李海巖，胡 靜，賀麗娟，冉令華，呂文樂，崔世海，阮世捷

（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.中國標(biāo)準(zhǔn)化研究院，北京 100191）

前言

汽車安全技術(shù)的進(jìn)步對減少機(jī)動車事故中乘員傷亡起到了顯著效果，但世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)報(bào)告指出，全球每年仍然有大約135 萬人在交通事故中喪生，有20萬～50萬人遭受非致命傷害，如何降低交通事故中傷亡人數(shù)仍是重要的課題［1］。有研究使用NASS-CDS（national automotive sampling systemcrashworthiness data system）（1998-2015）數(shù)據(jù)對汽車正面碰撞中乘員損傷分布和損傷風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)女性遭受AIS 2+和AIS 3+的風(fēng)險(xiǎn)高于男性［2］。在低速碰撞下，女性汽車乘員受到揮鞭傷的風(fēng)險(xiǎn)也是男性乘員的兩倍［3］。由于身材較小，第五百分位女性汽車乘員在碰撞發(fā)生時(shí)易發(fā)生下潛，較大的腰帶力侵入腹部導(dǎo)致?lián)p傷，約束系統(tǒng)對其損傷防護(hù)效果也低于對第五十百分位男性乘員的保護(hù)［4］。因此對小身材女性乘員的安全防護(hù)研究應(yīng)給予更多的關(guān)注。

為增強(qiáng)對女性乘員的保護(hù)，各國汽車安全法規(guī)和新車評價(jià)規(guī)程都引入第五百分位女性碰撞損傷評價(jià)。Humanetics 公司［5］開發(fā)了小身材女性人體測量測試設(shè)備（anthropometric test devices，ATDs）Hybrid III 5th假人，被廣泛應(yīng)用于碰撞安全性能測試評價(jià)試驗(yàn)中。THOR-5F 作為新近開發(fā)的女性假人在生物仿真度方面有很大提高［6］，隨著Euro NCAP 于2020年開始采用THOR-50M 男性假人進(jìn)行MPDB 碰撞試驗(yàn)［7］，未來THOR-5F 也將代替Hybrid III 5th女性假人應(yīng)用于各國新車評價(jià)規(guī)程中對乘員保護(hù)測試評價(jià)。但是ATDs針對特定碰撞方向開發(fā)，因此重現(xiàn)人體運(yùn)動學(xué)能力方面受到一定的限制，無法有效地評估人體碰撞響應(yīng)和與損傷相關(guān)的局部物理變量，如定量預(yù)測與評估復(fù)雜的胸部變形和骨折模式［8］，因此以有限元理論為基礎(chǔ)的數(shù)值計(jì)算模型被開發(fā)用于研究人體碰撞損傷機(jī)理。

