李海巖，蘇航杰，祝 賀，劉 沖，王彥鑫，崔世海，賀麗娟，王一達，呂文樂

（1.天津科技大學(xué)，現(xiàn)代汽車安全技術(shù)國際聯(lián)合研究中心，天津 300222；2.吉利汽車研究院（寧波）有限公司，寧波 315336）

前言

根據(jù)世界衛(wèi)生組織最新統(tǒng)計報告，全球5歲以下兒童的死亡率大幅上升，我國5歲以下兒童死亡率為9.9%，是歐洲平均水平的3倍、美國的1.5倍，其中道路交通傷害是我國1-14歲未成年人死亡的第二大主因［1］。另據(jù)NHTSA數(shù)據(jù)統(tǒng)計，美國近5年乘用車正面碰撞事故占事故總數(shù)的50%以上［2］。世衛(wèi)組織通過分析兒童乘員在道路交通中的傷亡情況，發(fā)現(xiàn)在有兒童參與并出現(xiàn)死亡的交通事故中，正面碰撞事故約為34%［3］。因此，開展道路交通事故中兒童安全性研究以減少傷亡是十分必要的。

中國新車評價規(guī)程C-NCAP（2021版）基于中國道路交通事故、國際前沿汽車試驗技術(shù)等一系列研究，在原有碰撞試驗的基礎(chǔ)上，提高了試驗難度和兒童乘員保護要求：在正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗中將后排Q3兒童假人的損傷評價指標(biāo)作為兒童保護部分的評分依據(jù)，填補了我國兒童乘員保護的空白；使用正面50%重疊移動漸進變形壁障碰撞試驗替代正面40%重疊可變形壁障碰撞試驗，通過碰撞兼容性考核推動大車小車和諧一體的交通環(huán)境［4］。C-NCAP等法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的更新迭代，旨在提升汽車的安全性能，為道路交通參與者提供更好的安全保護。

人體損傷生物力學(xué)作為汽車安全研究的重要分支，在推動汽車安全性能提升方面起著十分重要的作用。隨著公共安全意識的提升，汽車主機廠和消費者高度關(guān)注整車的安全性能，研究人員就如何更好地保護車內(nèi)乘員并提高整車安全性能做了大量深入研究。在整車安全性測試試驗中往往會采用尸體和動物試驗、碰撞假人、計算機有限元仿真等方法對人體的損傷機理進行研究［5-6］。但由于倫理原因，尸體與動物試驗受到人權(quán)組織和動物保護協(xié)會抵制而被限制，現(xiàn)階段人體損傷生物力學(xué)的研究大多采用碰撞假人和人體有限元模型進行仿真計算。碰撞假人有限元模型，如HybridⅢ系列假人、THOR假人、Q系列兒童假人等，在汽車碰撞安全開發(fā)設(shè)計中得到廣泛應(yīng)用，但相對于人體復(fù)雜的組織結(jié)構(gòu)特征而言，假人模型無法準(zhǔn)確模擬人體的絕大部分器官，生物仿真度須進一步提高，因此其在研究人體損傷機理方面有一定的局限性。隨著計算機仿真技術(shù)的發(fā)展，人體有限元模型成為整車研發(fā)和人體損傷機理研究的重要工具。日本豐田汽車公司［7］開發(fā)了Total Human Model for Safety（THUMS）家族系列有限元模型，包括3歲、6歲、10歲兒童和5th、50th、95th成人有限元模型。全球人體模型聯(lián)盟（the global human body models consortium，GHBMC）開發(fā)了男性、女性和6歲兒童的行人及乘員模型。天津科技大學(xué)現(xiàn)代汽車安全技術(shù)國際聯(lián)合研究中心李海巖團隊［8-10］基于醫(yī)學(xué)影像獲取幾何數(shù)據(jù)構(gòu)建了具有中國人體特征的高仿真度人體有限元模型——圖斯特損傷仿生模型（TUST injury bionic models，TUST IBMs），包括小身材女性模型（TUST IBMs F05）、3歲兒童模型（TUST IBMs 3YO）、6歲兒童模型（TUST IBMs 6YO）。此外，美國Sandia國家重點實驗室、福特汽車公司、密歇根大學(xué)、清華大學(xué)和湖南大學(xué)等也都在致力于開發(fā)生物力學(xué)人體有限元模型。

