基于THUMS人體模型的正撞乘員傷害研究

高繼東，祁志楠，謝書港，崔 東

(1.中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300； 2.河北工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，天津 300130)

2016149

基于THUMS人體模型的正撞乘員傷害研究

高繼東1,2，祁志楠1,2，謝書港1，崔 東1

(1.中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300； 2.河北工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，天津 300130)

通過標(biāo)定后的50km/h正撞臺車模型，分析了THUMS人體模型和Hybrid III假人模型頭部和胸部的傷害指標(biāo)，驗證了THUMS人體模型和Hybrid III假人在評估人體頭部和胸部損傷方面的一致性，得出了THUMS人體模型在評估正撞乘員頭部和胸部傷害方面具有較高精度的結(jié)論。通過優(yōu)化后的臺車模型，進(jìn)一步分析了兩種模型頭部與胸部的傷害指標(biāo)。結(jié)果表明，THUMS人體模型在評估大腦、顱骨、肋骨和心臟與肺部等內(nèi)臟器官的損傷方面明顯優(yōu)于Hybrid III假人?？偟膩碚f，THUMS人體模型能更全面地評估和預(yù)測人體損傷，有利于約束系統(tǒng)和損傷評估標(biāo)準(zhǔn)的改進(jìn)和完善。

正面碰撞；THUMS人體模型；Hybrid III假人;乘員損傷

前言

Hybrid III有限元假人是根據(jù)人體特征簡化的假人模型，它通過簡化的1D單元和配重來模擬人體很多的組織器官(見圖1)。Hybrid III假人內(nèi)部裝有多個傳感器，這些傳感器分別安裝在假人的不同部位(頭部和胸部質(zhì)心等)，通過分析處理傳感器采集到的數(shù)據(jù)，得到Hybrid III假人的傷害評價參數(shù)(如加速度、位移量等)。但是Hybrid III假人的傷害評價參數(shù)不能直接反映人體各組織器官的傷害情況，需要經(jīng)過處理來實現(xiàn)人體損傷的評估和預(yù)測。

THUMS人體模型是在人體解剖學(xué)的基礎(chǔ)上，結(jié)合高分辨率醫(yī)學(xué)CT全方位地對人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)組織進(jìn)行模擬的生物力學(xué)有限元模型(圖2)。THUMS人體模型根據(jù)人體特征賦予真實的材料屬性和運動關(guān)系。將THUMS人體模型應(yīng)用到汽車被動安全開發(fā)中，能將沖撞時的人體實際狀況最大限度地再現(xiàn)出來，同時還能準(zhǔn)確預(yù)測人體各個部位的傷害情況[1]。因此，THUMS人體模型對改善汽車安全性能，減小汽車碰撞過程中人體的損傷具有十分重要的現(xiàn)實意義和工程應(yīng)用價值。

本文中依據(jù)某車型標(biāo)定后的50km/h正撞臺車模型，分析驗證了Hybrid III假人與THUMS人體模型在頭部與胸部傷害指標(biāo)與機理的一致性。通過優(yōu)化后的臺車模型，進(jìn)一步分析了兩種模型頭部和胸部傷害的異同之處，得出了THUMS人體模型能夠更加全面地預(yù)測碰撞中的人體損傷情況的結(jié)論。

1 損傷機理與損傷評價標(biāo)準(zhǔn)

1.1 頭部和胸部的損傷機理

頭部損傷是交通事故中致死的主要原因，而動載荷是交通事故中引起頭部傷害的主要原因。動載荷分為接觸載荷和非接觸載荷，接觸載荷會引起頭部顱骨骨折甚至局部的腦損傷；非接觸載荷會引起頭部的慣性運動，頭部會產(chǎn)生平移加速度和旋轉(zhuǎn)加速度，平移加速度一般會導(dǎo)致局灶性損傷，而旋轉(zhuǎn)加速度會導(dǎo)致彌散性腦損傷[2]。

