基于Thums人體模型追尾碰撞乘員損傷研究

裴元津 華 林 謝書港 崔 東 祁志楠

(武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院1) 武漢 430070) (現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2) 武漢 430070) (中國汽車技術(shù)研究中心3) 天津 300300)

基于Thums人體模型追尾碰撞乘員損傷研究

裴元津1,2)華 林1,2)謝書港3)崔 東3)祁志楠3)

(武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院1)武漢 430070) (現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2)武漢 430070) (中國汽車技術(shù)研究中心3)天津 300300)

鞭打試驗(yàn)所采用的BioRID-2假人有其自身局限性，它不能直觀地反映乘員韌帶、脊椎和內(nèi)臟等組織的傷害情況.從某座椅的鞭打試驗(yàn)入手，驗(yàn)證了該座椅有限元模型的準(zhǔn)確性，并通過Thums人體模型與BioRID-2假人在試驗(yàn)過程中的姿態(tài)和部分輸出曲線對比，證明了其可靠性，并對Thums人體模型可能出現(xiàn)損傷的身體部位進(jìn)行了傷害研究.結(jié)果表明，該座椅在鞭打試驗(yàn)中除頸部受傷以外，腰椎盤纖維環(huán)及下腹部位置的內(nèi)臟也會(huì)有所損傷.利用與醫(yī)學(xué)傷害標(biāo)準(zhǔn)比對的方法來驗(yàn)證了Thums人體模型的可靠性，并指出低速追尾碰撞存在的潛在傷害.

鞭打試驗(yàn)；追尾碰撞；BioRID-2假人；Thums人體模型；傷害研究

0 引 言

汽車碰撞事故的類型大體上分為正面碰撞、側(cè)面碰撞、追尾碰撞和翻車4類.日本交通安全協(xié)會(huì)2005年的汽車碰撞事故統(tǒng)計(jì)餅狀圖顯示，雖然追尾事故死亡率在所有交通事故中只占了4%，但其造成的不同形式的傷害占有卻高達(dá)54%.

由追尾事故造成的頸部扭傷和拉傷(也稱為揮鞭傷)在各類傷害中占有很大比重，此類傷害也成為了美國最為多見的保險(xiǎn)賠付項(xiàng)目之一.僅2007年，由于頸部受傷所支出的保險(xiǎn)賠償就有約88億美元，占碰撞事故總賠償?shù)?5%[1].此外，澳大利亞每年因頸部損傷造成的經(jīng)濟(jì)損失也高達(dá)5 400萬澳元[2].

BioRID-2假人模型，在C-NCAP鞭打試驗(yàn)中有著不可撼動(dòng)的地位，其擁有復(fù)雜的脊椎構(gòu)造，可以較為精確的評(píng)估頸部所受到的各種傷害.

然而，低速追尾事故更多考慮頸部傷害的同時(shí)，往往忽略了其他部位的受傷情況.圖1為追尾碰撞中人體損傷部位所占比例，不難看出除頸部傷害以外，其他部位包括上肢、下肢、頭部及下背部損傷總共占了大約20%.

圖1 追尾碰撞中人體損傷部位所占比例

豐田公司研究開發(fā)的Thums人體模型(見圖2)，是基于人體解剖學(xué)并結(jié)合高分辨率醫(yī)學(xué)CT對人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)組織進(jìn)行全方位模擬的生物力學(xué)有限元模型.

圖2 Thums人體模型內(nèi)部構(gòu)造

其優(yōu)勢在于可以通過多種方式對人體傷害情況進(jìn)行預(yù)測和評(píng)估：①最直觀的一種就是可以看到骨骼及韌帶的斷裂；②還可以從應(yīng)力、應(yīng)變等參數(shù)來判斷傷害程度,見圖3.較BioRID-2假人而言，Thums人體模型可以得到更豐富的傷害信息，這對于改善汽車安全性能，減小汽車碰撞過程中人體的損傷具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和工程應(yīng)用價(jià)值,因此，越來越多的科研機(jī)構(gòu)和組織開始利用此模型進(jìn)行對碰撞安全方向的研究與開發(fā).

圖3 Thums人體模型傷害讀取方法

文中從對標(biāo)后的座椅入手，首先驗(yàn)證了Thums人體模型與BioRID-2假人在鞭打仿真中姿態(tài)和部分輸出曲線的一致性.隨后探究了除頸部傷害之外的其他部位的受傷情況.

