汽車碰撞乘員頭部扭轉傷害研究

仲衍慧，李 博，殷為洋

(中國汽車技術研究中心 天津300162)

基礎研究

汽車碰撞乘員頭部扭轉傷害研究

仲衍慧，李 博，殷為洋

(中國汽車技術研究中心 天津300162)

從 2000年至今，全球交通事故傷亡總數上升了 67%,。汽車交通事故的主要傷亡對象分別為車輛的駕駛員、乘員以及行人。其中頭部傷害作為主要的傷害形式，也是造成乘員死亡率最高的傷害形式。現有的傷害評價中，涉及假人頭部損傷的項目較少。在相關理論知識的基礎上，對假人頭部的扭轉傷害進行探究，結合試驗數據，證明了假人頭部扭轉傷害對實際碰撞具有重要的指導意義。

碰撞 頭部 扭轉

0 引 言

隨車汽車工業和交通運輸的發展，汽車碰撞類交通事故已經成為人員傷亡的主要事故形態。從2000年至今，全球交通事故傷亡總數上升67%,。汽車交通事故的主要傷亡對象分別為車輛的駕駛員、乘員以及行人。其中頭部傷害作為主要的傷害形式，也是造成乘員死亡率最高的傷害形式，研究頭部損傷、優化車輛結構和約束系統成為了世界各汽車廠家的重任。

生物力學是一門依據已確定的力學原理來對生物體中的力學問題進行研究的學科，它將力學、醫學、生物學等學科的基本原理有機結合在一起，形成一門多學科互相滲透的科學。

根據解剖學原理，人體的頭部結構可以分為顱腦部和面部兩個部分。其中顱腦部由頭部及其血管和神經組織、8塊頭骨、腦膜、腦組織組成，面部由 9種面顱骨(共 15塊)及其肌肉、皮膚、血管與神經組織組成。解剖學結構由外至內一次分為頭皮、頭骨、腦膜和腦。

1 顱腦主要損傷形式及損傷機理[1]

1.1 顱腦主要損傷形式

顱骨和腦的損傷是交通事故中最為常見的損傷形式，一般頭部的損傷形式為顱骨骨折和腦部損傷，顱骨骨折是顱骨損傷的主要表現形式。而腦損傷主要包括彌漫性腦損傷和集中性腦損傷，彌漫性腦損傷主要包括腦震蕩和彌漫性神經軸損傷等；而集中性腦損傷主要包括硬膜下出血、腦挫傷、蛛網膜下出血等。

1.1.1 顱骨骨折

顱骨骨折一般為發生在頭蓋骨底部區域的骨折和顱骨拱形頂端的骨折。在交通事故中，乘員的頭部與車輛內部的堅硬部件發生接觸，損傷程度與接觸范圍以及顱骨碰撞位置與骨折相關。當受力大于顱骨的最大承受范圍，就會發生骨折。

1.1.2 腦挫裂傷

腦挫裂傷是最常見的腦損傷形式，主要發生原因是血管和組織的破壞。同側沖擊傷和對側沖擊傷是腦挫裂傷的主要兩種類型。前者的損傷機理主要是碰撞中受力，后者的損傷機理主要是慣性。

1.1.3 硬膜下血腫

硬膜下血腫在腦損傷中是高程度的損傷，主要發生原因是動脈與橋靜脈的撕裂。主要損傷機理是慣性(線性加速度與角加速度)。

1.1.4 硬膜外血腫

硬膜外血腫的主要發生原因是碰撞對顱骨的局部沖擊，一般是由于折斷的骨緣對內面的硬膜動脈或者靜脈造成的撕裂，主要損傷機理是碰撞中受力。

1.1.5 蛛網膜下出血

蛛網膜下出血一般是由于硬膜下或硬膜外血管破裂，血液穿破腦組織流入蛛網膜下腔，稱為繼發性蛛網膜下腔出血。

1.1.6 腦震蕩

腦震蕩是一種常見的腦損傷，可能會引起永久性神經功能障礙，甚至昏迷、記憶和直覺喪失等癥狀。其主要損傷機理是由于慣性，在長時間作用的角加速度下，顱骨與大腦之間會產生相對運動，導致大腦深層結構的變形。