交通事故中，胸部致傷所占的比例僅次于頭部損傷。碰撞過程中沖擊力作用下駕駛員胸部會產(chǎn)生骨骼結(jié)構(gòu)與軟組織的壓縮變形，導(dǎo)致骨骼和內(nèi)部組織損傷，當(dāng)壓縮變形量超過胸腔耐受極限時，會發(fā)生骨折和內(nèi)部器官、血管等的挫傷或破裂。

1.2 損傷評定標(biāo)準(zhǔn)

由于交通事故具有不確定性，造成人體損傷的原因是多方面的，有些傷害評價指標(biāo)沒有把致傷原因考慮周全，導(dǎo)致?lián)p傷預(yù)測的結(jié)果與人體真實的傷害不完全相符。

為量化人體損傷的嚴(yán)重程度和配合損傷標(biāo)準(zhǔn)的使用，美國汽車醫(yī)學(xué)協(xié)會制定了解剖學(xué)尺度的損傷評定標(biāo)準(zhǔn)(abbreviated injury scale, AIS)。AIS標(biāo)準(zhǔn)中按照傷情對生命威脅的大小，將每一個器官的每一處損傷評為0-6等級，如表1所示。AIS的等級越高說明該項損傷對生命的威脅程度越大，4級以上均威脅生命安全，第6級為死亡或者目前醫(yī)學(xué)上還無法救治的損傷[3]。

表1 AIS損傷等級

2 THUMS人體模型驗證

2.1 兩種模型姿態(tài)的調(diào)整

基于對標(biāo)完成后的Hybrid III假人臺車模型頭部和胸部仿真值與試驗基本一致，模型可靠，頭部和胸部的對標(biāo)結(jié)果如圖3所示。用THUMS人體模型替換Hybrid III假人，并根據(jù)Hybrid III假人定位參數(shù)對THUMS人體模型進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保兩種模型姿態(tài)一致，如圖4所示。

兩種模型定位參數(shù)如表2所示，THUMS人體模型與Hybrid III假人模型頭部與胸部定位參數(shù)相差在2%以內(nèi)，Hybrid III假人和THUMS人體模型姿態(tài)一致。

表2 姿態(tài)對比

2.2 兩種模型運動姿態(tài)的一致性驗證

用THUMS人體模型來替換臺車模型中的Hybrid III假人，對兩種模型進(jìn)行CAE仿真分析，得到兩種模型的運動姿態(tài)圖，如圖5所示。兩種模型在0，50，75，100和120ms時的運動姿態(tài)基本一致。

通過對比分析Hybrid III假人和THUMS人體模型的定位參數(shù)和在碰撞中的運動姿態(tài)，確定了THUMS人體模型與Hybrid III假人在反映碰撞中車內(nèi)乘員運動姿態(tài)方面具有較高的一致性。

2.3 兩種模型頭部傷害的一致性驗證

2.3.1 Hybrid III假人頭部傷害

通過仿真分析，Hybrid III假人模型頭部的3ms合成加速度最大值為53.4g，如圖3(a)所示，對應(yīng)的頭部HIC值為480.2。

文獻(xiàn)[4]中將頭部傷害指標(biāo)HIC與簡明損傷等級AIS進(jìn)行關(guān)聯(lián)，得到關(guān)系如表3所示。

表3 HIC與AIS等級關(guān)系

由表3可知，HIC值為480.2可能造成的傷害介于AIS1和AIS2級別的傷害之間，說明該工況下駕駛員頭部可能會受到輕中度的損傷。

2.3.2 THUMS人體模型頭部傷害

仿真分析后的THUMS人體模型顱腦、顱骨的壓力和等效應(yīng)力如圖6所示。

文獻(xiàn)[5]中的研究指出，當(dāng)顱內(nèi)的等效應(yīng)力達(dá)到15～20kPa時，會造成腦震蕩，顱內(nèi)等效應(yīng)力達(dá)到38kPa，會導(dǎo)致嚴(yán)重的腦損傷；文獻(xiàn)[6]中在動物、人尸體試驗和有限元模型的基礎(chǔ)上得到，顱內(nèi)壓力大于235kPa，會導(dǎo)致大腦嚴(yán)重?fù)p傷，顱內(nèi)壓力介于173～235kPa之間，大腦會發(fā)生中等程度傷害，顱內(nèi)壓力低于173kPa會發(fā)生輕微傷害或者無傷害；文獻(xiàn)[7]中通過大量的案例得出，顱骨的等效應(yīng)力超過10.09MPa，會導(dǎo)致顱骨骨折。結(jié)合上述研究與THUMS人體模型仿真結(jié)果，THUMS人體模型的頭部各部位傷害結(jié)果如表4所示。

