基于Thums人体模型追尾碰撞乘员损伤研究

裴元津 华 林 谢书港 崔 东 祁志楠

(武汉理工大学汽车工程学院1) 武汉 430070) (现代汽车零部件技术湖北省重点实验室2) 武汉 430070) (中国汽车技术研究中心3) 天津 300300)

基于Thums人体模型追尾碰撞乘员损伤研究

裴元津1,2)华 林1,2)谢书港3)崔 东3)祁志楠3)

(武汉理工大学汽车工程学院1)武汉 430070) (现代汽车零部件技术湖北省重点实验室2)武汉 430070) (中国汽车技术研究中心3)天津 300300)

鞭打试验所采用的BioRID-2假人有其自身局限性，它不能直观地反映乘员韧带、脊椎和内脏等组织的伤害情况.从某座椅的鞭打试验入手，验证了该座椅有限元模型的准确性，并通过Thums人体模型与BioRID-2假人在试验过程中的姿态和部分输出曲线对比，证明了其可靠性，并对Thums人体模型可能出现损伤的身体部位进行了伤害研究.结果表明，该座椅在鞭打试验中除颈部受伤以外，腰椎盘纤维环及下腹部位置的内脏也会有所损伤.利用与医学伤害标准比对的方法来验证了Thums人体模型的可靠性，并指出低速追尾碰撞存在的潜在伤害.

鞭打试验；追尾碰撞；BioRID-2假人；Thums人体模型；伤害研究

0 引 言

汽车碰撞事故的类型大体上分为正面碰撞、侧面碰撞、追尾碰撞和翻车4类.日本交通安全协会2005年的汽车碰撞事故统计饼状图显示，虽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伤害占有却高达54%.

由追尾事故造成的颈部扭伤和拉伤(也称为挥鞭伤)在各类伤害中占有很大比重，此类伤害也成为了美国最为多见的保险赔付项目之一.仅2007年，由于颈部受伤所支出的保险赔偿就有约88亿美元，占碰撞事故总赔偿的25%[1].此外，澳大利亚每年因颈部损伤造成的经济损失也高达5 400万澳元[2].

BioRID-2假人模型，在C-NCAP鞭打试验中有着不可撼动的地位，其拥有复杂的脊椎构造，可以较为精确的评估颈部所受到的各种伤害.

然而，低速追尾事故更多考虑颈部伤害的同时，往往忽略了其他部位的受伤情况.图1为追尾碰撞中人体损伤部位所占比例，不难看出除颈部伤害以外，其他部位包括上肢、下肢、头部及下背部损伤总共占了大约20%.

图1 追尾碰撞中人体损伤部位所占比例

丰田公司研究开发的Thums人体模型(见图2)，是基于人体解剖学并结合高分辨率医学CT对人体内部结构组织进行全方位模拟的生物力学有限元模型.

图2 Thums人体模型内部构造

其优势在于可以通过多种方式对人体伤害情况进行预测和评估：①最直观的一种就是可以看到骨骼及韧带的断裂；②还可以从应力、应变等参数来判断伤害程度,见图3.较BioRID-2假人而言，Thums人体模型可以得到更丰富的伤害信息，这对于改善汽车安全性能，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,因此，越来越多的科研机构和组织开始利用此模型进行对碰撞安全方向的研究与开发.

图3 Thums人体模型伤害读取方法

文中从对标后的座椅入手，首先验证了Thums人体模型与BioRID-2假人在鞭打仿真中姿态和部分输出曲线的一致性.随后探究了除颈部伤害之外的其他部位的受伤情况.