1.1.7 彌漫性神經軸索損傷

彌漫性神經軸索損傷又稱神經纖維撕裂傷，原因是當碰撞事故發生后，腦內神經元軸索受損。在交通事故中是造成傷殘和死亡的主要形式之一。受損部位一般為大腦皮層、白質，甚至中腦和腦干等部位。

其他傷害，如腦室內血腫和腦內血腫一般在事故中并不多見。腦室內血腫一般是由于頭部受到較大的沖擊力造成的損傷，一般表現在：①沖擊力迫使顱骨變形，腦室瞬間擴張所形成的負壓，使室管膜下靜脈張力增大，從而破裂出血。②頭部受到角速度的作用導致組織撕裂出血和彌漫性神經軸索損傷。

腦內血腫一般由凹陷骨折、嚴重的腦血管損傷以及大范圍的皮層挫裂傷引起。

1.2 顱腦主要損傷機理[2]

顱腦損傷機理一般可以分為以下幾種：碰撞中受力、顱骨內的粘性載荷和大腦的慣性載荷。一般由碰撞中受力和所產生的慣性造成。

在CNCAP 40%,可變性壁障和IIHS小重疊面偏置碰撞實驗中，乘員頭部既承受直接的碰撞力，還要承受線性加速度和旋轉加速度產生的慣性作用。在損傷情況上，顱骨骨折主要取決于顱骨的碰撞位置和接觸區域，當碰撞中受到的力超過頭蓋骨的極限承載時就會發生顱骨骨折，并可能同時伴隨沖擊傷。當頭部在受到加速度和慣性力作用時，腦部與顱骨就會發生相對運動，有強大的剪切應變和應變率造成腦震蕩和神經損傷，如表1所示：

表1 顱腦損傷類型與對應損傷機理Tab.1 Classification and mechanism of head injury

2 乘員在車輛碰撞事故中頭部損傷研究

2.1 腦損傷的評價方法以及耐受限度

在醫學和生物力學上使用不同的評價方法評價顱腦損傷的嚴重程度。在醫學應用中，一般應用簡明損傷定級法、格拉斯哥昏迷分級法等評定方法。而在生物力學上，通過大量實驗和事故統計及數據分析，通過建立一系列的損傷耐受值來比較腦組織力學響應參數，以達到預測人體可能發生的損傷的目的。

現階段，車輛碰撞實驗中廣泛應用混合 III型假人HybridIII假人。HybridIII假人是1976年通用汽車公司對 HybridII的頸部、胸部、膝部等進行大量改進而開發出的更接近人體特性的新型假人。

對于 HybridIII假人的頭部，主要性能評價指標為 HIC36、頭部 3,ms合成加速度、頭部軸向方向的角速度和頭部軸向方向的角加速度。

其中HIC36的計算公式為：

頭部 3,ms合成加速度值為假人頭部在 3,ms時間內的加速度值的累積，表示發生碰撞時的峰值加速度，用重力加速度 g表示。頭部軸向方向的角速度用角速度傳感器進行測量，頭部軸向方向的角加速度利用頭部軸向方向的角速度的一次微分進行計算。頭部加速度主要預測了對側沖擊傷害、硬膜下血腫、腦震蕩和軸索損傷。

這里用 HIC36和線性 3,ms線性加速度和頭部軸向方向的角加速度來評價頭部損傷。在 HIC36大于1,000、3,ms線性加速度大于80,g、頭部軸向方向的角速度大于 50,rad/s、角加速度大于 4,500,rad/s2的情況下，判定頭部將發生嚴重損傷，有造成死亡的可能。

