车辆乘员眼部损伤风险仿真评估*

李少鹏，许述财，2，陈 爽，黄彬兵，殷绩伟

（1.清华大学苏州汽车研究院（相城），苏州215134；2.清华大学，汽车安全与节能国家重点实验室，北京100084；3.重庆工程职业技术学院，重庆402260；4.苏州清泰汽车安全科技有限公司，苏州215134）

前言

随着汽车约束系统的不断改进和气囊保护系统的广泛应用，交通事故中乘员受伤严重程度大幅下降。然而，眼损伤在交通事故损伤中仍占比很大［1］。与气囊相关的眼部损伤最常见（包括眶周骨骨折、角膜损伤、虹膜晶状体损伤和视网膜脱落等）［2］。据数据统计，在交通事故中乘员眼部损伤占67%，行人眼部损伤占33%，其中眼外伤导致的视网膜脱落、晶状体离位等占80%，眼球破裂占9%，混合型眼损伤占11%［3］。眼损伤虽然不会致命，但会导致视力受损或致盲，且手术费用昂贵，严重降低生活质量。研究表明，交通事故中眼部受伤人群集中在19～44岁左右，青壮年人群在交通事故中眼损伤风险更高［4-5］。

目前，在汽车碰撞测试试验中，HybridⅢ系列假人是开展约束系统等相关研究的有效工具，已有多个研究基于HybridⅢ假人进行汽车安全设计［6-7］，但现有假人外在体征和力学特性是基于国外人体尺寸而设计，无法针对中国乘员头部器官在碰撞中的损伤响应进行研究。Case等［8］首次提出了基于美国人体尺寸的头部模型（facial and ocular countermeasure for safety，FOCUS），FOCUS头部模型［9-10］包括了详细的面部和眼睛结构，为眼睛和头部损伤研究提供了测试平台，可用于研究气囊碰撞、两轮车相关伤害头部的影响。Sigal和Uchio等［11-12］通过对眼组织生物力学特性的研究得出，可以将眼球视为规则的几何结构，省略眼球内部较为复杂的结构，并且眼外肌结构在高速冲击下对眼球损伤的影响可忽略不计。Alphose等［13-14］在FOCUS头部模型的基础上改进了眼球传感器模块，进行人眼钝性撞击损伤耐受性的各种研究，并开发了眼组织的计算模型，可评估各种负荷方案下的眼损伤风险。结果表明，在头部模型冲击环境下，导致人体眼球破裂的眼内压动态载荷阈值为0.91±0.29 MPa，当巩膜上的应力超过5.47 MPa将会有50%概率引发眼球破裂损伤风险。

为评估不同冲击条件下人体眼组织损伤程度并为中国乘员的安全防护提供更有效的对策，本文中以CNIS（China national institute of standardization）数据库［15］中50百分位男性人体测量参数作为基础，建立了包含评估眼损伤生物力学并符合中国人体测量学参数的碰撞假人头部模型。在用头部模型的跌落仿真试验评估了50百分位中国人体测量学参数头型生物力学仿真度的基础上，通过乘员约束系统的仿真试验，研究了钝性冲击对乘员眼组织的伤害情况。

1 包含眼组织的中国体征假人头部模型的构建

本文中设计的中国人体测量学参数假人头部模型由皮肤、头骨、眼组织、配重、加速度传感器和压力传感器等构成，可专门用于评估人体头部和眼组织受钝性冲击造成的伤害情况。模型采用的人体测量学数据来源于CNIS数据库，见表1，在Alias AutoStu⁃dio 2020中建立头部皮肤模型。