目前國外針對歐美人體測量尺寸已經(jīng)開發(fā)出幾個(gè)版本的五百分位女性有限元模型。早期開發(fā)的五百分位女性模型大都通過比例縮放獲得新的形態(tài)模型，無法保證內(nèi)部尺寸的準(zhǔn)確性，此外無論在幾何還是材料屬性方面都沒有充分考慮性別差異。如歐洲人體安全模型（human model for safety，HUMOS）基于人體外部維度與內(nèi)部維度的關(guān)系，通過縮放第五十百分位男性模型獲得了第五百分位女性模型［9-10］。類似的Happee 等［11］通過縮放中等身材男性的幾何形狀和關(guān)節(jié)特性開發(fā)了一種基于MADYMO 的小型女性人體模型，該模型大多數(shù)結(jié)構(gòu)定義為剛體，只有胸部描述為可變形的柔性體。豐田整人安全模型（total human model for safety，THUMS）開發(fā)了美國五百分位女性乘員模型（AF05-O）。該模型的頭、頸、脊椎及四肢是按比例縮放THUMS-AM50開發(fā)，考慮到性別與解剖學(xué)差異對胸部和骨盆區(qū)域重新開發(fā)，不具備詳細(xì)的內(nèi)臟結(jié) 構(gòu)［12］。Kimpara 等［13］將THUMS-AF05（乘員1.0? 版）與韋恩州立大學(xué)人體胸部模型［14］整合并修改開發(fā)了五百分位女性胸部模型。該模型根據(jù)6 組小身材女性尸體試驗(yàn)對胸部剛度進(jìn)行了有效性驗(yàn)證。如今THUMS AF05-O 發(fā)展更新到第六代，已具有可以模擬人體運(yùn)動與損傷較詳細(xì)的內(nèi)臟與腦組織結(jié)構(gòu)，并具備主動肌肉。楊潔［15］基于THUMSD-F05 對不同的身體部位利用不同的縮放因子分別進(jìn)行縮放，建立代表中國第五百分位女性人體測量尺寸的有限元人體模型，對比分析了東西方五百分位女性人體碰撞損傷差異。全球人體模型聯(lián)盟（global human body models consortium，GHBMC）一直致力于開發(fā)全球最詳細(xì)和準(zhǔn)確的有限元模型。2015 年 Davis 等［16］基于志愿者在坐姿狀態(tài)的綜合醫(yī)學(xué)影像和人體測量數(shù)據(jù)建立了 F05-O 模型，該模型除腹部外大都采用六面體網(wǎng)格，材料定義是基于GHBMC M50，從局部剛性碰撞到全身滑車試驗(yàn)10 個(gè)案例進(jìn)行了有效性驗(yàn)證。為提高仿真速度與研究乘員運(yùn)動學(xué)，GHBMC開發(fā)了五百分位女性乘員簡易版模型（F05-OS），該模型簡化了部分軟組織結(jié)構(gòu)，內(nèi)臟結(jié)構(gòu)由內(nèi)腔組件填充代替，腦組織也由單個(gè)質(zhì)量點(diǎn)替代［17］。上述兩種模型的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)表達(dá)還不夠詳細(xì)，如四肢肌肉并未單獨(dú)建模而是融合成具有均勻材料特性的連續(xù)體。

中國人體測量尺寸與歐美國家人體尺寸存在一定差異，使用代表歐美人體尺寸的模型評價(jià)中國乘員在汽車碰撞過程中的損傷是否可靠還需要進(jìn)一步研究，因此十分必要開發(fā)一個(gè)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的符合中國第五百分位女性體征的汽車乘員損傷仿生模型，應(yīng)用于汽車碰撞仿真中以研究小身材女性乘員損傷機(jī)理和智能汽車座艙安全系統(tǒng)開發(fā)。

1 方法

1.1 模型開發(fā)

本研究旨在開發(fā)小身材女性汽車乘員生物力學(xué)模型，因此主要以身高和坐高為選擇參考，依據(jù)中國標(biāo)準(zhǔn)化研究院最新測量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，選取符合中國第五百分位女性體征的身高153 cm、坐高83 cm、體質(zhì)量62 kg 志愿者，依據(jù)如圖1 所示的流程進(jìn)行模型開發(fā)。首先基于志愿者CT 醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)精確提取全身各組織器官的幾何輪廓，通過曲面化處理與網(wǎng)格劃分，構(gòu)建具有詳細(xì)解剖學(xué)結(jié)構(gòu)頭、頸、胸腹及四肢有限元模型。為避免單次長時(shí)間拍攝CT 可能給人體帶來的輻射，本研究影像數(shù)據(jù)分4 次掃描完成，因此存在坐標(biāo)系不一致問題，需要將局部坐標(biāo)系整合到全局坐標(biāo)系。以胸腹部所在坐標(biāo)系作為基準(zhǔn)坐標(biāo)系，分別將頭頸部、上肢及下肢由局部坐標(biāo)系整合定位到基準(zhǔn)坐標(biāo)系。以上肢與胸腹部的整合定位為例，如圖2 所示：例如胸腹部與上肢CT 中都包含鎖骨的圖像信息，則從上肢CT 中提取鎖骨幾何模型G（E），利用Geomagic 軟件中的最佳擬合指令將胸腹部劃分好曲面片布局的鎖骨幾何模型G（T）移動到G（E）相同的位置，從而將此位置下G（T）作為上肢定位基準(zhǔn)P（E）。此方法的運(yùn)用是保證P（E）與G（T）有相同的曲面片布局，從而保證網(wǎng)格劃分的一致性。再將劃分好網(wǎng)格的P（E）有限元模型與上肢有限元模型導(dǎo)入胸腹部有限元模型所在坐標(biāo)系，利用Hypermesh軟件中的position指令實(shí)現(xiàn)整合定位。