1 损伤机理及损伤评价标准

1.1 低速追尾碰撞伤害机理

颈部伤害是低速追尾事故中最为常见的伤害类型，专指机动车追尾碰撞对乘员头颈产生突然的过伸及过屈作用力，使颈部软组织承受过度应力而造成的损伤[3].在后碰过程中，颈部响应包含一系列复杂的运动，可以分为3个不同的阶段，分别为缩回运动、向前运动和安全带约束运动.第1阶段中，头部因惯性会保持在原始位置，而座椅由于追尾车辆碰撞会推动驾驶员后背及肩部向前运动，整体上与头部形成了“S”形.这种 “S”形的变化在颈部损伤机理中十分关键；第2阶段是向前运动，特点是有1个运动方向的改变，并且此阶段主要受座椅设计影响，特别是座椅的弹性及其相应的回弹效应；最后阶段安全带约束人向前倾倒的趋势从而结束整个过程[4].

分析表明，座椅靠背突然前冲给予腰腹部位的作用，带来的腰椎瞬时弯曲过大，可能会导致了腰椎间盘、韧带和附近的内脏损伤.

1.2 伤害评定标准

C-NCAP评分标准中有着明确的鞭打试验标准，通过测得3个方向头部质心加速度、T1加速度，从而计算出颈部伤害值(NIC)对座椅进行评价，见表1.

表1 C-NCAP(2015)鞭打试验评分原则

Thums人体模型能准确而清楚的反映人体各个器官在事故中所发生的变化，并且很容易得到应力、应变等伤害参数，配合医学中各部位的损伤标准和受伤等级，可以在一定程度上补充现在评价体系的不足之处.

2 THUMS人体模型验证

2.1 BioRID-2假人鞭打模型可靠性验证

文中选取了某款做C-NCAP鞭打摸底试验的座椅进行研究，静态测量中头后间隙为27 mm,头枕高于头顶19 mm.试验后，依据C-NCAP(2015)鞭打试验评分标准，主要失分项见表2，可以看出颈部NIC值和上颈部扭矩存在严重问题.

表2 鞭打试验问题项得分

随后建立有限元模型并与试验数据进行对标，选取了2个有代表性的曲线(头部质心X方向加速度和上颈部My)进行对比，由图4可知，仿真曲线与试验曲线基本一致，由此证明了有限元模型的可靠性.

图4 座椅模型对标对标

2.2 Thums假人模型建立

用Thums人体模型替换Biorid-2假人，并根据定位参数调节姿态.定义驾驶员座椅左下固定螺栓中心为基准，按照试验数据，头后间距、头顶高度、h点坐标、膝盖离地高度、脚跟脚踵离基准与试验基本相同，其定位参数见表3，可见相差基本不超过5 mm.图5为初始坐姿对照图.

表3 Thums人体模型定位参数

图5 Thums人体模型与Biorid-2坐姿对比

2.3 两假人运动姿态一致性验证

分别模拟2种模型的鞭打过程，得到动态运动姿态图,见图6.0，60，120，160 ms这4个关键时刻，分别为初始时刻、头枕接触时刻、座椅后倾角最大时刻和头枕分离时刻，如图可见，运动姿态基本一致.

图6 2模型运动过程一致性对比

综上所述，通过对比Thums人体模型和Biorid-2假人的定位参数和运动姿态，可以得出Thums人体模型在车辆低速追尾碰撞中的可靠性.

3 Thums人体模型的伤害分析

正常人体脊椎由7块颈椎骨(C1-C7)、12块胸椎骨(T1-T12)和5块腰椎骨(L1-L5)组成，通过韧带、椎间盘和肌肉相互支撑连接.现阶段C-NCAP所使用的Biorid-2假人，是通过研究头部与T1的相对运动关系和受力情况来判断伤害程度.而Thums则是根据每个身体组织和结构的应力应变特点，参照各个医学论文中的伤害标准，对伤害情况进行评估.表4给出了颈椎软组织耐受限值.

表4 颈部软组织的耐受限度

3.1 颈部伤害分析

图7为脊椎韧带及附着点的示意图[5].