基于上述研究成果，本文應(yīng)用圖斯特3歲兒童乘員損傷仿生模型（TUST IBMs 3YO-O），基于CNCAP（2021版）乘員保護動態(tài)試驗，搭建正面100%重疊剛性壁障（FRB）碰撞和正面50%重疊移動漸進變形壁障（MPDB）碰撞仿真試驗?zāi)Ｐ停瑢UST IBMs 3YO-O模型在正面碰撞工況中的損傷響應(yīng)進行研究分析，為C-NCAP等法規(guī)中關(guān)于兒童乘員的保護和損傷評估提供理論依據(jù)，也為數(shù)字化測評技術(shù)研發(fā)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 試驗方法

應(yīng)用天津科技大學(xué)現(xiàn)代汽車安全技術(shù)國際聯(lián)合研究中心開發(fā)的圖斯特3歲兒童乘員損傷仿生模型（TUST IBMs 3YO-O），該模型基于一位中國3歲兒童志愿者醫(yī)學(xué)檢測CT數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)獲取人體組織器官的幾何信息，采用有限元網(wǎng)格表征人體各部分，如全身骨骼、大腦、心臟、肝、脾、肺、腎、韌帶、肌肉、皮膚等組織器官特征，準(zhǔn)確再現(xiàn)體內(nèi)器官及其連接結(jié)構(gòu)的布局，采用不同的力學(xué)本構(gòu)關(guān)系定義不同部位的材料屬性，先后構(gòu)建了頭部、頸部、胸腹部以及四肢等具有詳細解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的有限元模型，并經(jīng)過有效性驗證［11-15］，通過共節(jié)點連接得到整人有限元模型，參考人體坐姿軀干角度，完成3歲兒童乘員有限元模型的構(gòu)建。該模型身高101.6 cm，坐高58 cm，體質(zhì)量15.8 kg，以六面體單元為主，共58.8萬個節(jié)點，73.2萬個單元，包含中國3歲兒童人體的主要組織結(jié)構(gòu)特征，如圖1所示。

圖1 圖斯特3歲兒童乘員損傷仿生模型

本研究采用的整車有限元模型來自美國國家碰撞分析中心NCAC汽車模型數(shù)據(jù)庫，該整車模型通過重構(gòu)NCAP第3248號剛性壁障正碰試驗驗證了模型的有效性。為減少模型計算量，提高仿真效率，對整車模型中不參與乘員碰撞的部分進行了簡化。在Hypermesh前處理軟件中，將與人體碰撞無關(guān)的部件刪除，并施加集中質(zhì)量代替刪除部分，以確保簡化后的模型與原模型質(zhì)量一致，最終得到與乘員碰撞有關(guān)的車身結(jié)構(gòu)包括車門框架、底盤、A柱、前后座椅等，并在Pam-Crash中建立相應(yīng)的屬性、材料以及part間的聯(lián)系。仿真中采用的兒童約束系統(tǒng)是基于國內(nèi)某款兒童安全座椅的幾何參數(shù)逆向建模構(gòu)建的有限元模型，并進行了有效性驗證，該兒童約束系統(tǒng)模型分為殼體、泡沫和安全帶3部分。其中，殼體采用六面體單元建模，材料類型為彈塑性材料；泡沫采用六面體單元建模，材料類型為聚氨酯泡沫，彈性模量E為0.1 MPa，密度ρ為43 kg/m3，泊松比μ為0.3；安全帶采用四面體單元建模，使五點式安全帶肩帶、腰帶和胯帶盡可能貼身約束兒童乘員，并通過設(shè)置面面接觸來模擬運動過程中力的傳遞。

