碰撞假人颈部评价研究

丁冉冉　胡经国　朱晓勇　陈亚依　杜志豪　周杭卫

摘 要：文章通过对人体颈部解剖学结构的介绍，颈部载荷的受力原理分析，颈部损伤的考核指标的介绍，和试验曲线示例分析，系统的介绍了假人颈部评价的相关知识，为碰撞试验假人评价研究提供了理论和技术支持。关键词：碰撞假人;颈部;受力原理中图分类号：U467  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）01-54-05

Abstract： Based on the introduction of the anatomy struction of human bodys neck， the analysis of load cell theory， the injure performance assess， and the analysis of the test curve of one real crash case， we make a complete introduce to the dummy neck evaluation knowledge， provide an support to the research of crash test dummy.Keywords： Crash test dummy; Dummy neck; Load cell theoryCLC NO.： U467  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）01-54-05

引言

在碰撞事故中，人体在受到力学载荷时会产生相应的生物力学响应，使人体各部位产生不同程度损伤。损伤可通过损伤严重程度表示，与其相关的物理量或其函数被称为损伤准则或者损伤值。当损伤准则超过阈值时，损伤将发生。此阈值被称为损伤耐限或损伤基准值（Injury Assessment Refe -rence Value， IARV）。在人体可能发生损伤的部位中，头颈部为非常重要的部位。

本文将通过对人体颈部解剖学结构的介绍，颈部载荷的受力原理分析，颈部损伤的考核指标的介绍，和试验曲线示例分析，系统的介绍假人颈部评价的相关知识，加深对颈部伤害评价的理解。

1 颈部的解剖学结构

1.1 脊柱

脊柱形成骨骼系统中一个大的中心轴，由 24 块椎骨、1 块骶骨和1块尾骨构成。颈部处于脊柱的上端，由7块椎骨组成，称为第一颈椎（C1）、……、第七颈椎（C7），C1 是最上方的椎骨。同样，胸椎由 12 块椎骨（第一胸椎（T1）……第十二胸椎（T12））组成，腰椎由 5 块椎骨（第一腰椎 （L1）、……第五腰椎（L5）组成。所有的脊柱由与骨盆相连接的骶骨支撑[1]。如下图1所示。

第一颈椎C1和第二颈椎C2与其他的颈椎结构不同。第一颈椎（C1）被称为寰椎，寰椎前侧有一小对关节面，与颅骨（具体为枕骨）底部的髁（被称为枕髁）共同构成了寰枕关节。因为有这个关节，头部可以进行前后点头等动作。如图2所示。

1.2 颈部的运动姿态

颈部运动包括屈曲、伸展、侧屈、回转四项基本运动及其组合[1]，如下图3所示。

在汽車碰撞中，当乘员头部与车内接触时，对应从头部传来的接触力和颈椎姿势，颈部被施加轴向力、剪切力和弯矩载荷，颈部损伤的四个主要机理是拉伸-屈曲，拉伸-伸展，压缩-屈曲，压缩-伸展。若保持假人胸部不动，对应的头部动作为头部向上-低头，向上-仰头，向下-低头，向下-仰头。拉伸动作的产生主要是由于头部因惯性产生的载荷作用。

拉伸-屈曲是正面碰撞中安全带约束乘员受到损伤的代表性机理。而拉伸-伸展是挥鞭伤（由追尾过伸展造成）产生的重要原因[1]，如下图4所示，躯干受到急剧的正面加速度，造成头部受到惯性载荷作用，造成颈部拉伸-伸展动作。

1.3 颈部传感器的安装

为测量枕骨髁受到的力和弯矩，在假人颈部上部安装有载荷测量仪，如下图5所示。

颈部传感器上部通过中间平台上的四个螺纹孔与颅骨底部刚性连接，传感器中心圆盘下表面与颅底接触，接触平面见图5，即传感器中间圆盘及以上部分与头部为刚性连接。下部通过传感器转动中心杆穿过转动中心孔与颈部连接，传感器下部两平面依据传感器安装的前后分别与颈部上表面的模拟寰枕关节两个点头块接触，点头块为两个实际的受力位置。颈部结构如下图6所示：

传感器与颈部及头部的安装如下图7所示：

2 颈部载荷的受力分析

2.1 假人符号规则

SAE J211-1[2]碰撞试验仪器-第一部分-电子仪器中讲述了假人坐标系、加速度及位移传感器的极性、外部载荷的极性、内部载荷的极性等方面的内容，下文我们将针对这四方面的内容进行一一介绍。

2.1.1 假人坐标系

假人坐标系以假人站立时的姿态为基准，坐标系适用于假人上的任意一个位置。从假人左边指向右边为正向+y，从头指向脚向下方向为正向+z，从后向前为正+x。当假人被放置进车内时，假人上任意位置的坐标系随假人姿态的改变进行旋转[3]。如下图8所示：