在50km/h正面碰撞工況下，THUMS人體模型的顱內(nèi)最大等效應(yīng)力為12.1kPa，接近顱內(nèi)應(yīng)力極限最小值15kPa，可能會引起頭部輕微腦震蕩；THUMS假人顱內(nèi)最大壓力為153.8kPa，接近輕微傷害的極限173kPa，頭部可能受到AIS1級別的輕微傷害；顱骨最大等效應(yīng)力為0.6MPa，遠(yuǎn)小于顱骨的極限應(yīng)力值，顱骨不會發(fā)生骨折。

表4 THUMS人體模型頭部損傷評價標(biāo)準(zhǔn)及傷害

綜上，通過Hybrid III假人的傷害指標(biāo)可以推斷，在該工況下駕駛員頭部可能受到輕中度的損傷，通過對THUMS人體模型的分析，該工況可能會造成駕駛員輕微的腦震蕩，二者頭部的傷害情況基本一致，說明THUMS人體模型與Hybrid III假人在評價頭部傷害方面具有較高一致性。

2.4 兩種模型胸部傷害的一致性驗證

2.4.1 Hybrid III假人胸部傷害

通過仿真分析，Hybrid III假人模型胸部的3ms合成加速度最大值為46.1g，胸部的最大壓縮量為33.4mm，如圖3(b)和圖3(c)所示。

文獻(xiàn)[8]中通過側(cè)面撞擊試驗得出了胸部加速度對胸部造成的損傷概率關(guān)系；文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]中通過試驗得出了胸部壓縮量與損傷概率的關(guān)系，如圖7所示。

由圖7可見，胸部加速度46.1g可能造成AIS≥3等級損傷的概率接近70%，胸部壓縮量33.4mm可能造成AIS≥3等級損傷的概率大于40%，綜合以上兩種評判標(biāo)準(zhǔn)，可見該工況下駕駛員的胸部可能會受到AIS3級別的較嚴(yán)重?fù)p傷。

2.4.2 THUMS人體模型胸部傷害

仿真分析后的THUMS人體模型胸部肋骨和內(nèi)臟組織的應(yīng)力應(yīng)變云圖如圖8所示。

研究表明，當(dāng)肋骨應(yīng)變率超過1.7%時，肋骨可能會發(fā)生骨折[11]，肋骨的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖9所示。文獻(xiàn)[12]中的研究指出，當(dāng)胸部壓力達(dá)到16kPa時，會引起肺部損傷；當(dāng)胸部壓力達(dá)到170kPa時，會造成心臟損傷；當(dāng)胸部壓力達(dá)到251kPa時，會造成肝臟損傷。結(jié)合上述研究與仿真結(jié)果，THUMS人體模型胸腔各部位傷害結(jié)果如表5所示。

胸部評價指標(biāo)損傷極限THUMS胸部傷害THUMS預(yù)估人體傷害肋骨應(yīng)變率/%1.725.5肋骨骨折肺部壓力/kPa16242.8肺部嚴(yán)重?fù)p傷心臟壓力/kPa170534.9心臟嚴(yán)重?fù)p傷肝臟壓力/kPa251195.5肝臟輕微傷

THUMS人體模型肋骨的最大應(yīng)變率為25.5%，遠(yuǎn)大于肋骨的應(yīng)變率極限，因此肋骨可能會發(fā)生骨折；肺部的最大壓力242.8kPa，遠(yuǎn)大于16kPa，因此肺部會受到嚴(yán)重?fù)p傷；心臟受到的最大壓力為534.9kPa,遠(yuǎn)大于170kPa，因此心臟會受到嚴(yán)重的損傷；肝臟受到的最大壓力為195.5kPa，小于251kPa，因此肝臟可能會受到輕微損傷或者沒有受到傷害。

