基于THUMS人体模型的正撞乘员伤害研究

高继东，祁志楠，谢书港，崔 东

(1.中国汽车技术研究中心，天津 300300； 2.河北工业大学机械工程学院，天津 300130)

2016149

基于THUMS人体模型的正撞乘员伤害研究

高继东1,2，祁志楠1,2，谢书港1，崔 东1

(1.中国汽车技术研究中心，天津 300300； 2.河北工业大学机械工程学院，天津 300130)

通过标定后的50km/h正撞台车模型，分析了THUMS人体模型和Hybrid III假人模型头部和胸部的伤害指标，验证了THUMS人体模型和Hybrid III假人在评估人体头部和胸部损伤方面的一致性，得出了THUMS人体模型在评估正撞乘员头部和胸部伤害方面具有较高精度的结论。通过优化后的台车模型，进一步分析了两种模型头部与胸部的伤害指标。结果表明，THUMS人体模型在评估大脑、颅骨、肋骨和心脏与肺部等内脏器官的损伤方面明显优于Hybrid III假人。总的来说，THUMS人体模型能更全面地评估和预测人体损伤，有利于约束系统和损伤评估标准的改进和完善。

正面碰撞；THUMS人体模型；Hybrid III假人;乘员损伤

前言

Hybrid III有限元假人是根据人体特征简化的假人模型，它通过简化的1D单元和配重来模拟人体很多的组织器官(见图1)。Hybrid III假人内部装有多个传感器，这些传感器分别安装在假人的不同部位(头部和胸部质心等)，通过分析处理传感器采集到的数据，得到Hybrid III假人的伤害评价参数(如加速度、位移量等)。但是Hybrid III假人的伤害评价参数不能直接反映人体各组织器官的伤害情况，需要经过处理来实现人体损伤的评估和预测。

THUMS人体模型是在人体解剖学的基础上，结合高分辨率医学CT全方位地对人体内部结构组织进行模拟的生物力学有限元模型(图2)。THUMS人体模型根据人体特征赋予真实的材料属性和运动关系。将THUMS人体模型应用到汽车被动安全开发中，能将冲撞时的人体实际状况最大限度地再现出来，同时还能准确预测人体各个部位的伤害情况[1]。因此，THUMS人体模型对改善汽车安全性能，减小汽车碰撞过程中人体的损伤具有十分重要的现实意义和工程应用价值。

本文中依据某车型标定后的50km/h正撞台车模型，分析验证了Hybrid III假人与THUMS人体模型在头部与胸部伤害指标与机理的一致性。通过优化后的台车模型，进一步分析了两种模型头部和胸部伤害的异同之处，得出了THUMS人体模型能够更加全面地预测碰撞中的人体损伤情况的结论。

1 损伤机理与损伤评价标准

1.1 头部和胸部的损伤机理

头部损伤是交通事故中致死的主要原因，而动载荷是交通事故中引起头部伤害的主要原因。动载荷分为接触载荷和非接触载荷，接触载荷会引起头部颅骨骨折甚至局部的脑损伤；非接触载荷会引起头部的惯性运动，头部会产生平移加速度和旋转加速度，平移加速度一般会导致局灶性损伤，而旋转加速度会导致弥散性脑损伤[2]。

交通事故中，胸部致伤所占的比例仅次于头部损伤。碰撞过程中冲击力作用下驾驶员胸部会产生骨骼结构与软组织的压缩变形，导致骨骼和内部组织损伤，当压缩变形量超过胸腔耐受极限时，会发生骨折和内部器官、血管等的挫伤或破裂。

1.2 损伤评定标准

由于交通事故具有不确定性，造成人体损伤的原因是多方面的，有些伤害评价指标没有把致伤原因考虑周全，导致损伤预测的结果与人体真实的伤害不完全相符。

为量化人体损伤的严重程度和配合损伤标准的使用，美国汽车医学协会制定了解剖学尺度的损伤评定标准(abbreviated injury scale, AIS)。AIS标准中按照伤情对生命威胁的大小，将每一个器官的每一处损伤评为0-6等级，如表1所示。AIS的等级越高说明该项损伤对生命的威胁程度越大，4级以上均威胁生命安全，第6级为死亡或者目前医学上还无法救治的损伤[3]。

表1 AIS损伤等级

2 THUMS人体模型验证

2.1 两种模型姿态的调整

基于对标完成后的Hybrid III假人台车模型头部和胸部仿真值与试验基本一致，模型可靠，头部和胸部的对标结果如图3所示。用THUMS人体模型替换Hybrid III假人，并根据Hybrid III假人定位参数对THUMS人体模型进行调节，确保两种模型姿态一致，如图4所示。