2.1.2 加速度及位移传感器的极性

假人测量位置的正向输出与假人的坐标系的正向定义一致，例如，对假人头后部进行敲击将会产生在x向上产生一个正向的加速度输出，对假人头顶部进行敲击将会产生在z向上产生一个正向的加速度输出，对假人头左侧进行敲击将会产生在y向上产生一个正向的加速度输出。

对于位移来说，正向胸部压缩量为胸骨相对于胸椎的移动量，这种情况下，坐标系固定于胸椎，胸骨相对于胸椎向后移动，将产生负的-x向位移。胸部左侧进行撞击时，肋骨相对于胸椎向右侧移动，将产生正的+y向位移。膝部位移为胫骨相对于膝盖产生向后的位移，所以将产生负的-x位移曲线。胸部结构及膝部结构如下图9[1]、图10[1]所示：

2.1.3 外部载荷的极性

当假人直接承受外部的载荷时，承受外部载荷的位置的传感器所产生的数据方向与该位置的标准坐标系方向一致。例如，测量锁骨处肩带载荷Fx和Fz时，当施加给假人向前和向下的载荷时应产生正向的+Fx和+Fz。如下图11[3]所示。

HYBRID Ⅲ3岁儿童假人肩部力传感器正向定义。当保持胸部不动，肩膀或胳膊向前时，应产生正向的+Fx，肩膀或胳膊向下时，应产生正向的+Fz。对于BIORID假人来说，Fx和Fz的正向定义与HYBRID Ⅲ 3岁儿童假人肩部力传感器正向定义相同，若保持胸部位置固定，当假人左侧肩膀受到挤压时，应产生正的+Fy，当假人右侧肩膀受挤压时，应产生负的-Fy，该方向定义与假人标准坐标系一致。

2.1.4 内部载荷的极性

内部力载荷的测量必须明确假人上哪一部分是测量对象，因为内部的载荷通常成对产生且方向相反。将测量对象的某一部分假设为一个方形块，测量当该方形块六个平面上受到拉压力/剪切力/扭矩/弯矩等情况时，方形块内部载荷的输出情况。当在方形块前面、右面和下面施加拉力时，传感器输出应分别为+Fx、+Fy和+Fz，而弯矩则按照右手定则来确定方向。例如，上下颈部、腰椎、上下胫骨力载荷[3]。

以上颈部传感器为例。从上文分析已知上颈部载荷传感器为模拟头部枕骨髁与颈部之间的连接关系，由于传感器和头部为刚性连接，所以，以传感器上部为研究对象方形块，研究颈部对其所施加的载荷情况。假设颈部固定，头向后平移时，传感器（方形块）受到颈部给它的向前的力，按照假人正向定义，上部数据输出应为+Fx;头向左平移时，传感器受到下部给它向右的力，按照假人正向定义，上部数据输出应为+Fy;头向上平移时，传感器受到下部给它向下的力，按照假人正向定义，上部数据输出应为+Fz;当头部质心受惯性力或其他力作用，向左侧歪时，传感器左侧受到颈部给他向上的力，根据右手定则，传感器受到下部x向向前的弯矩，按照假人正向定义，上部数据输出应为+Mx;头向下低头（屈曲）时，根据右手定则，传感器受到下部y向向右的弯矩，按照假人正向定义，上部数据输出应为+My;头向左侧扭头时，根据右手定则，传感器受到下部z向向下的弯矩，按照假人正向定义，上部数据输出应为+Mz。

以枕骨髁为研究对象，载荷传感器下部与上颈部连接处实际模拟的是寰枕关节处的枕骨髁关节，载荷传感器输出的值为颈部传感器与头部连接平面处的受载荷情况，然而由于载荷传感器坐标轴中心与与实际枕骨髁的位移存在偏离，因此，颈部对Y轴在伸张方向的弯矩需要传感器直接测量得到的数值经过公式进行修正才能更确切的反应出枕骨髁处的载荷情况。如下公式1所示：

其中My和Mx为颈部传感器的输出值，D为载荷传感器的坐标轴中心（传感器与头骨接触面）与枕骨髁关节间（传感器与上颈部连接处的横轴位置）的距离，使用Hybrid Ⅲ AM50假人时为0.0178m。如下图12[3]所示。

2.2 传感器极性核查

为保证实验过程中假人数据的正确性，需要核查假人内安装的传感器是否符合假人的符号法则，而这个核查需要通过对假人相关部位进行操作，观看输出的曲线进行判断。判断方法如下：