1 損傷機(jī)理及損傷評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.1 低速追尾碰撞傷害機(jī)理

頸部傷害是低速追尾事故中最為常見的傷害類型，專指機(jī)動(dòng)車追尾碰撞對乘員頭頸產(chǎn)生突然的過伸及過屈作用力，使頸部軟組織承受過度應(yīng)力而造成的損傷[3].在后碰過程中，頸部響應(yīng)包含一系列復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，可以分為3個(gè)不同的階段，分別為縮回運(yùn)動(dòng)、向前運(yùn)動(dòng)和安全帶約束運(yùn)動(dòng).第1階段中，頭部因慣性會(huì)保持在原始位置，而座椅由于追尾車輛碰撞會(huì)推動(dòng)駕駛員后背及肩部向前運(yùn)動(dòng)，整體上與頭部形成了“S”形.這種 “S”形的變化在頸部損傷機(jī)理中十分關(guān)鍵；第2階段是向前運(yùn)動(dòng)，特點(diǎn)是有1個(gè)運(yùn)動(dòng)方向的改變，并且此階段主要受座椅設(shè)計(jì)影響，特別是座椅的彈性及其相應(yīng)的回彈效應(yīng)；最后階段安全帶約束人向前傾倒的趨勢從而結(jié)束整個(gè)過程[4].

分析表明，座椅靠背突然前沖給予腰腹部位的作用，帶來的腰椎瞬時(shí)彎曲過大，可能會(huì)導(dǎo)致了腰椎間盤、韌帶和附近的內(nèi)臟損傷.

1.2 傷害評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

C-NCAP評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)中有著明確的鞭打試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，通過測得3個(gè)方向頭部質(zhì)心加速度、T1加速度，從而計(jì)算出頸部傷害值(NIC)對座椅進(jìn)行評(píng)價(jià)，見表1.

表1 C-NCAP(2015)鞭打試驗(yàn)評(píng)分原則

Thums人體模型能準(zhǔn)確而清楚的反映人體各個(gè)器官在事故中所發(fā)生的變化，并且很容易得到應(yīng)力、應(yīng)變等傷害參數(shù)，配合醫(yī)學(xué)中各部位的損傷標(biāo)準(zhǔn)和受傷等級(jí)，可以在一定程度上補(bǔ)充現(xiàn)在評(píng)價(jià)體系的不足之處.

2 THUMS人體模型驗(yàn)證

2.1 BioRID-2假人鞭打模型可靠性驗(yàn)證

文中選取了某款做C-NCAP鞭打摸底試驗(yàn)的座椅進(jìn)行研究，靜態(tài)測量中頭后間隙為27 mm,頭枕高于頭頂19 mm.試驗(yàn)后，依據(jù)C-NCAP(2015)鞭打試驗(yàn)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，主要失分項(xiàng)見表2，可以看出頸部NIC值和上頸部扭矩存在嚴(yán)重問題.

表2 鞭打試驗(yàn)問題項(xiàng)得分

隨后建立有限元模型并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對標(biāo)，選取了2個(gè)有代表性的曲線(頭部質(zhì)心X方向加速度和上頸部My)進(jìn)行對比，由圖4可知，仿真曲線與試驗(yàn)曲線基本一致，由此證明了有限元模型的可靠性.

圖4 座椅模型對標(biāo)對標(biāo)

2.2 Thums假人模型建立

用Thums人體模型替換Biorid-2假人，并根據(jù)定位參數(shù)調(diào)節(jié)姿態(tài).定義駕駛員座椅左下固定螺栓中心為基準(zhǔn)，按照試驗(yàn)數(shù)據(jù)，頭后間距、頭頂高度、h點(diǎn)坐標(biāo)、膝蓋離地高度、腳跟腳踵離基準(zhǔn)與試驗(yàn)基本相同，其定位參數(shù)見表3，可見相差基本不超過5 mm.圖5為初始坐姿對照圖.

表3 Thums人體模型定位參數(shù)

圖5 Thums人體模型與Biorid-2坐姿對比

2.3 兩假人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)一致性驗(yàn)證

分別模擬2種模型的鞭打過程，得到動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)圖,見圖6.0，60，120，160 ms這4個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻，分別為初始時(shí)刻、頭枕接觸時(shí)刻、座椅后傾角最大時(shí)刻和頭枕分離時(shí)刻，如圖可見，運(yùn)動(dòng)姿態(tài)基本一致.

圖6 2模型運(yùn)動(dòng)過程一致性對比

綜上所述，通過對比Thums人體模型和Biorid-2假人的定位參數(shù)和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，可以得出Thums人體模型在車輛低速追尾碰撞中的可靠性.

3 Thums人體模型的傷害分析

正常人體脊椎由7塊頸椎骨(C1-C7)、12塊胸椎骨(T1-T12)和5塊腰椎骨(L1-L5)組成，通過韌帶、椎間盤和肌肉相互支撐連接.現(xiàn)階段C-NCAP所使用的Biorid-2假人，是通過研究頭部與T1的相對運(yùn)動(dòng)關(guān)系和受力情況來判斷傷害程度.而Thums則是根據(jù)每個(gè)身體組織和結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變特點(diǎn)，參照各個(gè)醫(yī)學(xué)論文中的傷害標(biāo)準(zhǔn)，對傷害情況進(jìn)行評(píng)估.表4給出了頸椎軟組織耐受限值.

表4 頸部軟組織的耐受限度

3.1 頸部傷害分析

圖7為脊椎韌帶及附著點(diǎn)的示意圖[5].