两种模型定位参数如表2所示，THUMS人体模型与Hybrid III假人模型头部与胸部定位参数相差在2%以内，Hybrid III假人和THUMS人体模型姿态一致。

表2 姿态对比

2.2 两种模型运动姿态的一致性验证

用THUMS人体模型来替换台车模型中的Hybrid III假人，对两种模型进行CAE仿真分析，得到两种模型的运动姿态图，如图5所示。两种模型在0，50，75，100和120ms时的运动姿态基本一致。

通过对比分析Hybrid III假人和THUMS人体模型的定位参数和在碰撞中的运动姿态，确定了THUMS人体模型与Hybrid III假人在反映碰撞中车内乘员运动姿态方面具有较高的一致性。

2.3 两种模型头部伤害的一致性验证

2.3.1 Hybrid III假人头部伤害

通过仿真分析，Hybrid III假人模型头部的3ms合成加速度最大值为53.4g，如图3(a)所示，对应的头部HIC值为480.2。

文献[4]中将头部伤害指标HIC与简明损伤等级AIS进行关联，得到关系如表3所示。

表3 HIC与AIS等级关系

由表3可知，HIC值为480.2可能造成的伤害介于AIS1和AIS2级别的伤害之间，说明该工况下驾驶员头部可能会受到轻中度的损伤。

2.3.2 THUMS人体模型头部伤害

仿真分析后的THUMS人体模型颅脑、颅骨的压力和等效应力如图6所示。

文献[5]中的研究指出，当颅内的等效应力达到15～20kPa时，会造成脑震荡，颅内等效应力达到38kPa，会导致严重的脑损伤；文献[6]中在动物、人尸体试验和有限元模型的基础上得到，颅内压力大于235kPa，会导致大脑严重损伤，颅内压力介于173～235kPa之间，大脑会发生中等程度伤害，颅内压力低于173kPa会发生轻微伤害或者无伤害；文献[7]中通过大量的案例得出，颅骨的等效应力超过10.09MPa，会导致颅骨骨折。结合上述研究与THUMS人体模型仿真结果，THUMS人体模型的头部各部位伤害结果如表4所示。

在50km/h正面碰撞工况下，THUMS人体模型的颅内最大等效应力为12.1kPa，接近颅内应力极限最小值15kPa，可能会引起头部轻微脑震荡；THUMS假人颅内最大压力为153.8kPa，接近轻微伤害的极限173kPa，头部可能受到AIS1级别的轻微伤害；颅骨最大等效应力为0.6MPa，远小于颅骨的极限应力值，颅骨不会发生骨折。

表4 THUMS人体模型头部损伤评价标准及伤害

综上，通过Hybrid III假人的伤害指标可以推断，在该工况下驾驶员头部可能受到轻中度的损伤，通过对THUMS人体模型的分析，该工况可能会造成驾驶员轻微的脑震荡，二者头部的伤害情况基本一致，说明THUMS人体模型与Hybrid III假人在评价头部伤害方面具有较高一致性。

2.4 两种模型胸部伤害的一致性验证

2.4.1 Hybrid III假人胸部伤害

通过仿真分析，Hybrid III假人模型胸部的3ms合成加速度最大值为46.1g，胸部的最大压缩量为33.4mm，如图3(b)和图3(c)所示。

文献[8]中通过侧面撞击试验得出了胸部加速度对胸部造成的损伤概率关系；文献[9]和文献[10]中通过试验得出了胸部压缩量与损伤概率的关系，如图7所示。

由图7可见，胸部加速度46.1g可能造成AIS≥3等级损伤的概率接近70%，胸部压缩量33.4mm可能造成AIS≥3等级损伤的概率大于40%，综合以上两种评判标准，可见该工况下驾驶员的胸部可能会受到AIS3级别的较严重损伤。

2.4.2 THUMS人体模型胸部伤害

仿真分析后的THUMS人体模型胸部肋骨和内脏组织的应力应变云图如图8所示。

研究表明，当肋骨应变率超过1.7%时，肋骨可能会发生骨折[11]，肋骨的应力应变曲线如图9所示。文献[12]中的研究指出，当胸部压力达到16kPa时，会引起肺部损伤；当胸部压力达到170kPa时，会造成心脏损伤；当胸部压力达到251kPa时，会造成肝脏损伤。结合上述研究与仿真结果，THUMS人体模型胸腔各部位伤害结果如表5所示。