图7 脊椎韧带及其附着点

根据仿真结果及表3所给出的颈椎软组织耐受限值， T1与T2之间的棘间韧带应变几乎达到限值.而连接T3-T4的椎间盘应力在100 ms的时候超出阀值近100%.这一时刻躯干向前运动而头部因惯性静止不动，对应的颈间盘剪切和拉伸力也达到最大,见图8.这一点验证了鞭打摸底试验中NIC和上颈部转矩过大造成的损伤.

图8 颈部韧带和椎间盘损伤情况

3.2 腰腹伤害分析

C-NCAP中的鞭打试验并不考察腰腹部的伤害，虽然一般认为，低速追尾事故主要会对颈部造成比较严重的慢性损伤，但并不能说明此类事故不会带来其他伤害.通过分析Thums人体模型，在整个追尾阶段中，座椅的突然加速向前不会给上部躯干造成太大影响，但会使下背部变形，造成了腰腹部位内脏的伤害.

3.2.1 腰椎及下部肋骨伤害

由图9可知，由于骨盆突然加速前移，而躯干上半部分处于静止，导致腰椎整体向后弯曲，棘间韧带的压缩程度高达了91%，这会造成韧带拉伤.另外，腰椎间盘所受应力在75 ms左右时刻达到峰值，大大超过了限值，可能会造成纤维环破裂.

图9 腰椎间盘变化

另外，研究表明，肋骨骨密质的应变应小于2%，横向拉伸强度只有53 MPa，否则可能会发生骨折[5]，见图10.仿真结果发现，骨密质几乎未发生形变，虽然带来了一定程度的横向拉伸，但不会造成伤害.

图10 肋骨骨密质变化

3.2.2 腹部内脏伤害

由于背部变形挤压，下腹中的内脏也受到了不同程度的影响.Melvin等[6]发现肝脏、肾脏和脾脏的应变率耐受限度都在30%左右，很明显的图中肝脏挤压变形达到了46.6%，可能会导致内出血.而肾脏和脾脏被挤压应变略微超过30%，可能会有轻度痛感，见图11.

图11 内脏伤害情况

其他内脏和组织包括心脏(30%)、肺(10 kPa)、肠道(120%)和主要血管(100%)等，没有过度变形出现，并且都处于限值以内，不会受到伤害[7].

4 结 论

1) Thums人体模型与Biorid-2假人在鞭打试验中具有较高的一致性，可以正确模拟出鞭打试验中的人体响应过程.

2) 通过分析颈椎间盘和韧带的损伤情况，验证了Thums人体模型在低速追尾试验中的可靠性.

3) 座椅的突然加速运动，带来了L5和S1之间腰椎间盘严重挤压，会造成纤维环破裂，同时人体下背部的扭曲也造成了下腹部内脏的轻微损伤.

4) 现阶段鞭打试验对颈部伤害的评估相对成熟，但座椅对下背部的保护情况并未引起人们足够重视，现有评价体系有待完善.

[1]AYLOR P, DAVID A, ZUBY M, et al. Comparison of BioRID injury criteria between dynamic sled tests and vehicle crash tests[C]. Proceedings of the 22nd International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles (CD ROM),2011.

[2]RYAN G, GIBSON T. Field studies of whiplash in australia, in frontiers in whiplash trauma: clinical &

biomechanical[M]. Amsterdam: ISO Press,2000.

[3]EWANS R W. Some observations on whiplash injuries[J]. Neurol Clin,1992,10(4):975-979.

[4]SCHMITT K W, NIEDERER P F, MUSER M H, et al.汽车与运动损伤生物力学[M].北京：机械工业出版社,2012.

[5]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.

[6]MELVIN J W, STANLNACKER R L, TROLLOPE M L. Impact Injury mechanisms in abdominal organ[C]. Proc.17thStapp Car Crash Conference,1973(1):115-126.

[7]YAMADA H. Strength of biological materials[J]. Williams & Wilkins Company, Baltimore,1970(3):585-589.

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，硕士，主要研究领域为汽车安全