綜上可知，根據(jù)THUMS人體模型與Hybrid III假人的胸部損傷指標(biāo)都可以推斷駕駛員的胸部受到了嚴(yán)重的損傷(AIS≥3)，說明THUMS人體模型與Hybrid III假人在評價胸部傷害方面具有較高的一致性。

通過對比THUMS人體模型與經(jīng)過試驗對標(biāo)的Hybrid III假人頭部和胸部的傷害，說明了THUMS人體模型與Hybrid III假人在評估人體的頭部、胸部的損傷方面具有較高的一致性，因此THUMS人體模型可以用來進(jìn)一步評估人體的損傷。

3 模型傷害優(yōu)化分析

通過修改約束系統(tǒng)參數(shù)，如安全氣囊的泄氣孔直徑從21mm增大到25mm，安全帶的限力從3 240N降到2 850N等，優(yōu)化兩種臺車模型，使Hybrid III假人和THUMS人體模型頭部與胸部受到的傷害最小。

3.1 優(yōu)化后模型的頭部傷害

3.1.1 Hybrid III假人頭部傷害

經(jīng)過優(yōu)化之后的Hybrid III假人模型頭部的合成加速度曲線見圖10，其頭部合成加速度最大值為27.9g，相應(yīng)的頭部HIC值為96.9。

根據(jù)HIC與AIS等級關(guān)系(表3)可知，優(yōu)化后的Hybrid III假人的頭部基本沒有受到傷害。

3.1.2 THUMS人體模型頭部傷害

經(jīng)過優(yōu)化之后的THUMS人體模型頭部各部位損傷如圖11所示，面部皮膚的最大應(yīng)變率為10.9%，顱內(nèi)最大等效應(yīng)力為6.1kPa，顱內(nèi)最大壓力為82.3kPa，顱骨最大等效應(yīng)力為173.3kPa。

根據(jù)表4可知，THUMS人體模型大腦的傷害值均小于損傷極限，預(yù)測駕駛員顱腦沒有受到傷害。

根據(jù)文獻(xiàn)[13]中的人造組織工程皮膚試驗得到，當(dāng)皮膚的應(yīng)變率達(dá)到3.5%左右會達(dá)到皮膚的抗拉強度極限，皮膚會發(fā)生撕裂。該工況下THUMS人體模型的面部皮膚應(yīng)變率為10.9%，大于皮膚撕裂的極限應(yīng)變率，因此駕駛員面部皮膚會發(fā)生撕裂。

3.2 優(yōu)化后模型的胸部傷害

3.2.1 Hybrid III假人胸部傷害

經(jīng)過優(yōu)化之后的Hybrid III假人模型的胸部傷害指標(biāo)見圖12，Hybrid III假人胸部的最大合成加速度為22.8g，胸部的最大壓縮量為21.2mm。

根據(jù)圖7可知，在該胸部加速度與胸部壓縮量下，能造成AIS≥3等級損傷的概率分別為35%與30%，因此車內(nèi)乘員胸部受到嚴(yán)重傷害的可能性很低。

根據(jù)C-NCAP胸部損傷評分標(biāo)準(zhǔn)，胸部加速度與胸部壓縮量的高性能指標(biāo)分別為38g、22mm[14]。Hybrid III假人胸部傷害值均小于高性能指標(biāo)，在測試中胸部能夠獲得滿分的成績，因此，推測駕駛員胸部所受傷害很小。

3.2.2 THUMS人體模型胸部傷害

經(jīng)過優(yōu)化之后的THUMS人體模型胸部傷害指標(biāo)見圖13，THUMS人體模型胸部肋骨的最大應(yīng)變率為2.2%，肺部的最大壓力為171.3kPa，心臟的最大壓力為317.5kPa，肝臟的最大壓力為154.4kPa。

