基于中國(guó)人體測(cè)量學(xué)尺寸的假人頭部跌落試驗(yàn)的仿真研究*

曹立波，張 愷，顏凌波，湯 駿

(湖南大學(xué)，汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410082)

2016132

基于中國(guó)人體測(cè)量學(xué)尺寸的假人頭部跌落試驗(yàn)的仿真研究*

曹立波，張 愷，顏凌波，湯 駿

(湖南大學(xué)，汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410082)

為探究基于中國(guó)人體測(cè)量尺寸的假人頭部在跌落試驗(yàn)中的響應(yīng)與混合III型假人頭部響應(yīng)的差異，采用兩種常用的假人縮放方法建立了中國(guó)5百分位、50百分位和95百分位假人頭部有限元模型，并在3種不同沖擊速度下進(jìn)行跌落試驗(yàn)仿真。結(jié)果表明，非均一縮放方法獲得的中國(guó)假人頭部模型幾何尺寸與中國(guó)人體頭部測(cè)量學(xué)尺寸更為吻合，而采用該方法獲得的中國(guó)人3種體型的假人頭部合成加速度峰值均比對(duì)應(yīng)的混合III型假人頭部模型高3%～6%。

假人頭部；中國(guó)人體測(cè)量學(xué)尺寸；跌落試驗(yàn)仿真；縮放方法

前言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在美國(guó)每年約有30%的致命傷是由創(chuàng)傷性顱腦損傷(TBI)所引起的[1]，盡管研究人員對(duì)頭部損傷機(jī)理的研究不斷深入，在此基礎(chǔ)上采取了許多措施來(lái)降低交通事故中的頭部損傷程度，例如戴頭盔和乘員約束系統(tǒng)等，頭部損傷的數(shù)量和嚴(yán)重程度也得到了明顯降低，然而，交通事故中的頭部損傷仍然是導(dǎo)致人員死亡和傷殘的一個(gè)最主要原因[2]。汽車(chē)碰撞假人是根據(jù)人體生物力學(xué)研究成果而設(shè)計(jì)的模擬人體結(jié)構(gòu)與力學(xué)特性的機(jī)械裝置，是評(píng)估乘員在碰撞載荷下遭受傷害風(fēng)險(xiǎn)的重要工具[3]。目前，在世界范圍內(nèi)，混合III型系列假人是應(yīng)用最為廣泛的汽車(chē)正面碰撞測(cè)試假人，其中，50百分位男性假人表征美國(guó)中等體型成年男性，5百分位女性假人和95百分位男性假人通過(guò)縮放50百分位男性假人獲得，分別表征小體型成年女性和較大體型成年男性。研究表明，混合III型50百分位假人頭部輪廓與美國(guó)中等體型人體頭部輪廓十分吻合[4]，同時(shí)，在剛性碰撞中可以準(zhǔn)確地模擬人體頭部在相同工況下的力學(xué)響應(yīng)[5-6]。

由于混合III型系列假人的人體統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)參考的是美國(guó)20世紀(jì)80年代的研究成果，該參數(shù)與中國(guó)人體參數(shù)差異較大，2011年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)50百分位男性身高與混合III型假人身高的差異達(dá)到了3.48%，體質(zhì)量的差異更是達(dá)到了11.89%[7]。文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]中對(duì)中國(guó)假人模型與混合III型50百分位假人模型(標(biāo)準(zhǔn)假人模型)正面碰撞響應(yīng)的差異進(jìn)行了研究。研究表明，中國(guó)假人模型與標(biāo)準(zhǔn)假人模型在車(chē)輛正面碰撞中的損傷風(fēng)險(xiǎn)差異很大，開(kāi)發(fā)具有中國(guó)人體特征的假人具有重要意義。但是，上述研究是利用MADYMO軟件縮放得到的符合中國(guó)50百分位人體身材的假人模型，并未對(duì)縮放方法進(jìn)行探究。同時(shí)，上述研究討論的是兩種假人在約束系統(tǒng)中的響應(yīng)差異，由于在正面碰撞中假人的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)與乘員約束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)直接相關(guān)，這樣不利于從根本上研究?jī)煞N假人的損傷差異。此外，之前的研究大多集中于假人的整體響應(yīng)，并未對(duì)某一特定部位的損傷差異進(jìn)行研究。