由于頭部角加速度的損傷機理與頭部線性加速度相似，這里將HIC計算公式中的AR置換成為轉動3個方向濾波后的加速度，單位為 rad/s。則公式變換為：

將RIC的積分時間t2－t1的上限定為36,ms。

在此，我們應用 HIP(Head Injury Power)描述頭部損傷。

其中，m 為頭部質量，單位為 kg，hybridIII假人的頭部的質量為 4.5,kg；a1為線性部分的合成加速度，單位為 g；ar為扭轉部分的合成加速度，單位為 rad/s2；Ir為慣性，單位為 kg·m2，hybridIII假人的頭部慣性在 3個方向的分量是 0.016、0.024、0.022,kg·m2。于是，將頭部傷害劃分為線性和扭轉兩種傷害模式。

其中線性部分的傷害為：

扭轉部分的傷害為：

以上，將頭部損傷劃分為HIC、RIC、HIPI和HIPr。

2.2 車輛碰撞試驗數據結果的分析

2.2.1 車輛碰撞事故中乘員頭部損傷模式分析

在車輛碰撞事故中，乘員身體受安全帶的約束不會發生大幅度的運動趨勢，但是頭部腦組織在受到巨大沖擊力和慣性力下會發生較大距離的線性運動和具有一定加速度的轉動運動。一般的頭部損傷形式為：①頭部直接或者間接撞擊車內部件(如頭部直接接觸方向盤或安全氣囊)，從而發生顱骨相應變形并產生貫穿腦組織的梯度壓力，撞擊瞬間由于顱骨變形而導致顱內壓力升高，造成對頭部腦組織的擠壓變形；②非接觸式慣性載荷引起的角加速度引起顱腦組織的損傷。其中直線加速產生顱內梯度壓力及腦與顱骨內面的相對運動，而旋轉加速產生廣泛而顯著的貫穿整個腦組織的應變，其程度不僅與旋轉加速程度有關，也與顱內硬腦膜的結構分隔以及運動方向有關，其中最典型的是由角加速度引起的轉動慣性載荷。

一般在車輛的正面碰撞試驗中，角速度和角加速度對頭部的影響不是特別明顯，但是在各類型偏置碰撞試驗中，車身在碰撞過程中發生大角度的扭轉運動，使得乘員的頭部受到巨大的慣性力作用，產生腦部相對于頭骨的相對運動。

2.2.2 車輛碰撞試驗結果的頭部損傷數據分析

本次碰撞試驗按照現階段國內主流的中國新車評價規程(China-New Car Assessment Program，以下簡稱 C-NCAP)的 100%,正面剛性壁障碰撞試驗、40%,正面可變形壁障偏置碰撞試驗和美國公路安全保險協會(Insurance Institute for Highway Safety，以下簡稱 IIHS)的 25%,正面剛性壁障偏置碰撞試驗為考察試驗。其中 100%,正面剛性壁障碰撞試驗的碰撞速度為 50,km/h，40%,正面可變形壁障偏置碰撞試驗和 25%,正面剛性壁障偏置碰撞試驗的速度為64,km/h。使用某車型進行以上3種形式的3次試驗，試驗中使用 HybridIII假人，在駕駛員頭部質心位置安裝三向角速度傳感器。評價的響應曲線的范圍為碰撞接觸時刻 0,ms后時刻，試驗的分析評價時間歷程為 200,ms，并對試驗結果得到的三向角速度響應曲線進行微分，得到三向角加速度響應曲線。

試驗結果可以看出，100%,正面碰撞的頭部 HIC、3,ms線性加速度、頭部角速度和角加速度是 3類試驗項目中最小的；40%,偏置碰撞的頭部 HIC、3,ms線性加速度略大于 100%,正面碰撞，角速度和角加速度比 100%,正面碰撞增大的幅度相比于線性加速度更大；在 IIHS25%,偏置碰撞中，頭部 HIC、3,ms線性加速度略大于 40%,偏置碰撞，而角速度和角加速度比100%,正面碰撞和 40%,偏置碰撞增大幅度要明顯很多。從響應曲線上可以看出，在峰值的時間點上，HIC和線性 3,ms加速度出現的時間在碰撞過程中，假人的頭部向前運動與氣囊接觸的時刻范圍，而角速度和角加速度的峰值時間點一般出現在回彈階段后。頭部 HIC、3,ms線性加速度、角速度和角加速度的峰值如表2所示：

