(≥2)的可能性為31%;在耐受性曲線下方時(shí)，沒有生命危險(xiǎn)。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(gè)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(píng)價(jià)指標(biāo)。的計(jì)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(yàn)確定，采集的是腦后部的加速度，試驗(yàn)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(shí)間為36 ms，下角15表示碰撞持續(xù)時(shí)間為15 ms，表示碰撞持續(xù)時(shí)間在36 ms以內(nèi)的頭部傷害最大值，表示碰撞持續(xù)時(shí)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(shí)間段并不一定是在正好持續(xù)36 ms或者15 ms時(shí)長的時(shí)候出現(xiàn)。

WSTC的頭部沖擊試驗(yàn)代表的是標(biāo)定試驗(yàn)狀態(tài)下，整個(gè)沖擊持續(xù)過程中的加速度輸出。在實(shí)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(zhǔn)確判斷頭部承受沖擊力的準(zhǔn)確開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間。而的最大值計(jì)算理論上取從開始時(shí)間到結(jié)束時(shí)間整個(gè)沖擊過程中的最大值。

通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算值，取15 ms作為計(jì)算頭部傷害的最長持續(xù)時(shí)間，持續(xù)時(shí)間15 ms以上的值就不需要再計(jì)算了。

同理，評(píng)估側(cè)面撞擊試驗(yàn)對(duì)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(diǎn)，確定一個(gè)能夠取到最大值的持續(xù)時(shí)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(píng)估側(cè)面撞擊對(duì)頭部的損傷程度，在FMVSS214中定義了另一個(gè)指標(biāo)。

因此，碰撞持續(xù)時(shí)間分別為15 ms及36 ms即為經(jīng)驗(yàn)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(jì)算公式對(duì)WSTC耐受性曲線進(jìn)行計(jì)算，如圖4所示。

圖4 WSTC耐受性曲線HIC值計(jì)算

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

圖5 WSTC耐受性曲線HIC值統(tǒng)計(jì)

同WSTC曲線，當(dāng)值在該曲線上方時(shí)，存在生命危險(xiǎn);在耐受性曲線下方時(shí)，沒有生命危險(xiǎn)。

2 正面碰撞試驗(yàn)頭部傷害HIC36與HIC15持續(xù)時(shí)間對(duì)比

文中統(tǒng)計(jì)樣本為61次正面碰撞試驗(yàn)，分別統(tǒng)計(jì)了駕駛員與副駕駛員的頭部及數(shù)值最大時(shí)對(duì)應(yīng)的持續(xù)時(shí)間。

2.1 駕駛員HIC36與HIC15持續(xù)時(shí)間對(duì)比

對(duì)碰撞試驗(yàn)的實(shí)際與的持續(xù)時(shí)間進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，駕駛員與持續(xù)時(shí)間對(duì)比如圖6所示。

圖6 駕駛員HIC36與HIC15持續(xù)時(shí)間對(duì)比

由圖6可以看出，在統(tǒng)計(jì)的61個(gè)樣本中，有25個(gè)樣本出現(xiàn)最大傷害的持續(xù)時(shí)間是小于36 ms的，而出現(xiàn)最大傷害的持續(xù)時(shí)間均為15 ms。由此可知，當(dāng)以為考核指標(biāo)時(shí)，不同的車輛出現(xiàn)最大傷害值的持續(xù)時(shí)間值可能并不相同，根據(jù)WSTC耐受性曲線可知，持續(xù)時(shí)間不同，對(duì)人體造成危險(xiǎn)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(biāo)并不合適。而傷害指標(biāo)最大值出現(xiàn)均在持續(xù)時(shí)間為15 ms的時(shí)候，對(duì)于不同的車輛，考核指標(biāo)進(jìn)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(dāng)持續(xù)時(shí)間為15 ms時(shí)=630這個(gè)臨界值的。在<500時(shí)，表示不會(huì)有生命危險(xiǎn)產(chǎn)生;當(dāng)>700時(shí)，有生命危險(xiǎn)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(yán)格的假人傷害要求。

2.2 副駕駛員HIC36與HIC15持續(xù)時(shí)間對(duì)比

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

圖7 副駕駛員HIC36與HIC15持續(xù)時(shí)間對(duì)比

3 碰撞試驗(yàn)頭部傷害HIC36與HIC15傷害值對(duì)比

對(duì)正碰試驗(yàn)及側(cè)碰試驗(yàn)假人頭部及數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。統(tǒng)計(jì)共涉及碰撞試驗(yàn)室145次正面碰撞試驗(yàn)中駕駛員頭部和的數(shù)值，及105次側(cè)面碰撞試驗(yàn)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(duì)比

正面碰撞中駕駛員頭部和的對(duì)比如圖8所示。由圖可以看出，除個(gè)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(duì)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(duì)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(biāo)從限值1 000，修改為限值700之后，頭部傷害存在超限的風(fēng)險(xiǎn)。也證明C-NCAP管理規(guī)則2021版的主駕的頭部傷害值評(píng)價(jià)更為嚴(yán)格。

3.2 正面碰撞副駕駛員頭部傷害值對(duì)比

正面碰撞中副駕駛員頭部和的對(duì)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(duì)比

C-NCAP管理規(guī)則2021版相對(duì)于C-NCAP管理規(guī)則2018版，正面碰撞副駕駛員頭部傷害指標(biāo)評(píng)價(jià)保持為，與駕駛員傷害指標(biāo)保持一致，該頭部傷害指標(biāo)比較合理。

3.3 側(cè)面碰撞駕駛員頭部傷害值對(duì)比

側(cè)面碰撞中駕駛員頭部和的對(duì)比如圖10所示。

圖10 側(cè)面碰撞中駕駛員頭部HIC36和HIC15的對(duì)比

C-NCAP管理規(guī)則2021版相對(duì)于C-NCAP管理規(guī)則2018版，側(cè)面碰撞頭部傷害指標(biāo)評(píng)價(jià)保持為。由圖10可知，側(cè)面碰撞時(shí)，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(biāo)，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(shí)間的分析，和正面碰撞試驗(yàn)駕駛員、副駕駛員及側(cè)面碰撞試驗(yàn)駕駛員及數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，得到了修改為使不同車輛頭部傷害評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)更為統(tǒng)一，頭部評(píng)價(jià)也更為嚴(yán)格的結(jié)論。此次分析為碰撞試驗(yàn)頭部傷害的研究提供了支持。