由此可見(jiàn)，深入研究基于中國(guó)人體尺寸的假人頭部在跌落試驗(yàn)中的響應(yīng)對(duì)研究中國(guó)人體頭部損傷及開(kāi)發(fā)中國(guó)汽車(chē)碰撞測(cè)試假人具有重要意義。本文中首先探究了兩種縮放方法獲得中國(guó)人體假人頭部有限元模型的準(zhǔn)確性，建立了5百分位、50百分位和95百分位3種假人頭部的跌落試驗(yàn)仿真模型，在此基礎(chǔ)上研究了中國(guó)假人頭部模型與混合III型假人頭部模型在跌落試驗(yàn)中的加速度差異。

1 假人頭部模型縮放方法

研究人員常常采用縮放的方法通過(guò)現(xiàn)有成熟的假人模型獲得其他百分位假人模型，這樣既降低了假人模型的開(kāi)發(fā)周期與開(kāi)發(fā)成本，也在一定程度上保證了假人的生物逼真度。在處理成年人的縮放系數(shù)時(shí)，常常假設(shè)成年人的生物組織材料密度、剛度是一致的[10]，所以使用縮放方法獲得中國(guó)成年假人模型的過(guò)程中，幾何縮放因數(shù)是一個(gè)重要的參數(shù)。

混合III型50百分位假人頭部輪廓是通過(guò)大量樣本均一化處理后獲得的，為獲取其他體型人體的假人頭部輪廓，可以根據(jù)目標(biāo)人體頭部的幾何參數(shù)通過(guò)線(xiàn)性縮放獲得[11]。通過(guò)文獻(xiàn)研究，常用的假人頭部模型的縮放方法有兩種，一種是均一縮放方法，在開(kāi)發(fā)混合III型5百分位女性假人頭部和混合III型95百分位男性假人頭部時(shí)便采用了這種方法[12]，即在假人頭部局部坐標(biāo)系下X向、Y向和Z向的縮放系數(shù)λx，λy和λz相等，其中頭部局部坐標(biāo)系如圖1所示，頭部縮放系數(shù)的具體確認(rèn)方法為

(1)

λm=λx·λy·λz

(2)

式中：C為頭部周長(zhǎng)；W為頭部寬度(Y方向)；L為頭部長(zhǎng)度(X方向)；m為頭部質(zhì)量；λm為頭部質(zhì)量縮放系數(shù)；下標(biāo)1表示中國(guó)人體參數(shù)，下標(biāo)0表示美國(guó)人體參數(shù)。

另一種縮放方法為非均一縮放方法，在開(kāi)發(fā)50百分位女性后碰撞假人—EvaRID時(shí)，瑞典查爾莫斯科技大學(xué)的研究人員便采用了該方法[13]，頭部縮放系數(shù)的具體確認(rèn)方法為

λx=L1/L0

(3)

λy=W1/W0

(4)

λz=λm/(λy·λx)

(5)

2 假人頭部模型的建立

為更加深入研究基于中國(guó)人體尺寸的假人頭部模型與混合III型假人頭部模型的差異，本文中選取了5百分位、50百分位和95百分位3種體段人體的參數(shù)進(jìn)行研究，如表1所示，其中中國(guó)人體參數(shù)來(lái)自GB/T 10000—1988，開(kāi)發(fā)假人的參考人體參數(shù)來(lái)自AMVO(the anthropometry for motor vehicle occupants)中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[11]。

表1 頭部尺寸參數(shù)

根據(jù)上述的兩種縮放方法，得到了3種體型中國(guó)假人頭部的縮放系數(shù)，如表2所示，其中系數(shù)大于1表示在原模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行放大，系數(shù)小于1表示在原模型的基礎(chǔ)上縮小。

表2 頭部縮放系數(shù)

用于開(kāi)發(fā)中國(guó)5百分位、50百分位和95百分位假人頭部有限元模型的原模型為L(zhǎng)STC公司與美國(guó)國(guó)家碰撞分析中心(NCAC)共同開(kāi)發(fā)的混合III型5百分位、50百分位和95百分位假人有限元模型。

以50百分位假人頭部模型為例，圖2中從左至右依次為混合III型50百分位假人頭部有限元模型、均一縮放中國(guó)50百分位假人頭部有限元模型和非均一縮放中國(guó)50百分位假人頭部有限元模型。為深入比對(duì)通過(guò)兩種縮放方法得到的中國(guó)假人頭部的幾何差異，分別抽取了3種50百分位假人頭部模型矢狀面和冠狀面的輪廓線(xiàn)，如圖3所示。結(jié)合表1和圖3可以發(fā)現(xiàn)，中國(guó)50百分位人體頭部寬度尺寸基本一致，長(zhǎng)度和周長(zhǎng)尺寸差異較大，若采用均一系數(shù)的縮放方法，得到的中國(guó)50百分位假人頭部模型在矢狀面和冠狀面的輪廓線(xiàn)與中國(guó)人體的頭部幾何參數(shù)均有明顯偏差。由于絕大部分的創(chuàng)傷性顱腦損傷都發(fā)生于頭部與其他物體的碰撞過(guò)程中，所以假人頭部輪廓與人體頭部輪廓高度一致是保證假人生物逼真度的重要前提，相對(duì)而言，非均一縮放方法更適合用于開(kāi)發(fā)中國(guó)尺寸假人模型。