按照C-NCAP（2021版）測試規(guī)程［5］進行仿真，在正面100%重疊剛性壁障碰撞仿真中，將兒童約束系統(tǒng)和TUST IBMs 3YO-O模型正向放置在后排座椅右側(cè)，簡稱FRB（見圖2（a）），對整車模型施加整車正面100%重疊剛性壁障（FRB）碰撞試驗加速度波形（見圖3（a））。在正面50%重疊移動漸進變形壁障（MPDB）仿真中，將兒童約束系統(tǒng)和TUST IBMs 3YO-O模型正向放置在后排座椅左、右兩側(cè)處，即MPDB后排右側(cè)和MPDB后排左側(cè)（見圖2（b）），對整車模型施加整車正面50%重疊移動漸進變形壁障（MPDB）碰撞試驗加速度波形包含線性加速度與旋轉(zhuǎn)角加速度（見圖3（b）和圖3（c））。在FRB、MPDB后排右側(cè)和MPDB后排左側(cè)3組仿真中，整車初速度均為50 km/h，處于9.81 m/s2的重力場中，使用五點式安全帶約束TUST IBMs 3YO-O。

圖2 仿真設(shè)置

圖3 整車加速度波形

2 試驗結(jié)果

2.1 運動學(xué)響應(yīng)

圖4為不同工況仿真中TUST IBMs 3YO-O模型在不同時刻的運動學(xué)響應(yīng)。在FRB碰撞中，兒童乘員相對于座椅向前滑動，當(dāng)胸腹部在五點式安全帶的約束下停止運動時，頭部會在慣性的作用下繼續(xù)向前轉(zhuǎn)動，在77 ms下頜與胸部接觸直至運動到最大變形處時，頭部開始回彈。在MPDB碰撞試驗中，后排左側(cè)和右側(cè)的運動響應(yīng)大致相同。由于車輛在偏置碰撞中會相對碰撞點發(fā)生偏轉(zhuǎn)，此時車內(nèi)兒童乘員會同時受到縱向減速度和橫向加速度的作用，在碰撞初期由于慣性的作用兒童乘員相對座椅向前運動，直至受到安全帶腰帶和肩帶的約束作用，兒童乘員的軀干和骨盆處的前向位移受到限制，僅有頭部繼續(xù)向前運動，在76 ms時乘員頭部前向位移達到最大值。從44 ms開始，在橫向載荷的作用下，兒童乘員開始出現(xiàn)明顯的橫向運動并向左側(cè)車門處移動。但由于后排右側(cè)的位置離碰撞中心較遠，故其運動幅度比后排左側(cè)稍大。

圖4 3種工況仿真中TUST IBMs 3YO-O模型運動學(xué)響應(yīng)

圖5為不同工況仿真中TUST IBMs 3YO-O模型頭部運動學(xué)響應(yīng)。在FRB碰撞中，當(dāng)兒童乘員胸腹部在五點式安全帶的約束下停止前向運動時，頭部會在慣性的作用下繼續(xù)向前轉(zhuǎn)動，在80 ms時達到加速度峰值53g。在MPDB碰撞中，后排座椅兩側(cè)曲線的走勢和波峰具有相似性，在碰撞初期時刻，兒童乘員由于慣性作用相對于座椅向前滑動，當(dāng)兒童乘員胸腹部在安全帶的約束作用下停止前向運動時，頭部會在慣性的作用下繼續(xù)向前轉(zhuǎn)動，在橫向載荷作用下與右側(cè)胸腹部接觸后反彈，但后排右側(cè)和左側(cè)分別在72、73 ms時達到加速度峰值82g、80g。

圖5 頭部運動學(xué)響應(yīng)

頭部損傷指標(biāo)（head injury criterion，HIC）作為評價頭部損傷的重要標(biāo)準(zhǔn)被各國安全法規(guī)和評估機構(gòu)廣泛采用［16］，其表達式為

式中：a為頭部質(zhì)心合成加速度；t2-t1表示HIC取得最大值時的時間間隔，當(dāng)取的最大時間間隔為15 ms時，即為HIC15。

頭部旋轉(zhuǎn)損傷指標(biāo)（brain injury criteria，BrIC）是通過頭部質(zhì)心的角速度來表示因頭部旋轉(zhuǎn)造成的損傷值［17］。在BrIC中，設(shè)頭部質(zhì)心的角速度為ωx、ωy、ω（zrad/s），其表達式為