胸部评价指标损伤极限THUMS胸部伤害THUMS预估人体伤害肋骨应变率/%1.725.5肋骨骨折肺部压力/kPa16242.8肺部严重损伤心脏压力/kPa170534.9心脏严重损伤肝脏压力/kPa251195.5肝脏轻微伤

THUMS人体模型肋骨的最大应变率为25.5%，远大于肋骨的应变率极限，因此肋骨可能会发生骨折；肺部的最大压力242.8kPa，远大于16kPa，因此肺部会受到严重损伤；心脏受到的最大压力为534.9kPa,远大于170kPa，因此心脏会受到严重的损伤；肝脏受到的最大压力为195.5kPa，小于251kPa，因此肝脏可能会受到轻微损伤或者没有受到伤害。

综上可知，根据THUMS人体模型与Hybrid III假人的胸部损伤指标都可以推断驾驶员的胸部受到了严重的损伤(AIS≥3)，说明THUMS人体模型与Hybrid III假人在评价胸部伤害方面具有较高的一致性。

通过对比THUMS人体模型与经过试验对标的Hybrid III假人头部和胸部的伤害，说明了THUMS人体模型与Hybrid III假人在评估人体的头部、胸部的损伤方面具有较高的一致性，因此THUMS人体模型可以用来进一步评估人体的损伤。

3 模型伤害优化分析

通过修改约束系统参数，如安全气囊的泄气孔直径从21mm增大到25mm，安全带的限力从3 240N降到2 850N等，优化两种台车模型，使Hybrid III假人和THUMS人体模型头部与胸部受到的伤害最小。

3.1 优化后模型的头部伤害

3.1.1 Hybrid III假人头部伤害

经过优化之后的Hybrid III假人模型头部的合成加速度曲线见图10，其头部合成加速度最大值为27.9g，相应的头部HIC值为96.9。

根据HIC与AIS等级关系(表3)可知，优化后的Hybrid III假人的头部基本没有受到伤害。

3.1.2 THUMS人体模型头部伤害

经过优化之后的THUMS人体模型头部各部位损伤如图11所示，面部皮肤的最大应变率为10.9%，颅内最大等效应力为6.1kPa，颅内最大压力为82.3kPa，颅骨最大等效应力为173.3kPa。

根据表4可知，THUMS人体模型大脑的伤害值均小于损伤极限，预测驾驶员颅脑没有受到伤害。

根据文献[13]中的人造组织工程皮肤试验得到，当皮肤的应变率达到3.5%左右会达到皮肤的抗拉强度极限，皮肤会发生撕裂。该工况下THUMS人体模型的面部皮肤应变率为10.9%，大于皮肤撕裂的极限应变率，因此驾驶员面部皮肤会发生撕裂。

3.2 优化后模型的胸部伤害

3.2.1 Hybrid III假人胸部伤害

经过优化之后的Hybrid III假人模型的胸部伤害指标见图12，Hybrid III假人胸部的最大合成加速度为22.8g，胸部的最大压缩量为21.2mm。

根据图7可知，在该胸部加速度与胸部压缩量下，能造成AIS≥3等级损伤的概率分别为35%与30%，因此车内乘员胸部受到严重伤害的可能性很低。

根据C-NCAP胸部损伤评分标准，胸部加速度与胸部压缩量的高性能指标分别为38g、22mm[14]。Hybrid III假人胸部伤害值均小于高性能指标，在测试中胸部能够获得满分的成绩，因此，推测驾驶员胸部所受伤害很小。

3.2.2 THUMS人体模型胸部伤害

经过优化之后的THUMS人体模型胸部伤害指标见图13，THUMS人体模型胸部肋骨的最大应变率为2.2%，肺部的最大压力为171.3kPa，心脏的最大压力为317.5kPa，肝脏的最大压力为154.4kPa。

根据表5可知，THUMS人体模型肋骨的最大应变率2.2%超过肋骨的应变率极限1.7%，因此肋骨可能会发生骨折；肺部受到的最大压力171.3kPa远大于肺部的压力极限16kPa，因此肺部会受到严重损伤；心脏受到的最大压力为317.5kPa，大于其压力极限170kPa，因此心脏会受到比较严重的损伤；肝脏受到的最大压力为154.4kPa，小于其压力极限251kPa，因此肝脏不会受到损伤。