3 假人頭部跌落試驗(yàn)仿真

雖然LSTC與NCAC共同開(kāi)發(fā)的混合III型假人有限元模型得到了充分的驗(yàn)證[14]，在進(jìn)行中國(guó)假人頭部與混合III型假人頭部跌落試驗(yàn)差異研究之前，本文中對(duì)混合III型50百分位假人頭部有限元模型在高速、中速和低速3種試驗(yàn)工況下的質(zhì)心加速度與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)標(biāo)。第一種試驗(yàn)設(shè)置為：調(diào)整假人的頭部，使假人額頭最低點(diǎn)處于假人鼻子最低點(diǎn)的下方12.7mm處，將假人頭部從376mm的高處自由跌落到剛性平面上，即假人頭部以2.72m/s的初速度撞擊剛性平面，該試驗(yàn)也就是假人頭部標(biāo)定試驗(yàn)，是檢驗(yàn)假人生物逼真度與驗(yàn)證假人有限元模型必不可少的試驗(yàn)。后兩種試驗(yàn)設(shè)置與第一種試驗(yàn)類(lèi)似，只是將撞擊初速度調(diào)整為1.9和4m/s，試驗(yàn)過(guò)程中采集頭部加速度曲線(xiàn)，并使用SAE 1000等級(jí)進(jìn)行濾波。參考試驗(yàn)設(shè)置建立假人頭部跌落試驗(yàn)仿真模型，如圖4所示，調(diào)用LS-DYNA有限元求解器，仿真后輸出頭部質(zhì)心合成加速度曲線(xiàn)，同樣使用SAE 1000等級(jí)進(jìn)行濾波。

仿真與試驗(yàn)得到的混合III型50百分位假人頭部在3種跌落試驗(yàn)中的頭部質(zhì)心合成加速度曲線(xiàn)如圖5所示，其中撞擊初速度為4m/s的試驗(yàn)曲線(xiàn)來(lái)自文獻(xiàn)[15]中的研究,加速度峰值如表3所示。從圖中可以看出，3種試驗(yàn)工況下有限元仿真模型與試驗(yàn)曲線(xiàn)吻合較好，但是仿真曲線(xiàn)的波形較寬，合成加速度峰值的差異均小于3%。

撞擊初速度v0/(m·s-1)合成加速度峰值/g試驗(yàn)仿真差異/%1.9159.43157.231.382.72260.12258.70.554437448.432.62

對(duì)利用非均一縮放方法獲得的中國(guó)人體5百分位、50百分位和95百分位假人頭部建立3種碰撞速度的跌落試驗(yàn)仿真模型，仿真結(jié)果如圖6所示。在3種試驗(yàn)工況下，基于中國(guó)人體尺寸建立的3種體型的假人頭部的合成加速度峰值均高于對(duì)應(yīng)的混合III型假人頭部模型的合成加速度峰值，差異在3%～6%，也就是說(shuō)在相同碰撞強(qiáng)度下，中國(guó)假人頭部會(huì)遭受更加嚴(yán)重的損傷。與此同時(shí)，隨著體型的增大，假人的頭部合成加速度峰值呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。

造成中國(guó)假人頭部合成加速度峰值高于混合III型假人頭部模型的原因是多方面的。首先，中國(guó)人體頭部與用于混合III型假人開(kāi)發(fā)的美國(guó)人體頭部在幾何尺寸上存在差異。其次就是頭部質(zhì)量方面的差異，在分析假人頭部跌落試驗(yàn)中的頭部質(zhì)心加速度時(shí)，可將假人頭部簡(jiǎn)化為一個(gè)單一的彈簧-質(zhì)量模型[12]，根據(jù)能量守恒定律得

(6)

式中：v為碰撞速度；d為質(zhì)量塊最大移動(dòng)量；k為彈簧剛度。根據(jù)牛頓第二定律和胡克定律可得

F=ma

(7)

F=kd

(8)