式中ωxC、ωyC、ωzC為標(biāo)準(zhǔn)角速度，基于和腦的主應(yīng)變的相關(guān)性，分別為66.3、53.8、41.5 rad/s。從分析角速度對腦組織損傷的影響角度來看，BrIC與有限元模型中腦的累計應(yīng)變損傷值（CSDM）以及最大主應(yīng)變具有很高的相關(guān)性，根據(jù)BrIC可預(yù)測腦組織發(fā)生AIS 4級損傷的概率，即

基于式（1）～式（3）可得，3組仿真中TUST IBMs 3YO-O模型的HIC15分別為257、691、677，BrIC分別為1.19、1.97、1.77，發(fā)生AIS 4級腦損傷的概率分別為62%、98.2%、95%。

圖6為不同工況仿真中TUST IBMs 3YO-O模型頸部張力隨時間的變化曲線。在FRB、MPDB后排右側(cè)和MPDB后排左側(cè)3組仿真中，兒童乘員胸腹部在安全帶的作用下停止運動時，頭部在慣性力作用下繼續(xù)向前轉(zhuǎn)動，直到頭部下頜部位和胸部發(fā)生擠壓并達到最大變形位置時，頸部達到最大彎曲角度后頭部開始回彈，頸部最大張力分別在57、47、48 ms達到峰值435、331、314 N。

圖6 頸部張力隨時間的變化曲線

圖7為不同工況仿真中TUST IBMs 3YO-O模型胸部運動學(xué)響應(yīng)。由圖可知，在安全帶的約束作用下，F(xiàn)RB、MPDB后排右側(cè)和MPDB后排左側(cè)3組仿真中TUST IBMs 3YO-O模型的胸部合成加速度分別在41、38、39 ms時刻達到峰值58g、54g、58g，胸部最大變形量分別為29、30、29 mm，最大壓縮比分別為23.3%、23.5%、23.3%。當(dāng)胸部合成加速度達到峰值時，安全帶接觸力也接近于第一峰值。

圖7 胸部運動學(xué)響應(yīng)

2.2 生物力學(xué)響應(yīng)

圖8為不同工況仿真中TUST IBMs 3YO-O模型頭部生物力學(xué)響應(yīng)。在FRB碰撞中，腦組織最大Von Mises應(yīng)力為5 kPa，最大剪切應(yīng)力為6.0 kPa，腦組織最大主應(yīng)變MPS為0.34，均于82 ms時出現(xiàn)在灰質(zhì)底部中間部位處，造成腦震蕩等輕度腦損傷（mTBI）。腦組織最大顱內(nèi)壓為184 kPa，在頭部旋轉(zhuǎn)過程80 ms時出現(xiàn)在前額兩側(cè)部位，可能造成輕微腦震蕩；在MPDB后排右側(cè)碰撞中，82 ms時腦組織最大Von Mises應(yīng)力為8 kPa、最大剪切應(yīng)力為8.8 kPa、腦組織最大主應(yīng)變MPS為0.41，均出現(xiàn)在大腦灰質(zhì)底部靠近小腦處，存在輕度腦損傷風(fēng)險；而在MPDB后排左側(cè)碰撞中，腦組織最大Von Mises應(yīng)力為7 kPa，最大剪切應(yīng)力為8.2 kPa，出現(xiàn)在75 ms時。最大主應(yīng)變MPS為0.42，發(fā)生在84 ms時。此外，在MPDB后排右側(cè)和MPDB后排左側(cè)碰撞試驗中，腦組織分別于100、109 ms時，在大腦前端和兩側(cè)出現(xiàn)分別為374、277 kPa的最大顱內(nèi)壓力，造成重度腦損傷。

圖8 頭部生物力學(xué)響應(yīng)

