淺談汽車碰撞生物力學(xué)

摘要：文章介紹了汽車被動安全性和汽車碰撞生物力學(xué)的概念及其研究內(nèi)容，包括正面碰撞中人體的傷害機理、人體各部位的傷害指標(biāo)及耐受極限，并對汽車碰撞生物力學(xué)的研究方法做了闡述。

關(guān)鍵詞：汽車；被動安全性；碰撞；生物力學(xué)；假人

中圖分類號：U460 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）25-0096-03

1 概述

汽車的行駛安全性包括主動安全性和被動安全性。主動安全性是指汽車本身防止或減少道路交通事故發(fā)生的性能；而被動安全性則是指交通事故發(fā)生后，汽車本身減輕人員傷害和貨物損失的能力。汽車被動安全性又分為汽車內(nèi)部被動安全性（減輕車內(nèi)乘員受傷和貨物受損）以及外部被動安全性（減輕對事故所涉及的其他人員和車輛的損害）。

汽車被動安全性主要包括車身結(jié)構(gòu)抗撞性、碰撞生物力學(xué)、乘員約束系統(tǒng)三方面。人體組織在碰撞過程中所包含的有關(guān)力學(xué)稱為碰撞生物力學(xué)，它是汽車被動安全技術(shù)開展及人體防護研究的重要基礎(chǔ)，主要目的是了解傷害機理，定量描述人體生物力學(xué)響應(yīng)，開發(fā)與人體生物力學(xué)特性相似的碰撞實驗假人，用以精確評價人體損傷并開發(fā)保護系統(tǒng)。

2 碰撞生物力學(xué)的研究內(nèi)容

碰撞生物力學(xué)主要研究人體各部位在不同形式碰撞中的傷害機理、對碰撞載荷的機械響應(yīng)特性及傷害極限等。

2.1 正面碰撞中人體的傷害

在所有汽車交通事故中，與碰撞有關(guān)的事故占90%以上，汽車發(fā)生正面碰撞（包括斜碰）的概率在40%左右。在日本，由正面碰撞（包括斜碰）所造成的死亡人數(shù)更是占到了總死亡人數(shù)的71.6%。在正面碰撞過程中，人體頭部主要是在自身慣性力作用下與方向盤或儀表盤等車內(nèi)介質(zhì)的激烈碰撞中造成的嚴(yán)重損傷，如顱骨破裂或顱內(nèi)出血等癥狀；頸部在慣性載荷作用下，由于過度向前彎曲或向后拉伸造成損傷；胸腹部由于與安全帶接觸，安全帶的勒緊力以及由自身慣性而導(dǎo)致的與方向盤等外物的鈍性沖擊力是造成胸腹部損傷的主要原因，一般會導(dǎo)致胸骨、肋骨斷裂，胸腹內(nèi)出血等癥狀；下肢的損傷主要是由膝關(guān)節(jié)及腿部與儀表盤下端的猛烈撞擊，產(chǎn)生超過腿部生理限度的彎曲應(yīng)力和張應(yīng)力而造成的。

大量交通事故的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，相對于乘員的其他身體部位而言，頭部、胸部、腹部的傷害是正面碰撞發(fā)生時最主要的傷害形式，同時也是造成死亡事故頻率最高的三個部位。

2.2 人體傷害評價方法

人體傷害評價可分為傷害分級和傷害定量測量兩類。

傷害分級是從解剖學(xué)的角度評價說明受傷位置、傷害類型和相應(yīng)的傷害嚴(yán)重程度。在交通事故調(diào)查中確認乘員傷害程度，主要有以下幾種傷害分級方法：簡略傷害分級（AIS）、最大傷害分級（MAIS）、嚴(yán)重傷害分級（ISS）、乘員傷害分級（OIS）和致殘損傷分級（IIS）。目前被普遍使用的是由美國汽車醫(yī)學(xué)協(xié)會（AAAM）提出的簡略傷害分級（AIS），AIS將傷害水平從“沒有傷害”到“最大傷害”依次分為0～9級，用來衡量對生命的危險性，很適合交通事故中人員傷害程度的確認。

傷害定量測量是在實驗室碰撞試驗中，通過測定碰撞假人的動力學(xué)響應(yīng)（加速度、力、位移等）計算出傷害指標(biāo)，用以定量地評價人體在碰撞過程中的安全性。通常使用的如頭部傷害指標(biāo)HIC、胸部3ms加速度、胸部壓縮量、粘性傷害指標(biāo)VC、小腿骨指標(biāo)TI等。

2.3 人體各部位的傷害指標(biāo)

2.3.1 頭部傷害指標(biāo)。1960年，美國韋恩州立大學(xué)的Lissner提出了直線加速度下頭部耐沖擊性的韋恩州傷害標(biāo)準(zhǔn)WSTC曲線，后由Patrick做了修正。在此基礎(chǔ)上又提出較為完備的頭部傷害標(biāo)準(zhǔn)HIC（Head Injury Criterion），HIC采用下式

計算：

式中：—碰撞過程中的任意時刻；—相對于

，HIC達到最大值時刻；a—頭部質(zhì)心加速度（g）。

HIC評價指標(biāo)已被各國的法規(guī)廣泛采用。為了使用方便，最大間隔時間（t2－t1）定為36ms，但由于這個時間間隔大大影響著HIC的計算，后又被建議減少至15ms。