式中：F為碰撞力；a為碰撞中質(zhì)量塊加速度。

綜合式(6)～式(8)，可得

(9)

由于試驗(yàn)條件相同，即兩組試驗(yàn)的碰撞速度v相同，同時(shí)可認(rèn)為彈簧-質(zhì)量模型的彈簧剛度近似，則碰撞過(guò)程中加速度峰值的平方反比于質(zhì)量，即頭部質(zhì)量越小，加速度峰值越大，通過(guò)改變混合III型假人頭部質(zhì)量，在標(biāo)定試驗(yàn)中頭部質(zhì)心加速度峰值的變化規(guī)律也印證了此點(diǎn)[16]。再次，縮放導(dǎo)致假人頭部皮膚厚度的變化也是引起頭部質(zhì)心加速度峰值差異的重要原因。通過(guò)仿真分析，將中國(guó)假人頭部皮膚的厚度調(diào)整為與混合III型假人頭部皮膚的厚度一致時(shí)，二者在跌落試驗(yàn)中加速度峰值的差異僅為1%～3%。當(dāng)然，在縮放過(guò)程中頭部形狀、頭部質(zhì)量和頭皮厚度這些因素都會(huì)隨之變化，三者共同作用導(dǎo)致了中國(guó)假人頭部質(zhì)心加速度峰值高于混合III型假人頭部加速度峰值的結(jié)果。

4 結(jié)論

歸納總結(jié)兩種開(kāi)發(fā)假人常用的幾何縮放方法，結(jié)合中國(guó)人體與混合III型假人開(kāi)發(fā)時(shí)期美國(guó)人體在頭部幾何參數(shù)的差異，通過(guò)縮放方法獲得了一系列符合中國(guó)人體尺寸的假人頭部有限元模型，通過(guò)3種工況下頭部跌落試驗(yàn)的仿真研究，得到如下結(jié)論。

(1) 通過(guò)非均一縮放方法獲得中國(guó)假人頭部模型是一種更為理想的開(kāi)發(fā)策略。

(2) 在3種試驗(yàn)工況下，基于中國(guó)人體尺寸建立的3種體型的假人頭部的合成加速度峰值均比對(duì)應(yīng)的混合III型假人頭部模型的仿真結(jié)果高3%～6%。

(3) 隨著體型的增大，假人的頭部合成加速度峰值呈下降趨勢(shì)。

目前，我國(guó)現(xiàn)行的汽車(chē)安全法規(guī)與新車(chē)評(píng)價(jià)規(guī)程中汽車(chē)正面碰撞試驗(yàn)均使用混合III型假人，由于我國(guó)人體在體質(zhì)量、身高與假人具有明顯差異，在相同沖擊環(huán)境下，中國(guó)假人頭部會(huì)承受更大的加速度，使用混合III型假人替代中國(guó)人體是否合理仍存在不小爭(zhēng)議。因此，建議我國(guó)在制定法規(guī)以及開(kāi)發(fā)新車(chē)型時(shí)考慮中國(guó)人體與現(xiàn)行假人在幾何尺寸與損傷風(fēng)險(xiǎn)的差異，為我國(guó)乘員提供更好的保護(hù)，同時(shí)，對(duì)于符合中國(guó)人體尺寸假人的研究工作必須穩(wěn)步推進(jìn)，在沒(méi)有足夠充分的人體生物力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的前提下，采用非均一縮放方法獲得中國(guó)假人頭部模型具有參考價(jià)值。

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A Simulation Study on the Drop Test of Dummy HeadBased on Chinese Anthropometric Dimensions

Cao Libo, Zhang Kai, Yan Lingbo & Tang Jun

HunanUniversity,StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufacturingforVehicleBody,Changsha410082

In order to investigate the difference of head responses between the dummy based on Chinese anthropometric dimensions and Hybrid-III dummy in drop simulation, two common dummy scaling methods are adopted to create the finite element models for the 5th, 50th and 95th percentile Chinese dummy head, on which a drop-test simulation is conducted at three different impact speeds. The results show that the geometric dimensions of Chinese dummy head model obtained by inhomogeneous scaling method are more consistent with Chinese anthropometric dimensions, and the resultant acceleration peak values of three percentile Chinese dummy heads obtained by that method are 3%～6% higher than corresponding Hybrid III dummy head model.

dummy head; Chinese anthropometric dimensions; drop-test simulation; scaling method

*湖南大學(xué)汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(31575005)和國(guó)家自然科學(xué)基金(11172099)資助。

原稿收到日期為2015年5月28日。