六点式安全带对生物损伤防护的试验研究
作者：万鑫铭 ,尹志勇，孙浩，杨光瑜
【摘要】 本研究通过虚拟试验对比分析六点式安全带和普通三点式安全带对假人的防护效果，并对假人的头部、胸部的损伤进行评价。结果表明六点式安全带可很好地保护头部和胸部，其防护效果明显优于三点式安全带。通过对比分析，提出了六点式安全带损伤防护机制。
【关键词】 生物损伤;安全带;碰撞试验;损伤机制
对车内乘员的保护是被动安全研究的热点，而安全带是乘员保护的主要装备，防护效率高。Malliaris等[1]根据NASS/CDS1998～1994和FARS1991～1994事故数据分析获得针对约束系统的防护效率：安全气囊+安全带为(56.3±3.2 )%，单纯安全带为(48.5±5.5)%。但是普通的三点式安全带仍然存在诸多不足，如直接的集中作用力于胸部，易造成致命伤害;极有可能发生“下潜”的现象，造成腹部、颈部和肩部的伤害[2]。Viano[3]、Bostrom等[4]分别对三点式和五点式安全带进行了试验研究，结果表明五点式安全带能有效降低正碰下胸部压缩量，同时在侧碰和翻滚条件下有良好的保护效果。本文着重研究六点式安全带相对于三点式安全带的人体损伤研究，采用虚拟试验和生物试验相结合的手段进行分析，从而获得六点式安全带对胸部、头部损伤的研究，从生物力学角度分析六点式安全带的防护机制。
材料与方法
1 虚拟试验 采用LS?DYNA分析工具，并且利用其标准的假人进行48km/h的正面碰撞试验，对假人进行三点式和六点式安全带的约束，并重点分析碰撞对假人头部、胸部和腹部等部位的损伤情况。模型建立和验证：在正常坐姿假人下进行了六点式与三点式安全带的布置，建立了相应的仿真模型(图1)。
图1 a.六点式安全带约束仿真模型;b.三点式安全带约束系统
为了验证模型的有效性，进行六点式安全带的速度为48.6km/h，根据试验的设置设定了模型的相关边界条件和参数。
2 生物试验 在生物试验中，重点关注保护效果对比显著的部位，如对头部和胸腹部进行细致测量，并通过解剖明确肋骨和胸腹部明确内脏的损伤情况，以虚拟试验结论指导生物试验，以期获得两类安全带对生物体的实际保护效果。根据结果对比需求，分别对六点式和三点式安全带进行了猪碰撞试验。
试验台车采用碰撞试验室的刚性台车，并安装GB14166所规定的刚性座椅。碰撞吸能装置采用吸能梁来缓冲台车碰撞，该吸能装置应保持台车碰撞减速度波形符合ECE R16所规定的型式。流程需要按照以下顺序进行：试验动物选择健康、体型适中(约30kg)的猪。试验前4小时内禁食，并称重，测量体型尺寸;采用戊巴比妥钠进行麻醉;在头部安装加速度传感器，腹部安装压力传感器;采用易断医用垫布包裹猪躯干，六点式安全带和三点式安全带固定猪，保持猪坐立。进行猪碰撞试验并行解剖，观察记录内部器官损伤情况。
3 结果
3.1 虚拟试验模型对比：三点式和六点式安全带对假人的保护有各自的特点，在前述的虚拟试验条件下，对假人损伤值的影响见表1。 表1 六点式和三点式安全带的防护效率仿真对比分析
安全带类型头部颈部剪切力颈部弯矩胸部压缩量(HIC36)(N_F/N)(N_M/Nm)(ChestD/mm)六点式安全带550.852450.4107.7333.4三点式安全带645.592452.1137.1240.8
从表中结果显示，相对于三点式安全带，六点式安全带对乘员的综合保护提高了许多，尤其降低了胸部的压缩量，避免了对内脏的损伤。
3.2 生物试验结果 碰撞试验在六点式安全带约束条件下，猪位置保持良好，而三点式安全带约束下，猪碰撞后滑出(图2)。
安全带试验数据统计分别采用统计表和曲线对比(表2、3)。台车的碰撞速度、加速度基本一致，六点式安全带约束下的猪无明显损伤，而三点式安全带约束下猪有多处损伤，说明六点式安全带的保护效果优于三点式安全带。腹部压力数值中，六点式安全带约束下腹部测量位置的相对压力最大值为0.204kPa，略大于三点式安全带约束下的对应值，但仍只有标准大气压的千分之二，没有对腹部造成直接损伤。造成六点式安全带压力值较大的原因为：六点式安全带的中央连接盘位于腹部位置，六根安全带的合力汇聚于此，造成了该部位压力略大，而三点式安全带只有腹带从此经过，受力相对较小。