+Fx：头部向后，胸部向前

+Fy：头部向左，胸部向右

+Fz：头部向上，胸部向下

+Mx：从左耳到左肩（向左歪头）

+My：从下颌到胸骨的方向（屈曲）

+Mz：从下颌到左肩的方向（向左扭头）

由此可得，颈部屈曲时，弯矩My的方向为正方向，伸展时为负方向。

3 颈部损伤的考核指标

依据SAE J1733[3]，上颈部载荷传感器适用于Hybrid Ⅲ 5th、50th、95th、P6、P10、BIOSID、SID-Ⅱs假人。

3.1 颈部损伤的考核指标

颈部损伤的考核指标有三个[1]，分别为：

（1）弯矩。将枕髁关节作为研究基点，求得的该处力矩的耐限值为前方屈曲状态下190N·m、伸展状态下为57N·m。

（2）拉伸、压缩及剪切力。颈部拉伸和压缩姿势通过轴向压缩力、拉伸力和剪切力耐限值曲线进行考核，耐限值曲线是关于载荷持续时间的函数，超过耐限值曲线就有颈部轴压缩、拉伸或剪切载荷引起颈部重症的可能。

（3）损伤基准Nij。损伤基准Nij是为了评估正面碰撞中（包括安全气囊打开的情况下）AIS2（损伤分级2级）[1]以上的颈部损伤而被提出的指标，被应用于美标FMVSS 208中。计算公式如下公式2：

上式中，Fz是轴向力，My是屈曲/伸展的弯矩。其中颈部载荷状况分四种，分别为NTE：拉伸伸展; NTF：拉伸屈曲; NCE：压缩伸展;NCF：压缩屈曲。下标int表示荷重和力矩分别与轴相交的“截距”。其中，Nij的损伤阈值为 1。

3.2 国标正面碰撞试验中对假人颈部的伤害要求

法规GB11551-2014《汽车正面碰撞的乘员保护》对假人颈部的伤害要求为：

（1）颈部伤害指标（NIC）应不大于图13和图14限值曲线，由在头颈连接处测量的轴向力（Fz）和剪切力（Fx）确定。具体为轴向拉力应不大于图13所示限值曲线，前后向剪切力应不大于图14所示限值曲线。当超过限值曲线时，该载荷有引起颈部重症的可能性，当未超过该限值曲线时，该载荷引起颈部重症的的可能性较小。

（2）颈部对Y 轴弯矩在伸张方向应不大于57N·m。从前文可知，颈部弯矩在伸张方向上输出值为负，所以，对假人颈部My的考核取曲線中的负值进行评价。

4 试验曲线实例分析

当车辆进行正面碰撞试验后，假人因惯性作用向前移动，假人肢体受到安全带向后的作用力，假人头部因未受约束因惯性力作用向前移动。对于未配置安全气囊的车辆，假人头部在撞击到方向盘之前，颈部为伸展状态，撞击到方向盘之后为假人头部受到冲击力作用，颈部变为屈曲状态。未配置安全气囊的情况假人上颈部姿态变化比较明显，如下图15所示。

同理，對于配备了安全气囊的车辆，其运动姿态因受安全气囊的作用，颈部伸展过程缩短，屈曲状态增加。下图16为配置安全气囊情况下的正面碰撞试验假人头部姿态变化示例。

结合假人头颈部运动姿态，对颈部试验曲线进行分析。试验曲线如下图17至图20所示。

假人头部在前向运动过程中，头部相对于颈部向前，产生-x向剪切力数据输出，在点A时刻头部接触气囊后，头部受到向后的作用力，曲线开始反弹。对前后向剪切力数据按照 SAE J1727[4]伤害值计算规范中第3.9所描述的规则进行统计分析，得到正向和负向的剪切力评价曲线。图中所示伤害值曲线均位于限值曲线下方，表示该载荷引起颈部重症的的可能性较小。同理可以得到，颈部轴向拉力的评价曲线，如下图18所示。从颈部轴向拉伸力曲线可以看出曲线始终为正值输出，在假人碰撞的过程中假人头部始终受到颈部给他向下的拉力。

颈部对Y 轴弯矩曲线如下图19所示，假人在接触气囊

之前为伸展状态，数值输出为负，撞击到气囊之后从点A处逐渐转换为屈曲状态，数值输出也逐渐转换为正值输出。随着气囊作用结束，头部向前位移持续，颈部逐渐从屈曲恢复为伸展状态，到达点B之后t头部撞击到方向盘，颈部状态又重新逐渐转变为屈曲状态。由于考核的为假人颈部对Y轴在伸张方向的弯矩，所以关注的为曲线的负值输出，取A点和B点绝对值较大的一处作为伤害值进行考核，伤害值应不大于57N·m。

5 结论

本文通过对人体颈部解剖学结构的介绍，颈部载荷的受力原理分析，颈部损伤的考核指标的介绍，和试验曲线示例分析，完整的研究了假人颈部评价的相关知识，为碰撞试验假人评价研究提供了理论和技术支持。

参考文献

[1] 水野幸治，韩勇，陈一唯.汽车碰撞安全[M].北京：人民交通出版社， 2016.

[2] SAE International std J211-1， Instrumentation for Impact Test-Part 1-Electronic Instrumentation[S]. Society of Automotive Engineers， 2003.

[3] SAE International std J1733， Sign Convention for Vehicle Crash Testing [S]. Society of Automotive Engineers， 2018.

[4] SAE International std J1727， Injury Calculations Guidelines[S]. Society of Automotive Engineers， 1996.