圖1 中國第五百分位女性汽車乘員損傷仿生模型開發(fā)

圖2 定位基準(zhǔn)的獲取

參照小身材女性汽車乘員軀干舒適角范圍，以有限元模型的髖臼窩、膝關(guān)節(jié)、足關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)處旋轉(zhuǎn)中心的水平軸線定義為旋轉(zhuǎn)軸，將五百分位女性有限元模型調(diào)整為乘員姿態(tài)?？紤]到人體由仰臥姿勢到坐立姿勢脊柱生理曲度與肌肉的形態(tài)變化，參考成人坐姿脊柱生理曲度，對五百分位女性脊柱生理曲度進(jìn)行校正。按照肌學(xué)原理中人體在坐姿狀態(tài)下肌肉的拉伸或壓縮形態(tài)，對脊椎、臀部、膝關(guān)節(jié)及肘關(guān)節(jié)處的肌肉進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。對發(fā)生網(wǎng)格干涉穿透的骨骼、內(nèi)臟與肌肉有限元模型進(jìn)行微調(diào)。最后通過構(gòu)建韌帶、肌腱、皮膚與脂肪等軟組織，完成具有高生物仿真度的中國第五百分位女性汽車乘員損傷仿生模型（TUST IBMs F05-O）的構(gòu)建，模型身高153 cm、坐高83 cm、體質(zhì)量58.4 kg，總計(jì)92.5萬個(gè)節(jié)點(diǎn)，111.1 萬個(gè)單元，其中實(shí)體單元 66.6 萬個(gè)，殼單元44.5萬個(gè)。

所構(gòu)建的模型（Pamcrash 版本）由400 個(gè)部件組成，包含詳細(xì)的腦組織、內(nèi)臟、肌肉、韌帶、骨骼、皮膚及脂肪等組織結(jié)構(gòu)。為提高仿真度和運(yùn)算穩(wěn)定性，模型采用六面體單元與殼單元建模，組織結(jié)構(gòu)間采用共節(jié)點(diǎn)與設(shè)置單面接觸的方式進(jìn)行連接，網(wǎng)格大小及質(zhì)量設(shè)置了嚴(yán)格閾值，網(wǎng)格邊緣長度控制在3-8 mm，雅克比大于0.3，翹曲度小于60°，扭曲度小于80°，長寬比小于10。天津科技大學(xué)現(xiàn)代汽車安全技術(shù)國際聯(lián)合研究中心已經(jīng)在組件層面對頭部、頸部、胸腹部及下肢進(jìn)行了詳細(xì)的驗(yàn)證試驗(yàn)［18-20］。

1.2 模型驗(yàn)證

應(yīng)用所開發(fā)的TUST IBMs F05-O 模型重構(gòu)胸腹部鈍性沖擊尸體試驗(yàn)，表1 所示為尸體試驗(yàn)加載條件。模擬4 種區(qū)域加載條件，分別進(jìn)行一組胸部正面沖擊試驗(yàn)及兩組不同速度下的胸部側(cè)面沖擊試驗(yàn)，一組腹部正面棒擊試驗(yàn)及一組腹部側(cè)面沖擊試驗(yàn)，如圖3 所示。所開發(fā)的模型身高誤差在±10%內(nèi)，在此身高范圍內(nèi)的女性尸體樣本可視為具有五百分位女性人體測量尺寸［21］。

表1 胸腹部鈍性沖擊尸體試驗(yàn)信息

圖3 胸腹部驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 胸部正面撞錘沖擊驗(yàn)證試驗(yàn)