根據(jù)表5可知，THUMS人體模型肋骨的最大應(yīng)變率2.2%超過肋骨的應(yīng)變率極限1.7%，因此肋骨可能會發(fā)生骨折；肺部受到的最大壓力171.3kPa遠(yuǎn)大于肺部的壓力極限16kPa，因此肺部會受到嚴(yán)重?fù)p傷；心臟受到的最大壓力為317.5kPa，大于其壓力極限170kPa，因此心臟會受到比較嚴(yán)重的損傷；肝臟受到的最大壓力為154.4kPa，小于其壓力極限251kPa，因此肝臟不會受到損傷。

通過對比優(yōu)化之后的Hybrid III假人模型和THUMS人體模型在相同邊界條件下的傷害情況，可知Hybrid III假人的頭部和胸部受到傷害很小。THUMS人體模型的顱腦沒有受到損傷，但會造成面部皮膚撕裂，胸部的肋骨可能會發(fā)生骨折，肺部和心臟會受到較嚴(yán)重的傷害。綜上分析可知，THUMS人體模型相比Hybrid III假人在評估人體損傷方面更加全面，精度更高。

4 結(jié)論

通過對比Hybrid III假人和THUMS人體模型優(yōu)化前的50km/h正撞臺車模型，分析了兩種模型頭部和胸部的傷害情況。THUMS人體模型能夠準(zhǔn)確反映碰撞中車內(nèi)乘員頭部、胸部的傷害指標(biāo)；相比Hybrid III假人，THUMS人體模型對于大腦、顱骨、肋骨以及心臟、肺部等內(nèi)臟的損傷評價更為直觀，也更為全面。具體結(jié)論如下。

(1) Hybrid III假人與THUMS人體模型在反映車內(nèi)乘員碰撞中的運動姿態(tài)方面具有較高的一致性。

(2) 通過分析Hybrid III假人與THUMS人體模型的頭部傷害指標(biāo)，Hybrid III假人頭部會受到輕中度的損傷，THUMS人體模型會受到輕微的腦震蕩，二者頭部的傷害情況基本一致。

(3) 通過分析Hybrid III假人與THUMS人體模型的胸部傷害指標(biāo)，兩種模型的評價結(jié)果都顯示駕駛員的胸部受到了嚴(yán)重?fù)p傷，說明Hybrid III假人與THUMS人體模型在評價胸部傷害方面具有較高一致性。

(4) 優(yōu)化后Hybrid III假人為輕微傷害或者無傷害；但相同邊界條件下，THUMS人體模型的面部皮膚會發(fā)生撕裂，胸部肋骨可能會發(fā)生骨折，肺部和心臟受到較嚴(yán)重的損傷。反映出Hybrid III假人在評估人體損傷方面具有局限性。

(5) THUMS人體模型能夠精準(zhǔn)地模擬出碰撞中車內(nèi)乘員大腦、顱骨、肋骨和心臟與肺部等內(nèi)臟的損傷情況，相比Hybrid III假人更加直觀，也更加全面。利于約束系統(tǒng)和損傷評估標(biāo)準(zhǔn)的改進(jìn)和完善。

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A Study on Occupant Injury in Frontal Crash Based on THUMS Human Model

Gao Jidong1,2, Qi Zhinan1,2, Xie Shugang1& Cui Dong1

1.ChinaAutomotiveTechnologyandResearchCenter,Tianjin300300;2.SchoolofMechanicalEngineering,HebeiUniversityofTechnology,Tianjin300130

With the frontal crash sled model calibrated at 50km/h, the head and chest injury indices of THUMS human model and Hybrid III dummy model are analyzed, verifying the consistency between THUMS model and Hybrid III dummy in assessing head and chest injury indices and drawing a conclusion that THUMS model has higher accuracy by comparison. Furthermore, the head and chest injury indices with two models are analyzed again with optimized sled model. The results show that THUMS model is obviously superior to Hybrid III dummy in assessing the injuries of brain, skull, ribs and internal organs like heart and lung. On the whole, THUMS model can more comprehensively assess and predict the injuries of human body, conducive to the improvement and perfection of occupant restraint system and injury assessment standard.

frontal crash; THUMS human model; Hybrid III dummy; occupant injury

原稿收到日期為2015年6月4日，修改稿收到日期為2015年9月2日。