通过对比优化之后的Hybrid III假人模型和THUMS人体模型在相同边界条件下的伤害情况，可知Hybrid III假人的头部和胸部受到伤害很小。THUMS人体模型的颅脑没有受到损伤，但会造成面部皮肤撕裂，胸部的肋骨可能会发生骨折，肺部和心脏会受到较严重的伤害。综上分析可知，THUMS人体模型相比Hybrid III假人在评估人体损伤方面更加全面，精度更高。

4 结论

通过对比Hybrid III假人和THUMS人体模型优化前的50km/h正撞台车模型，分析了两种模型头部和胸部的伤害情况。THUMS人体模型能够准确反映碰撞中车内乘员头部、胸部的伤害指标；相比Hybrid III假人，THUMS人体模型对于大脑、颅骨、肋骨以及心脏、肺部等内脏的损伤评价更为直观，也更为全面。具体结论如下。

(1) Hybrid III假人与THUMS人体模型在反映车内乘员碰撞中的运动姿态方面具有较高的一致性。

(2) 通过分析Hybrid III假人与THUMS人体模型的头部伤害指标，Hybrid III假人头部会受到轻中度的损伤，THUMS人体模型会受到轻微的脑震荡，二者头部的伤害情况基本一致。

(3) 通过分析Hybrid III假人与THUMS人体模型的胸部伤害指标，两种模型的评价结果都显示驾驶员的胸部受到了严重损伤，说明Hybrid III假人与THUMS人体模型在评价胸部伤害方面具有较高一致性。

(4) 优化后Hybrid III假人为轻微伤害或者无伤害；但相同边界条件下，THUMS人体模型的面部皮肤会发生撕裂，胸部肋骨可能会发生骨折，肺部和心脏受到较严重的损伤。反映出Hybrid III假人在评估人体损伤方面具有局限性。

(5) THUMS人体模型能够精准地模拟出碰撞中车内乘员大脑、颅骨、肋骨和心脏与肺部等内脏的损伤情况，相比Hybrid III假人更加直观，也更加全面。利于约束系统和损伤评估标准的改进和完善。

[1] Toyota Motor Corporation. Total Human Model for Safety(THUMS), AM50 Pedestrian/Occupant Model[G]. Academic Version 4.0_20111003,October 2011.

[2] 曹立波,等.汽车与运动损伤生物力学[M].北京:机械工业出版社,2012.

[3] AAAM. The abbreviated injury scale-1990 revision[S]. USA: Association for the Advancement of Automotive Medicine,1990.

[4] MERTZ J H, PRASAD P, IRWIN A L. Injury risk curves for children and adults in frontal and rear collisions[C]. Proceedings of 41st Stapp Car Crash Conference, Warrendale: SAE,1997.

[5] WILLINGER R, BAUMGARTNER D, CHINN B, et al. Head tolerance limits derived from numerical replication of real world accidents[C]. Proc of the IROBI Conf.,2000:209-221.

[6] WARD C C, CHAN M, NAHUM A M. Intracranial pressure-A brain injury criterion[C]. SAE Paper 801304.

[7] 冯建成,尹志勇.基于典型交通事故的颅脑损伤力学机制研究[D].重庆:第三军医大学,2013.

[8] CAVANAUGH J M, ZHU Y, HUANG Y, et al. Injury and response of the thorax in side impact cadaveric tests[C]. Stapp Car Crash Conference, 37th, 1993, San Antonio, Texas, USA.1993.

[9] LOBDELL T E, KROELL C K, SCHNEIDER D C, et al. Impact response of the human thorax[J]. Human Impact Response Measurement and Simulation,1973,32:201-245.

[10] KROELL C K, SCHNEIDER D C, NAHUM A M. Impact tolerance and response of the human thorax II[C]. SAE Paper 741187.

[11] 崔家仲,谭宗柒,张建国.骨的力学特性[J].中医正骨,2004,16(6):16-17.

[12] RUAN J, EI-JAWAHRI R, CHAI L, et al. Prediction and analysis of human thoracic impact responses and injuries in cadaver impacts using a full human body finite element model[J]. Stapp Car Crash Journal,2003,47:299-321.

[13] 王晴,尹志勇.液体加载式皮肤软组织生物力学测试仪的研制与应用[D].重庆:第三军医大学,2009.

[14] 中国汽车技术研究中心.C-NCAP管理规则(2012版)[S].天津:中国汽车技术研究中心,2012.

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

原稿收到日期为2015年6月4日，修改稿收到日期为2015年9月2日。