研究表明兒童胸廓柔軟，肋骨不易骨折，因此目前的應(yīng)力變化不能預(yù)測3歲兒童是否會發(fā)生肋骨骨折損傷，但可以定性分析不同工況中兒童乘員肋骨的受力情況。而心肺組織相較于其他器官組織而言較柔軟，在汽車碰撞過程中，胸骨易受外界壓迫向內(nèi)擠壓心肺，進而導(dǎo)致?lián)p傷。圖9為不同工況仿真中TUST IBMs 3YO-O模型胸部生物力學(xué)響應(yīng)參數(shù)。由圖可知，在FRB碰撞中，肋骨最大Von Mises應(yīng)力為1.1 MPa，出現(xiàn)時刻為99 ms；肺部最大主應(yīng)變?yōu)?.17，出現(xiàn)時刻為91 ms；心臟最大主應(yīng)變?yōu)?.11，出現(xiàn)時刻為103 ms。在MPDB后排右側(cè)和左側(cè)碰撞試驗中，肋骨最大Von Mises應(yīng)力分別為1.9、1.9 MPa，出現(xiàn)時刻分別為77、75 ms，由于兒童乘員向左側(cè)車門方向偏移，在肩帶的作用下肋骨應(yīng)力均集中在第一肋骨處，易出現(xiàn)骨折；肺部最大主應(yīng)變分別為0.29、0.28，出現(xiàn)時刻分別為93、91 ms，右肺可能出現(xiàn)挫傷；心臟最大主應(yīng)變分別為0.10、0.09，出現(xiàn)時刻分別為92、105 ms。

圖9 胸部生物力學(xué)響應(yīng)

3 討論與分析

表1為對標(biāo)C-NCAP（2021版）乘員保護正面碰撞測試的3組仿真運動學(xué)參數(shù)。由表可見，MPDB碰撞中TUST IBM 3YO-O同時受到縱向載荷和橫向載荷的作用，其在后排左、右兩側(cè)位置處的HIC15與頭部累積3 ms合成加速度均超出高性能限值；3組仿真中，TUST IBMs 3YO-O模型頸部張力均未超出高性能限值，但在其向前滑動過程中，由于胸部與安全帶接觸力較大，導(dǎo)致胸部累積3 ms合成加速度均超出高性能限值。由此可知，3歲兒童乘員在MPDB碰撞測試工況中可能遭受更嚴重的損傷。

表1 對標(biāo)C-NCAP（2021版）正面碰撞乘員保護試驗的TUST IBMs 3YO-O模型響應(yīng)參數(shù)

在FRB碰撞中，TUST IBMs 3YO-O模型的運動學(xué)響應(yīng)參數(shù)均未超出限值，但分析組織器官的生物力學(xué)響應(yīng)可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兒童胸腹部在安全帶的約束下停止前向運動時，頭部會在慣性的作用下繼續(xù)向前轉(zhuǎn)動而下頜與胸部接觸后回彈。整個運動過程中，腦組織的旋轉(zhuǎn)運動造成輕微腦震蕩。在MPDB碰撞中，兒童乘員出現(xiàn)明顯橫向運動，產(chǎn)生的角速度和角加速度對其頭部損傷的影響較大，因此BrIC值偏高，發(fā)生AIS 4級腦損傷概率高于90%，且頭部下頜與右側(cè)胸部接觸使運動學(xué)響應(yīng)和生物力學(xué)響應(yīng)峰值較大，造成輕微腦震蕩、肋骨骨折、肺部挫傷等損傷。在MPDB碰撞仿真中，兒童乘員乘坐于左右兩側(cè)的響應(yīng)差異并不大，由于后排右側(cè)位置距離碰撞中心點較遠，運動幅度更大，所產(chǎn)生的響應(yīng)整體稍大于后排左側(cè)。