2.3.2 胸部傷害指標(biāo)。對于胸部傷害情況的評價，通常用胸部壓縮量來表明胸部骨折的情況或?qū)⒆饔迷谏闲夭恐匦奶幍臅r間為3ms的線性加速度值作為衡量人胸部受傷的嚴(yán)重程度。Kroell等人在前碰死尸試驗的基礎(chǔ)上提出胸部擠壓指標(biāo)C，在此基礎(chǔ)上，Lau和Viano通過對活體動物試驗提出了粘性指標(biāo)VC（Viscous Criterion），反映了速度變化對胸部損傷的影響。

2.3.3 腿部傷害指標(biāo)。對于大腿的傷害，在各國的法規(guī)中普遍采用大腿所受的軸向力來評價。

2.4 正面碰撞中人體的傷害極限

人體的傷害極限（耐受度）定義為人體或人體某一部位對于一個特定的傷害等級所能承受的載荷大小。美國和歐洲根據(jù)由實驗假人測得的各種傷害指標(biāo)出臺了相應(yīng)的政府法規(guī)來設(shè)定對約束系統(tǒng)的性能要求，加強對乘員的保護。我國也參照歐美法規(guī)在1999年頒布了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。

3 碰撞生物力學(xué)研究方法

碰撞生物力學(xué)的研究方法主要有三種，即生物模

型研究方法、機械模型研究方法和數(shù)學(xué)模型研究方法。

3.1 生物模型方法

生物模型方法主要是指用生物實體來研究人體損傷機理和確定耐受極限，既可用人體試驗也可用動物試驗來實現(xiàn)。在早期的研究中，科學(xué)家最初用活體動物（猴、豬等）作為實驗品，但由于它們與人體相差很大，所獲得的數(shù)據(jù)不能讓人滿意。人體死尸雖然是理想的實驗品，但由于其傷害忍受極限及生物力學(xué)響應(yīng)方面的特性隨年齡和性別的變化較大，不易形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。在低速或危險性不大的情況下，也有通過志愿者進行實驗得到更為真實的實驗數(shù)據(jù)。

3.2 機械模型方法

機械模型也就是碰撞試驗用假人模型（Dummy）

或擬人實驗裝置（ATD），用以評價汽車安全裝置的性能及整車的安全性。目前具有較高生物保真性的假人是美國福特公司開發(fā)的HybridⅢ系列假人以及用于側(cè)面碰撞試驗的SID假人和EuroSID假人。SID、EuroSID分別是美國、歐洲和日本側(cè)面碰撞試驗法規(guī)指定的實驗假人。

3.3 數(shù)學(xué)模型方法

數(shù)學(xué)模型方法主要是指應(yīng)用計算機建模來進行仿真試驗，模擬真實碰撞事故發(fā)生時結(jié)構(gòu)和部件的變形狀態(tài)以及此時車內(nèi)乘員的運動狀態(tài)、乘員與可能接觸的車體結(jié)構(gòu)和約束系統(tǒng)的關(guān)系，具有極大的實用價值。目前，根據(jù)建模方法和功能的不同，主要分為多體系統(tǒng)動力學(xué)法和有限元法。前者是通過把人體的各個部分（如頭、胸、手臂、大腿、小腿等）抽象為多體系統(tǒng)中的“體”建立多體系統(tǒng)進行人體動力學(xué)響應(yīng)的仿真分析，該類軟件從20世紀(jì)70年代開始逐漸發(fā)展，具有代表性的是荷蘭TNO道路設(shè)計車輛研究院開發(fā)的MADYMO軟件，它可以進行碰撞仿真并評價乘員的傷害。有限元法則通過建立汽車結(jié)構(gòu)模型及人體局部結(jié)構(gòu)的生物力學(xué)模型來進行模擬碰撞分析，這一類軟件是從20世紀(jì)80年代開始發(fā)展起來的，以美國Livermore公司的LS-DYNA3D軟件及法國ESI公司PAM-CRASH軟件為代表。

數(shù)學(xué)模型方法的最大優(yōu)點在于實驗費用低、周期短、限制條件少、可重復(fù)進行試驗。但由于計算機仿真不可能完全反映真實的碰撞情形，因此其結(jié)果往往還是需要通過實車試驗來進行驗證。

4 結(jié)語

碰撞生物力學(xué)是汽車被動安全技術(shù)中的一個重要研究領(lǐng)域，歐美汽車強國已經(jīng)進行了比較系統(tǒng)的研究，取得了一系列成果。我國自主品牌汽車企業(yè)要想進一步鞏固國內(nèi)市場、拓寬國際市場，就必須在這一領(lǐng)域開展系統(tǒng)的研究工作，在借鑒吸收國外先進經(jīng)驗的同時，結(jié)合我國實際情況，充分把實驗?zāi)M與計算機仿真相結(jié)合，創(chuàng)造性地開發(fā)自己的先進安全汽車產(chǎn)品。

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作者簡介：徐維（1994-），男，重慶人， 重慶南開中學(xué)高2010級14班學(xué)生；賀巖松（1968-），男，湖南雙峰人，重慶大學(xué)機械工程學(xué)院教授，工學(xué)博士，研究方向：汽車系統(tǒng)動力學(xué)與控制。

（責(zé)任編輯：周 瓊）