參考Kroell 等［22-23］進(jìn)行的胸部正面撞錘沖擊尸體試驗(yàn)，在其中8 例未防腐的女性受試者中，試驗(yàn)編號30FF 受試者可視為進(jìn)行仿真驗(yàn)證試驗(yàn)加載條件參考的最優(yōu)選擇。將五百分位模型放置在水平剛性平面上，構(gòu)建直徑為152 mm、質(zhì)量為1.59 kg 的剛性撞錘，其軸線對準(zhǔn)胸骨中心約第4 肋骨間隙處，沖擊速度為13.23 m/s。設(shè)置沖擊體和剛性平面與人體之間的接觸，動摩擦與靜摩擦因數(shù)均設(shè)為0.3，見圖3（a）。

1.2.2 胸部側(cè)面撞錘沖擊驗(yàn)證試驗(yàn)

參考Vinao 等［24］進(jìn)行的胸部側(cè)面撞錘沖擊尸體試驗(yàn)，尸體編號008 的受試者在某種程度上可認(rèn)為符合五百分位女性人體測量尺寸，首先進(jìn)行了胸部右側(cè)面5.2 m/s的低速沖擊試驗(yàn)（試驗(yàn)編號29），見圖3（b）。在檢測到?jīng)]有任何骨損傷的情況下又進(jìn)行了胸部左側(cè)面9.7 m/s的高速沖擊試驗(yàn)（試驗(yàn)編號33）。參照尸體試驗(yàn)設(shè)置條件構(gòu)建質(zhì)量為23.4 kg，直徑為150 mm 的剛性撞錘，撞錘中心軸線與人體有限元模型正中矢狀面夾角為60°，撞擊中心位于胸骨劍突處，見圖3（c）。

1.2.3 腹部正面棒擊驗(yàn)證試驗(yàn)

參照 Cavanaugh 等［25］利用尸體樣本進(jìn)行的腹部正面棒擊試驗(yàn)，在其中4 例女性受試者中，尸體試驗(yàn)編號19 可視為本次仿真驗(yàn)證的參照。構(gòu)建質(zhì)量為31.24 kg、直徑25 mm、長381 mm 的剛性棒體，平行于體寬方向放置，以5 m/s 的速度沖擊第3 腰椎水平的腹部，見圖3（d）。

1.2.4 腹部側(cè)面撞錘沖擊驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證所開發(fā)模型腹部的損傷耐受性及腹部剛度，Vinao也進(jìn)行了腹部側(cè)面撞錘沖擊尸體試驗(yàn)。同樣選用尸體編號008 受試者，按照尸體試驗(yàn)編號30的加載條件進(jìn)行仿真驗(yàn)證。構(gòu)建質(zhì)量為23.4 kg、直徑為150 mm 的剛性撞錘，撞錘軸線與人體模型正中矢狀面夾角為60°，并位于胸骨劍突下方7.5 cm 處，見圖3（e）。

2 仿真結(jié)果

2.1 胸腹部接觸力-壓縮量曲線

5 組驗(yàn)證試驗(yàn)胸腹部接觸力-壓縮量曲線如圖4所示。仿真結(jié)果總體趨勢與尸體試驗(yàn)吻合較好，分別落在相應(yīng)的尸體試驗(yàn)通道內(nèi)。與尸體試驗(yàn)相比，仿真所得最大壓縮量均略小于尸體試驗(yàn)，最大接觸力與尸體試驗(yàn)數(shù)值相近，平均數(shù)值差異保持在10%以內(nèi)，如表2 所示。從而驗(yàn)證了所開發(fā)模型胸腹部剛度具有較高的有效性。在模型前期開發(fā)過程中，局部胸腹部模型已通過3 組鈍性沖擊試驗(yàn)驗(yàn)證了有效性［19］，如圖4（a）、圖4（c）和圖4（d）所示。與局部胸腹部模型3 組仿真試驗(yàn)相比，整人模型與局部胸腹部模型有相似的曲線走勢，但整人模型的胸腹部剛度略大于局部胸腹部模型。

表2 胸腹部最大接觸力與最大變形量

圖4 胸腹部接觸力-壓縮量曲線

2.2 胸腹部生物力學(xué)響應(yīng)