表1 中国50百分位男性头部数据

1.1 眼组织结构的简化

眼组织结构十分复杂，如图1所示。为了得到能够用于碰撞测试环境中的眼球模型，须对眼组织进行相应的简化。

图1 人体眼球结构图

简化后的眼球结构如图2所示，包括角膜、巩膜、视网膜和玻璃体。角膜和巩膜主要是胶原纤维构成，是眼球结构的外层，具有维持眼球形状、保护内部结构的作用［16］。视网膜贴附于脉络膜的内面［17］，可把视网膜视为0.2 mm左右均匀厚度的膜状薄片。玻璃体是具有流动性的透明胶状物体和其他眼组织内结构对巩膜等外部结构施加一定的压力，形成眼内压［18-19］，对视网膜和眼球外层结构起到支撑作用，使视网膜与眼球壁等贴合不会脱落。眼球结构后端安装有三向的压力传感器，可用来测量眼组织受到的冲击载荷和评估眼组织损伤。

图2 人体眼组织结构简化图

1.2 包含眼组织结构的头部有限元模型建立

使 用Hypermesh 2019（Altair Hyperworks，Troy） 和ICEM软件对符合50百分位中国人体测量学参数的假人头部模型进行网格划分，得到碰撞假人头部有限元模型，如图3（a）所示。其中头部皮肤、骨骼和传感器等工作部件采用六面体网格划分，眼球结构中的角膜和巩膜采用八节点六面体单元进行网格划分；视网膜采用Belytschko⁃Tsay壳单元网格划分，厚度为0.2 mm；玻璃体采用四面体网格划分。最小单元控制在1.1 mm，Jacobian大于0.6，翘曲度小于10°。眼球有限元结构如图3（b）所示。考虑到视网膜与巩膜玻璃体之间的可分离特征，使用滑移接触（*CONTACT_SLIDING_ONLY_PERALTY）模拟视网膜与基体间的吸附关系。

图3 中国碰撞假人头部模型

1.3 材料属性

使用LS⁃DYNA的材料本构模型，头骨用MAT24（*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY）材料模拟，加速度传感器、安装平台和配重设置为不可变形材料（*MAT_RIGID），皮肤采用LSDYNA中的MAT6（*MAT_VISCOELASTIC）黏弹性材料。角膜与巩膜使用MAT77⁃O（*MAT_OGDEN_RUBBER）材料，玻璃体在医学上通常使用不溶胀的水凝胶代替［20］，其特性与流体相似，选择ALE算法解决玻璃体与巩膜间的相互作用，并添加Navier⁃Stokes状态方程计算眼组织内部压力，验证眼球内动态响应情况。眼组织材料参数如表2所示。

表2 眼组织材料参数

2 头部有限元模型跌落仿真验证

按照法规JJF 1230—2009［21］对假人头部进行跌落试验仿真，通过与HybridⅢ假人头部跌落试验数据以及与Mertz等［22］方法进行缩放所得的阈值域进行对比，评估50百分位中国人体测量学参数头部模型的仿真度。将模型置于法规规定位置和姿态，如图4所示。额头与鼻尖最低点距离12.7 mm，在头部施加Z向2.7 m/s的速度与刚性平面碰撞，使用LS⁃DYNA R11.0单精度求解器进行求解。

图4 头部跌落标定模型

头部加速度传感器信号使用ISO6487 CFC100进行滤波，中国体征头部模型和HybridⅢ假人头部跌落试验对比曲线如图5所示。由图5可见，中国体征假人头部合成加速度曲线峰值为260g，满足H.J.Mertz提出的阈值要求且与HybridⅢ假人头部合成加速度曲线的响应历程近似。

图5 头部标定合成加速度曲线对比

3 正面碰撞有限元模型仿真

将50百分位中国人体测量学参数的头部模型与自主开发的中国人体体征假人躯干连接，得到完整的碰撞安全假人模型匹配到LS⁃DYNA建立的乘员约束系统与气囊保护系统，模拟驾驶员碰撞过程中头部和眼组织的冲击响应。假人定位依据CNCAP中对乘员姿势和位置的要求进行，下颚到转向盘上边缘距离为360 mm，腹部到转向盘下边缘170 mm。完整的乘员约束系统模型如图6所示。在车体地板上施加典型正面碰撞工况下的加速度曲线模拟整车碰撞进行仿真，加速度曲线如图7所示。