六点式安全带约束下猪头部加速度曲线规则没有出现明显的接触跳跃，整个加速度值处于较低水平。腹部压力值从18ms开始上升，峰值约为0.2kPa，曲线平滑。三点式安全带约束下猪头部加速度存在明显的接触碰撞，且发生在100ms之后，从高速摄像分析为碰撞回弹后头部撞到了头枕所致。腹部压力处于较低水平，峰值约为0.06kPa(图3)。
讨 论
本研究主要目的为明确六点式安全带的损伤防护机制，通过机械假人虚拟试验和猪生物试验进行了对比分析。两类试验的基本条件一致，碰撞速度均保持在48km/h，只进行约束系统的替换，以保证两类安全带试验对比分析的有效性。选择该速度主要考虑到猪在此速度下能够形成一定的直接损伤，利于对损伤机制的研究。损伤结果，重点考察头部加速度和腹内压力，头部加速度可通过三向加速度传感器测得，但是胸部加速度和压缩量难以布置加速度传感器，因此选择压力传感器以测定安全带对腹部的挤压影响，从而合理评价安全带的保护效果。表2 安全带试验数据台车信息表3 安全试验数据猪信息
三点式安全带约束下的猪存在明显的损伤，六点式安全带则无明显损伤。同时三点式安全带导致的头部加速度和HIC值已经数倍于六点式安全带，说明六点式安全带能够很好地约束住生物体，有效防止安全带与生物体的二次碰撞(由于间隙产生)。三点式安全带的主要受力集中在肩带和腹带，由于肩带的接触面积大，而且贯穿整个猪的躯干，承载大部分的冲击载荷，导致腹带处所承受的冲击载荷较低。而六点式安全带的中心连接盘位于腹部，六根安全带的冲击力汇聚在此处，导致此处的腹部冲击力较大，因此六点式安全带约束下所形成的腹部压力较高于三点式安全带。这种设计主要为了提供较好的胸部保护效果，原因为：(1)腹部主要包含了肠胃等软质器官，相对于胸部，承受外界破坏的能力较高;(2)腹部内部器官的损伤对生命的威胁程度较胸部低;(3)人体的重心在胸部靠下部位，此处的受力可以更好地支撑住人体，提高约束效果。
综上所述，六点式安全带的损伤防护机制为：(1)更贴身的约束，降低了安全带松弛带来的二次碰撞，有效降低头部损伤;(2)更大的安全带接触面积，降低作用于人体的压强，有效降低对皮肤的勒伤;(3)合理的作用力分布，适当增加腹部的承受载荷，降低对胸骨的直接挤压，有效降低胸骨压缩量;(4)约束大腿，防止人体下潜。有效降低大腿直接冲击，并防止安全带失效。对六点式安全带损伤机制进行进一步的研究需要对生物试验进行参数化分析，同时借助仿真手段对柔性体假人进行六点式安全带约束的分析，可有效地分析对人体损伤的防护机制。
【】
]Malliaris ACD,De Blois JH,Digges KH.Airbag field performance and injury patterns[C].SAE International Congress and Exposition,Detrioit,Michigan,USA.1996,SAE.Paper No.960659.
[2]郭九大，林逸，王大龙.汽车前碰撞中安全带约束效率[J].吉林大学学报，1998,28(2):63-68.
[3]Viano D,Arepally S.Assessing the safety performance of occupant restraint systems[C].Proceedings of the 34th Stapp Car Crash Conference,UMTRI Michigan USA,1990.SAE Paper No.902328.
[4]Bostrom O,Haland Y.Benefits of a 3+2 point belt system and an inboard torso side support in frontal,far?side and rollover crashes[C].17th international technical conference on the enhanced safety of vehicles,Amsterdam,2001.No.451.