模型肋骨密質(zhì)骨的材料失效應(yīng)變設(shè)定為0.023 75，當(dāng)肋骨密質(zhì)骨單元超過失效應(yīng)變值時(shí)，就會出現(xiàn)單元?jiǎng)h除現(xiàn)象來代表肋骨骨折［26］。如圖5 所示，在胸部正面撞錘沖擊試驗(yàn)中，尸體試驗(yàn)共檢測到3 處簡單肋骨骨折，仿真驗(yàn)證所得肋骨最大第一主應(yīng)變值為0.022 43，接近失效應(yīng)變值，但沒有出現(xiàn)肋骨骨折現(xiàn)象；低速（5.2 m/s）胸部右側(cè)面撞錘沖擊仿真驗(yàn)證中，肋骨最大塑性應(yīng)變?yōu)?.023 43，沒有出現(xiàn)單元?jiǎng)h除現(xiàn)象，未發(fā)生肋骨骨折，與尸體試驗(yàn)結(jié)果一致；高速（9.7 m/s）胸部左側(cè)面撞錘沖擊試驗(yàn)中，尸體試驗(yàn)在左側(cè)R4、R5、R6、R7與R8處共檢測出5 處肋骨骨折，仿真驗(yàn)證所得肋骨最大塑性應(yīng)變?yōu)?.023 75，左側(cè)R4、R5、R6、R7處出現(xiàn)了4處肋骨骨折現(xiàn)象。

圖5 肋骨最大塑性應(yīng)變云圖

胸腹部內(nèi)臟器官最大第一主應(yīng)變值如圖6 和表3 所示。超過相應(yīng)損傷閾值表明發(fā)生損傷的概率較大，設(shè)定肺部損傷閾值為28.4%［27］，心臟、肝、腎、脾的損傷閾值為30%［28-29］，大腸、小腸與胃的損傷閾值為130%［30］。胸部正面撞錘沖擊尸體試驗(yàn)中并未對內(nèi)臟損傷進(jìn)行檢測，驗(yàn)證試驗(yàn)中通過觀察左肺與右肺的最大第一主應(yīng)變云圖可知，左肺與右肺有較高的損傷風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)還可觀察到肺部最大第一主應(yīng)變出現(xiàn)位置及相應(yīng)的時(shí)間，其中左肺與右肺均在12 ms達(dá)到最大第一主應(yīng)變，而仿真所得曲線峰值出現(xiàn)在6 ms左右，這驗(yàn)證了尸體試驗(yàn)中所述，低質(zhì)量與高速度沖擊下，產(chǎn)生短時(shí)間高峰值力與人體損傷無關(guān)。在低速5.2 m/s的胸部右側(cè)面撞錘沖擊仿真驗(yàn)證中，肺部、心臟、肝與腎部最大第一主應(yīng)變小于相應(yīng)的損傷閾值，表示發(fā)生損傷的概率較小，與之相對應(yīng)的尸體試驗(yàn)也并未檢測到內(nèi)臟損傷。在高速（9.7 m/s）胸部左側(cè)面撞錘沖擊試驗(yàn)中，雖然出現(xiàn)5 處肋骨骨折，但并未檢測到內(nèi)臟損傷，在仿真試驗(yàn)中左肺的最大第一主應(yīng)變?yōu)?1.8%，表明有發(fā)生損傷的風(fēng)險(xiǎn)，其中多根肋骨連續(xù)性骨折也增加了肺部發(fā)生損傷的風(fēng)險(xiǎn)。腹部正面棒擊沖擊試驗(yàn)中，沖擊處的內(nèi)臟器官最大第一主應(yīng)變并未超過相應(yīng)的損傷閾值，與尸體試驗(yàn)結(jié)果一致，小腸最大第一主應(yīng)變的產(chǎn)生主要是因?yàn)檐|干彎曲受到脊柱的擠壓力而產(chǎn)生。腹部側(cè)面撞錘沖擊仿真試驗(yàn)內(nèi)臟器官最大第一主應(yīng)變并未超過相應(yīng)的損傷閾值，與尸體試驗(yàn)結(jié)果一致。