图6 乘员约束系统模型

图7 车体加速度曲线

本文中所用气囊模型采用LS⁃DYNA中的CPM粒子法模拟，粒子数2×105，初始压强1.013×10-4MPa，气囊直径630 mm，泄气孔直径25 mm。其他特性参数如表3所示。

表3 气囊物理参数

头部模型的损伤可用头部加速度和HIC36评估，图8为本文头部模型与HybridⅢ假人头部合成加速度曲线对比。按照FMVSS208规定，乘员碰撞后头部加速度不超过80g，HIC36的损伤值不超过700，头部HIC36计算公式为

图8 头部质心合成加速度曲线对比

式中：t1、t2为任意值，t2-t1≤36 ms；a为头部合成加速度。

由图8可见，较小质量的假人头部受到的冲击更大。图9（a）~图9（c）为50 km/h碰撞速度下中国体征头型角膜和巩膜的应力云图，最大von Mises应力出现在60 ms左右，此时头部加速度处于峰值。图9（d）~图9（f）为50 km/h碰撞速度下视网膜变形云图，视网膜形变最大区域出现在眼球外侧，即发生碰撞后头部侧面受到冲击更加明显。表4为不同速度下眼组织碰撞响应，通过对比发现，当碰撞速度超过60 km/h后，巩膜最大应力超过引发眼球破裂的von Mises应力的阈值（5.47 MPa）［11］，最大变形量超过2.82 mm。且最大值出现在角膜与巩膜交界处，随着碰撞速度增大，二者交界处的应力变化更加明显。

表4 不同速度下眼组织碰撞响应

图9 50 km/h不同时刻眼组织损伤应力云图

眼组织损伤风险函数可用来测量模型参数与损伤风险的关系［23］，Kennedy等［24］通过对250次眼部冲击试验数据的线性logistic回归分析，用最大似然法确定了动能是单变量模型（质量、速度、能量）中与眼组织损伤相关的重要参数，提出了使用归一化能量来预测视网膜损伤和眼球破裂的损伤风险函数：

式中：W为归一化能量；Ek为乘员约束系统动能；m为眼组织质量；vt为冲击末速度；v为冲击初速度；S为眼组织结构投影面积。

眼组织损伤概率P定义为

式中：P为眼组织损伤概率；a和b为待估计参数。

图10为基于回归分析得到的归一化能量的眼组织损伤风险概率曲线，在冲击能量相同的条件下，视网膜受到的损伤的概率高于眼球壁的损伤。当碰撞速度为30 km/h时，视网膜损伤概率仅为9.3%，眼球损伤概率趋近于0；当碰撞速度为50 km/h时，视网膜损伤概率趋近于1，眼球损伤概率为41.2%；当碰撞速度为60 km/h时，视网膜和眼球损伤均趋近于1。主要原因是随着碰撞速度增高，眼组织在受到冲击后眼球内部压力增高，导致玻璃体与巩膜内壁压力不均一，使得视网膜脱落［25］。

图10 眼组织损伤风险曲线

4 结论

本文中提出了具有评估眼组织损伤情况的中国体征碰撞假人头部模型，模拟乘员受到钝性冲击时的头部和眼组织的损伤生物力学响应，通过试验仿真，可以得出以下结论。

（1）在相同的碰撞条件下，假人头部质量越小，受到的冲击载荷越大，同时眼组织损伤程度越高。

（2）在相同冲击能量作用时，视网膜损伤风险概率高于巩膜。当碰撞速度低于55 km/h，巩膜的von Mises应力、变形量均小于50%引发眼球破裂损伤的阈值。

本文中设计的包含眼组织中国人体测量学参数安全假人头部模型可用于评估冲击环境下的眼睛损伤，增强了碰撞假人头部模型的测试能力。可用于评估头盔、护目镜及其他保护装置在减少眼睛和头部伤害方面的有效性，还有助于评估爆炸冲击等环境下的面部防护设备。