3組仿真結(jié)果分析可以發(fā)現(xiàn)，盡管運動學(xué)評價參數(shù)未超出限值，但組織器官的生物力學(xué)參數(shù)已超出損傷閾值。這是由于人體的生理結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，不同的組織器官其力學(xué)屬性不同，因此在碰撞中經(jīng)歷的運動歷程也不同，損傷也就不同。例如腦組織和顱骨的力學(xué)屬性不同，在運動中其慣性力不同，當(dāng)發(fā)生碰撞時其表現(xiàn)出不同的運動狀態(tài)，這也是仿真中看到的HIC15等運動學(xué)參數(shù)未超出限值，而腦組織的生物力學(xué)參數(shù)已超出損傷閾值。因此，未來乘員保護評價應(yīng)結(jié)合人體的生理結(jié)構(gòu)特征綜合評價運動學(xué)響應(yīng)和生物力學(xué)響應(yīng)。

目前基于人體計算模型的運動學(xué)參數(shù)和生物力學(xué)參數(shù)評價都采用物理假人的評價參數(shù)及限值，或來自于參考文獻中有限的尸體試驗數(shù)據(jù)，因此，基于生物力學(xué)計算模型的損傷評價參數(shù)及評價方法應(yīng)給予更多的研究和關(guān)注，這將有利于計算模型的推廣應(yīng)用，充分發(fā)揮人體生物力學(xué)計算模型高生物仿真度和高利用率的優(yōu)勢，以降低企業(yè)的研發(fā)成本。

4 結(jié)論

應(yīng)用現(xiàn)代汽車安全技術(shù)國際聯(lián)合研究中心開發(fā)的TUST IBMs 3YO-O模型，對標(biāo)C-NCAP（2021版）正面碰撞測試試驗，研究3歲兒童乘員在碰撞中的運動學(xué)響應(yīng)和生物力學(xué)響應(yīng)，得出以下結(jié)論。

（1）在正面100%重疊剛性壁障（FRB）碰撞中，C-NCAP關(guān)注的運動學(xué)響應(yīng)參數(shù)均未超出損傷限值，但分析組織器官的生物力學(xué)響應(yīng)參數(shù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兒童胸腹部在安全帶的約束下停止前向運動時，頭部會在慣性的作用下繼續(xù)向前轉(zhuǎn)動，而其下頜與胸部接觸，腦組織在此過程中會發(fā)生輕度腦震蕩。

（2）在正面50%重疊移動漸進變形壁障（MPDB）碰撞中，兒童乘員在縱向減速度和橫向加速度的共同作用下，出現(xiàn)明顯橫向運動，頭部下頜與右側(cè)胸部接觸，運動學(xué)參數(shù)和生物力學(xué)參數(shù)峰值大多超出閾值，會出現(xiàn)腦損傷、肋骨骨折、肺部挫傷等損傷。兒童乘員乘坐于后排右側(cè)位置時，由于距離碰撞點位置較遠，導(dǎo)致其相對運動幅度更大，所產(chǎn)生的響應(yīng)參數(shù)整體略大于乘坐于后排左側(cè)。整體而言，3歲兒童在MPDB碰撞中的損傷程度要高于FRB碰撞。由于MPDB測試工況代表更多的交通事故碰撞類型，因此兒童乘員保護設(shè)計應(yīng)給予更多的考慮。

（3）應(yīng)用具有高生物仿真度的兒童人體生物力學(xué)計算模型進行C-NCAP碰撞仿真，通過提取腦組織和胸部內(nèi)臟器官的生物力學(xué)響應(yīng)參數(shù)，再結(jié)合運動學(xué)響應(yīng)能更真實、全面地反映兒童乘員在汽車碰撞中的傷害特征，進一步預(yù)測人體重要器官的損傷情況，以彌補C-NCAP生物力學(xué)評價指標(biāo)的不足。

本研究可為兒童乘員保護措施的研發(fā)提供基礎(chǔ)的參考數(shù)據(jù)，同時應(yīng)用生物力學(xué)計算模型進行兒童乘員安全保護設(shè)計也可有效降低企業(yè)的研發(fā)成本，也將為C-NCAP等法規(guī)中關(guān)于兒童乘員的保護和損傷評估提供理論依據(jù)，為數(shù)字測評技術(shù)的開發(fā)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。