表3 胸腹部鈍性沖擊仿真驗(yàn)證內(nèi)臟最大第一主應(yīng)變

3 討論

如圖4 所示，仿真驗(yàn)證中模型開始受到?jīng)_擊力產(chǎn)生變形時(shí)，接觸力-壓縮量曲線斜率接近尸體試驗(yàn)通道的上邊界，分析原因有兩方面。其一，接觸力-壓縮量曲線所覆蓋的面積為人體吸收的沖擊能量，模型與尸體試驗(yàn)受試者存在個(gè)體差異，相較于尸體試驗(yàn)受試者脂肪組織層較厚，吸收的沖擊能量相對較大。同時(shí)體質(zhì)量差異造成的影響在卸載階段也相對明顯，當(dāng)剛度恒定上升達(dá)到峰值后，尸體試驗(yàn)的接觸力-變形量曲線以較大的幅度卸載，而模型首先經(jīng)過一段平緩的過渡期，即接觸力逐漸減小而壓縮量會繼續(xù)增大到最大值后才會進(jìn)入較快的卸載階段。其二，相比于尸體試驗(yàn)，仿真試驗(yàn)對參數(shù)變化更為敏感，尸體試驗(yàn)是通過高速攝像機(jī)記錄軀干偏移數(shù)據(jù)，而仿真驗(yàn)證所得壓縮量是由沖擊器軸線所穿過的人體前后皮膚兩個(gè)點(diǎn)的位移差獲得，在模型開始受到?jīng)_擊力，接觸力逐漸增大，測量壓縮量的點(diǎn)受到?jīng)_擊力延遲所以壓縮量變化較小，因此曲線斜率在碰撞開始時(shí)較高。

整人模型的接觸力-壓縮量曲線表現(xiàn)出與局部胸腹部模型相似的趨勢，但整人模型的胸腹部剛度表現(xiàn)出略高于局部胸腹部模型的特征，產(chǎn)生該差異的原因主要有兩點(diǎn)。其一，連接方式的不同，整人模型脂肪組織與內(nèi)部軟組織為共節(jié)點(diǎn)連接，而局部胸腹部模型采用面面接觸關(guān)鍵字實(shí)現(xiàn)脂肪與內(nèi)部軟組織連接，因此脂肪組織與軟組織之間留有空隙，影響力的傳遞。其二，局部胸腹部模型只在第1 胸椎上增加了5 kg 的質(zhì)量點(diǎn)代表頭頸部，并未考慮四肢質(zhì)量對模型運(yùn)動響應(yīng)的影響，無四肢力的阻礙，局部胸腹部模型表現(xiàn)的剛度相對較小。

在腹部正面棒擊試驗(yàn)中，四肢對響應(yīng)的影響相對明顯，隨著沖擊棒逐漸深入，沖擊力由軀干逐漸傳遞到四肢，在這個(gè)力傳遞過程中四肢運(yùn)動遲后使脊柱逐漸彎曲抵抗腹部受到的壓縮力，同時(shí)腹部脂肪組織聚集于沖擊處阻礙沖擊棒繼續(xù)前向運(yùn)動，如圖7 所示，因而造成整人模型的接觸力大，而壓縮量小的現(xiàn)象，從而表現(xiàn)出略大的腹部剛度。若無下肢的牽制力，脊柱的彎曲變化很小，下腹部在沖擊力的作用下將繼續(xù)運(yùn)動，因而腹部剛度較小。

驗(yàn)證試驗(yàn)中模型預(yù)測的肋骨骨折數(shù)與尸體試驗(yàn)略有差異，分析有幾方面原因。其一，仿真驗(yàn)證所得胸腹部變形量略小于尸體試驗(yàn)，模型的脂肪層較厚緩沖了部分沖擊能量，對肋骨起到一定的保護(hù)作用。其二，相關(guān)研究表明肋骨和胸椎之間的角度，肋骨剛度均與年齡相關(guān)［31］，所開發(fā)模型的幾何數(shù)據(jù)來自健康的40 歲女性志愿者，而尸體試驗(yàn)志愿者年齡在50 歲，胸椎角度隨年齡增長的變化及骨質(zhì)的力學(xué)屬性的變化都會影響肋骨的受力。其三，根據(jù)Mohr等［32］的研究，肋骨密質(zhì)骨后端厚度大于前端，內(nèi)側(cè)厚度明顯大于外側(cè)。Li等［33］也指出相比于厚度恒定的皮質(zhì)骨模型，可變厚度的四邊形皮質(zhì)骨殼體模型雖然對模擬骨折位置影響不大，但能夠更準(zhǔn)確地匹配骨折力-失效位移關(guān)系。本研究所開發(fā)的模型肋骨皮質(zhì)骨厚度恒定，因此可能會影響肋骨骨折響應(yīng)。總體來講，所開發(fā)的模型能夠預(yù)測復(fù)雜的胸部變形與肋骨骨折形式，在仿真驗(yàn)證中也精確再現(xiàn)了尸體試驗(yàn)肋骨出現(xiàn)骨折的位置，但模型與受試者的個(gè)體差異也使預(yù)測的肋骨骨折數(shù)略有不同。為更加準(zhǔn)確地預(yù)測肋骨骨折，今后模型須更準(zhǔn)確地模擬皮質(zhì)骨幾何形狀及厚度變化。