圖7 脊椎韌帶及其附著點(diǎn)

根據(jù)仿真結(jié)果及表3所給出的頸椎軟組織耐受限值， T1與T2之間的棘間韌帶應(yīng)變幾乎達(dá)到限值.而連接T3-T4的椎間盤應(yīng)力在100 ms的時(shí)候超出閥值近100%.這一時(shí)刻軀干向前運(yùn)動(dòng)而頭部因慣性靜止不動(dòng)，對應(yīng)的頸間盤剪切和拉伸力也達(dá)到最大,見圖8.這一點(diǎn)驗(yàn)證了鞭打摸底試驗(yàn)中NIC和上頸部轉(zhuǎn)矩過大造成的損傷.

圖8 頸部韌帶和椎間盤損傷情況

3.2 腰腹傷害分析

C-NCAP中的鞭打試驗(yàn)并不考察腰腹部的傷害，雖然一般認(rèn)為，低速追尾事故主要會(huì)對頸部造成比較嚴(yán)重的慢性損傷，但并不能說明此類事故不會(huì)帶來其他傷害.通過分析Thums人體模型，在整個(gè)追尾階段中，座椅的突然加速向前不會(huì)給上部軀干造成太大影響，但會(huì)使下背部變形，造成了腰腹部位內(nèi)臟的傷害.

3.2.1 腰椎及下部肋骨傷害

由圖9可知，由于骨盆突然加速前移，而軀干上半部分處于靜止，導(dǎo)致腰椎整體向后彎曲，棘間韌帶的壓縮程度高達(dá)了91%，這會(huì)造成韌帶拉傷.另外，腰椎間盤所受應(yīng)力在75 ms左右時(shí)刻達(dá)到峰值，大大超過了限值，可能會(huì)造成纖維環(huán)破裂.

圖9 腰椎間盤變化

另外，研究表明，肋骨骨密質(zhì)的應(yīng)變應(yīng)小于2%，橫向拉伸強(qiáng)度只有53 MPa，否則可能會(huì)發(fā)生骨折[5]，見圖10.仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，骨密質(zhì)幾乎未發(fā)生形變，雖然帶來了一定程度的橫向拉伸，但不會(huì)造成傷害.

圖10 肋骨骨密質(zhì)變化

3.2.2 腹部內(nèi)臟傷害

由于背部變形擠壓，下腹中的內(nèi)臟也受到了不同程度的影響.Melvin等[6]發(fā)現(xiàn)肝臟、腎臟和脾臟的應(yīng)變率耐受限度都在30%左右，很明顯的圖中肝臟擠壓變形達(dá)到了46.6%，可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)出血.而腎臟和脾臟被擠壓應(yīng)變略微超過30%，可能會(huì)有輕度痛感，見圖11.

圖11 內(nèi)臟傷害情況

其他內(nèi)臟和組織包括心臟(30%)、肺(10 kPa)、腸道(120%)和主要血管(100%)等，沒有過度變形出現(xiàn)，并且都處于限值以內(nèi)，不會(huì)受到傷害[7].

4 結(jié) 論

1) Thums人體模型與Biorid-2假人在鞭打試驗(yàn)中具有較高的一致性，可以正確模擬出鞭打試驗(yàn)中的人體響應(yīng)過程.

2) 通過分析頸椎間盤和韌帶的損傷情況，驗(yàn)證了Thums人體模型在低速追尾試驗(yàn)中的可靠性.

3) 座椅的突然加速運(yùn)動(dòng)，帶來了L5和S1之間腰椎間盤嚴(yán)重?cái)D壓，會(huì)造成纖維環(huán)破裂，同時(shí)人體下背部的扭曲也造成了下腹部內(nèi)臟的輕微損傷.

4) 現(xiàn)階段鞭打試驗(yàn)對頸部傷害的評(píng)估相對成熟，但座椅對下背部的保護(hù)情況并未引起人們足夠重視，現(xiàn)有評(píng)價(jià)體系有待完善.

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Study on the Whiplash Injury Based on THUMS Human Model

PEI Yuanjin1,2)HUA Lin1,2)XIE Shugang3)CUI Dong3)QI Zhinan3)

(WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)1)(HubeiKeyLaboratoryofAdvancedTechnologyforAutomotiveComponents,Wuhan430070,China)2)(ChinaAutomobileTechnologyandResearchCenter,Tianjin300300,China)3)

The BioRID-2 dummy adopted in Whiplash test has limitation such that it is not able to demonstrate the injury of the occupants’ ligaments, spine, internal organs and other tissues. Base on a whiplash test for a particular seat, the accuracy of the finite element model of the seat is validated. In addition, by comparing the posture and the output curve between THUMS and BioRID-2, the reliability of this entire finite element model has been tested as well. At last, the paper specifies some possible damage in terms of the performance from the THUMS body model. Analysis shows that the human neck injury is not the only type of injury in low speed rear impact, lumbar disc annulus and lower abdominal organs damage should not be ignored while assessing a seat.

whiplash; rear impact; Biorid-2 dummy; THUMS; injury research

2016-12-12

R318.01

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.01.033

裴元津(1992—)：男，碩士，主要研究領(lǐng)域?yàn)槠嚢踩?/p>