中國(guó)體征第五百分位女性汽車乘員損傷仿生模型開發(fā)及驗(yàn)證*

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(guó)際聯(lián)合研究中心，天津 300222；2.中國(guó)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(duì)減少機(jī)動(dòng)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(wàn)人在交通事故中喪生，有20萬(wàn)～50萬(wàn)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(duì)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(duì)其損傷防護(hù)效果也低于對(duì)第五十百分位男性乘員的保護(hù)［4］。因此對(duì)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(duì)女性乘員的保護(hù)，各國(guó)汽車安全法規(guī)和新車評(píng)價(jià)規(guī)程都引入第五百分位女性碰撞損傷評(píng)價(jià)。Humanetics 公司［5］開發(fā)了小身材女性人體測(cè)量測(cè)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(cè)試評(píng)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(lái)THOR-5F 也將代替Hybrid III 5th女性假人應(yīng)用于各國(guó)新車評(píng)價(jià)規(guī)程中對(duì)乘員保護(hù)測(cè)試評(píng)價(jià)。但是ATDs針對(duì)特定碰撞方向開發(fā)，因此重現(xiàn)人體運(yùn)動(dòng)學(xué)能力方面受到一定的限制，無(wú)法有效地評(píng)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(cè)與評(píng)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(guó)外針對(duì)歐美人體測(cè)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(guò)比例縮放獲得新的形態(tài)模型，無(wú)法保證內(nèi)部尺寸的準(zhǔn)確性，此外無(wú)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(guò)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(guò)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(guó)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(duì)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(duì)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(dòng)與損傷較詳細(xì)的內(nèi)臟與腦組織結(jié)構(gòu)，并具備主動(dòng)肌肉。楊潔［15］基于THUMSD-F05 對(duì)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(guó)第五百分位女性人體測(cè)量尺寸的有限元人體模型，對(duì)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(cè)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(dòng)學(xué)，GHBMC開發(fā)了五百分位女性乘員簡(jiǎn)易版模型（F05-OS），該模型簡(jiǎn)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(guó)人體測(cè)量尺寸與歐美國(guó)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(píng)價(jià)中國(guó)乘員在汽車碰撞過(guò)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(shí)產(chǎn)權(quán)的符合中國(guó)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(guó)標(biāo)準(zhǔn)化研究院最新測(cè)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，選取符合中國(guó)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(guò)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(zhǎng)時(shí)間拍攝CT 可能給人體帶來(lái)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(dòng)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(guó)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(shì)到坐立姿勢(shì)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(duì)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(duì)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(duì)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(guò)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(guó)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(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)，111.1 萬(wàn)個(gè)單元，其中實(shí)體單元 66.6 萬(wàn)個(gè)，殼單元44.5萬(wàn)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(zhǎng)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(zhǎng)寬比小于10。天津科技大學(xué)現(xiàn)代汽車安全技術(shù)國(guó)際聯(lián)合研究中心已經(jīng)在組件層面對(duì)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(cè)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(hào)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(duì)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(dòng)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(hào)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(cè)量尺寸，首先進(jìn)行了胸部右側(cè)面5.2 m/s的低速?zèng)_擊試驗(yàn)（試驗(yàn)編號(hào)29），見圖3（b）。在檢測(cè)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?zèng)_擊試驗(yàn)（試驗(yàn)編號(hào)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(hào)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(zhǎng)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(hào)008 受試者，按照尸體試驗(yàn)編號(hào)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(shì)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(guò)程中，局部胸腹部模型已通過(guò)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(shì)，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?cè)O(shè)定為0.023 75，當(dāng)肋骨密質(zhì)骨單元超過(guò)失效應(yīng)變值時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)單元?jiǎng)h除現(xiàn)象來(lái)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(cè)到3 處簡(jiǎn)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(cè)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?cè)茍D

胸腹部?jī)?nèi)臟器官最大第一主應(yīng)變值如圖6 和表3 所示。超過(guò)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(duì)內(nèi)臟損傷進(jìn)行檢測(cè)，驗(yàn)證試驗(yàn)中通過(guò)觀察左肺與右肺的最大第一主應(yīng)變?cè)茍D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(wú)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(duì)應(yīng)的尸體試驗(yàn)也并未檢測(cè)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(cè)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(guò)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(guò)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(duì)較大。同時(shí)體質(zhì)量差異造成的影響在卸載階段也相對(duì)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(guò)一段平緩的過(guò)渡期，即接觸力逐漸減小而壓縮量會(huì)繼續(xù)增大到最大值后才會(huì)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(duì)參數(shù)變化更為敏感，尸體試驗(yàn)是通過(guò)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(guò)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(cè)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(shì)，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(duì)模型運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響，無(wú)四肢力的阻礙，局部胸腹部模型表現(xiàn)的剛度相對(duì)較小。

在腹部正面棒擊試驗(yàn)中，四肢對(duì)響應(yīng)的影響相對(duì)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(guò)程中四肢運(yùn)動(dòng)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(dòng)，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(wú)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(dòng)，因而腹部剛度較小。

驗(yàn)證試驗(yàn)中模型預(yù)測(cè)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(duì)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(lái)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(zhǎng)的變化及骨質(zhì)的力學(xué)屬性的變化都會(huì)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(duì)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(huì)影響肋骨骨折響應(yīng)?？傮w來(lái)講，所開發(fā)的模型能夠預(yù)測(cè)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(cè)的肋骨骨折數(shù)略有不同。為更加準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(shuō)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(huì)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(guó)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(guó)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(guó)外模型基礎(chǔ)上更改的模型，該模型具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，可為我國(guó)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(cè)評(píng)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(cè)結(jié)果基本一致，從應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D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(shì)，但在四肢運(yùn)動(dòng)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(dòng)學(xué)響應(yīng)。

本研究所開發(fā)的中國(guó)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(guò)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(cè)評(píng)技術(shù)、汽車主被動(dòng)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。