本研究分別提取了5 組仿真試驗(yàn)中內(nèi)臟器官最大第一主應(yīng)變，并與相應(yīng)尸體試驗(yàn)檢測的內(nèi)臟損傷相比較。結(jié)果表明，所開發(fā)的模型能較為準(zhǔn)確地預(yù)測內(nèi)臟損傷。盡管胸部側(cè)面撞錘沖擊尸體試驗(yàn)（9.7 m/s）并未檢測到肺部損傷，但仿真試驗(yàn)所得肺部最大第一主應(yīng)變已超出損傷閾值，說明肺部發(fā)生損傷的風(fēng)險(xiǎn)較高。究其原因：仿真試驗(yàn)中4 根肋骨發(fā)生連續(xù)性骨折，這種多發(fā)性肋骨骨折會降低胸廓的強(qiáng)度，因此肺部受到的壓迫力更大，增大了肺部發(fā)生損傷的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

首次基于符合中國第五百分位女性特征的志愿者醫(yī)學(xué)影像，開發(fā)了具有中國第五百分位女性體征的汽車乘員損傷仿生模型，相較于在國外模型基礎(chǔ)上更改的模型，該模型具有自主知識產(chǎn)權(quán)，可為我國汽車行業(yè)自主研發(fā)汽車全域安全系統(tǒng)及汽車安全測評提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在頭、頸、胸腹和下肢局部模型有效性驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，參照小身材女性尸體試驗(yàn)加載條件，模擬了4 種區(qū)域加載條件，共進(jìn)行5 組正面與側(cè)面鈍性沖擊試驗(yàn)，驗(yàn)證整人模型的有效性，得出以下結(jié)論。

（1）仿真驗(yàn)證所得接觸力-壓縮量曲線與尸體試驗(yàn)趨于一致，最大接觸力與最大壓縮量和尸體試驗(yàn)平均差異在10%以內(nèi)，驗(yàn)證了模型的有效性。仿真驗(yàn)證所得內(nèi)臟器官生物力學(xué)響應(yīng)與尸體試驗(yàn)檢測結(jié)果基本一致，從應(yīng)力應(yīng)變云圖能較直觀地觀察并分析損傷發(fā)生的位置以及造成損傷的原因。因此，該損傷仿生模型具有較高可靠性，可以用于人體損傷仿真計(jì)算分析。

（2）整人模型的接觸力-壓縮量曲線表現(xiàn)出與局部胸腹部模型相似的趨勢，但在四肢運(yùn)動響應(yīng)的作用下，整人模型的胸腹部剛度略高于局部胸腹部模型，因此整人模型更能準(zhǔn)確地反映人體的運(yùn)動學(xué)響應(yīng)。

本研究所開發(fā)的中國第五百分位女性體征汽車乘員損傷仿生模型（TUST IBMs F05-O）具有詳細(xì)的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)特征，且通過再現(xiàn)尸體試驗(yàn)驗(yàn)證模型具有較高的生物仿真度，可用于汽車碰撞中小身材女性乘員損傷機(jī)理研究，能夠?yàn)槠嚁?shù)字化測評技術(shù)、汽車主被動安全一體化研究和智能汽車安全防護(hù)裝置的研發(fā)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。