表2 各個傷害指標項結果Tab.2 Experimental results of injury indexes

將上述結果轉化成柱狀圖如圖1所示：

圖1 各個傷害指標結果柱狀圖Fig.1 Bar chart of injury indexes

由于損傷評價的是單軸的數據，以下就總結出此車型的X、Y、Z三軸的角速度和角加速度的值，由單軸響應曲線可以看出，在 40%,偏置碰撞中的角速度要比 100%,正面碰撞大很多，說明頭部發生了大角度的扭轉運動，尤其是在Y方向上的角速度增幅顯著。在 IIHS25%,偏置碰撞中，角速度和角加速度的峰值比 100%,正面碰撞和 40%,偏置碰撞增大幅度要明顯很多。實驗結果如表3、4所示，分別生成柱狀圖如圖2、3所示：

圖2 假人頭部角速度傷害指標單軸結果柱狀圖Fig.2 Single-axle results of dummy head angular velocity injury

表3 該車型的假人頭部扭轉角速度傷害指標值Tab.3 Angular velocity indexes of Dummy head torsion

表4 該車型的假人頭部扭轉角加速度傷害指標值Tab.4 Angular acceleration indexes of Dummy head torsion

圖3 假人頭部角加速度傷害指標單軸結果柱狀圖Fig.3 Single-axle results of Dummy head angular acceleration injury

3 結 論

①增加假人頭部扭傷評價能夠更加全面地評定碰撞試驗中假人頭部的傷害。②根據某車型的試驗結果，100%,正面碰撞的頭部HIC、3,ms線性加速度、頭部角速度和角加速度是 3類試驗項目中最小的；40%,偏置碰撞的頭部 HIC、3,ms線性加速度略大于100%,正面碰撞，角速度和角加速度比 100%,正面碰撞增大的幅度相比于線性加速度更大；在 IIHS 25%,偏置碰撞中，頭部HIC、3,ms線性加速度略大于40%,偏置碰撞，而角速度和角加速度比 100%,正面碰撞和40%,偏置碰撞增大幅度要明顯很多。從響應曲線上可以看出，在峰值的時間點上，HIC和線性3,ms加速度出現的時間在碰撞過程中，假人的頭部向前運動與氣囊接觸的時刻范圍，而角速度和角加速度的峰值時間點一般出現在回彈階段后。③文中涉及到的碰撞中假人頭部扭傷評價對實際中的汽車碰撞傷害評定具有重要的現實意義。■

［1］ 李凡. 基于真實車輛-行人交通事故的顱腦損傷風險分析研究[D]. 長沙：湖南大學，2009.

［2］ 戴繼明. 汽車行人碰撞中頸部對頭部動力學響應及顱腦損傷的影響[D]. 長沙：湖南大學，2013.

［3］ 劉地，李幼德，趙航，等. 行人頭部傷害與頭部碰撞試驗方法的相關性分析[J]. 公路交通科技，2004，21(1)：98-101.

On Torsion Injuries During Vehicle Crash Test

ZHONG Yanhui，LI Bo，YIN Weiyang
(China Automotive Technology & Research Center，Tianjin 300162，China)

Since 2000，the total number of casualties in traffic accidents has increased by 67%,．The main casualty targets in accidents were vehicle drivers，crew and pedestrians．Head injury is not only the main form of damage，but also the highest mortality which caused the occupant death．There are less researches on torsion injury in the existing injury evaluation．Based on relevant injury theories，this project makes a study on torsion injury．With experimental data，torsion imjury was proved as with important guiding significance for actual collisions.

crash；head；twist

U461

A

1006-8945(2016)11-0032-04

2016-10-09