基于Thums人體模型追尾碰撞乘員損傷研究

裴元津 華 林 謝書港 崔 東 祁志楠

(武漢理工大學汽車工程學院1) 武漢 430070) (現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室2) 武漢 430070) (中國汽車技術研究中心3) 天津 300300)

基于Thums人體模型追尾碰撞乘員損傷研究

裴元津1,2)華 林1,2)謝書港3)崔 東3)祁志楠3)

(武漢理工大學汽車工程學院1)武漢 430070) (現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室2)武漢 430070) (中國汽車技術研究中心3)天津 300300)

鞭打試驗所采用的BioRID-2假人有其自身局限性，它不能直觀地反映乘員韌帶、脊椎和內臟等組織的傷害情況.從某座椅的鞭打試驗入手，驗證了該座椅有限元模型的準確性，并通過Thums人體模型與BioRID-2假人在試驗過程中的姿態和部分輸出曲線對比，證明了其可靠性，并對Thums人體模型可能出現損傷的身體部位進行了傷害研究.結果表明，該座椅在鞭打試驗中除頸部受傷以外，腰椎盤纖維環及下腹部位置的內臟也會有所損傷.利用與醫學傷害標準比對的方法來驗證了Thums人體模型的可靠性，并指出低速追尾碰撞存在的潛在傷害.

鞭打試驗；追尾碰撞；BioRID-2假人；Thums人體模型；傷害研究

0 引 言

汽車碰撞事故的類型大體上分為正面碰撞、側面碰撞、追尾碰撞和翻車4類.日本交通安全協會2005年的汽車碰撞事故統計餅狀圖顯示，雖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傷害占有卻高達54%.

由追尾事故造成的頸部扭傷和拉傷(也稱為揮鞭傷)在各類傷害中占有很大比重，此類傷害也成為了美國最為多見的保險賠付項目之一.僅2007年，由于頸部受傷所支出的保險賠償就有約88億美元，占碰撞事故總賠償的25%[1].此外，澳大利亞每年因頸部損傷造成的經濟損失也高達5 400萬澳元[2].

BioRID-2假人模型，在C-NCAP鞭打試驗中有著不可撼動的地位，其擁有復雜的脊椎構造，可以較為精確的評估頸部所受到的各種傷害.

然而，低速追尾事故更多考慮頸部傷害的同時，往往忽略了其他部位的受傷情況.圖1為追尾碰撞中人體損傷部位所占比例，不難看出除頸部傷害以外，其他部位包括上肢、下肢、頭部及下背部損傷總共占了大約20%.

圖1 追尾碰撞中人體損傷部位所占比例

豐田公司研究開發的Thums人體模型(見圖2)，是基于人體解剖學并結合高分辨率醫學CT對人體內部結構組織進行全方位模擬的生物力學有限元模型.

圖2 Thums人體模型內部構造

其優勢在于可以通過多種方式對人體傷害情況進行預測和評估：①最直觀的一種就是可以看到骨骼及韌帶的斷裂；②還可以從應力、應變等參數來判斷傷害程度,見圖3.較BioRID-2假人而言，Thums人體模型可以得到更豐富的傷害信息，這對于改善汽車安全性能，減小汽車碰撞過程中人體的損傷具有十分重要的現實意義和工程應用價值,因此，越來越多的科研機構和組織開始利用此模型進行對碰撞安全方向的研究與開發.

圖3 Thums人體模型傷害讀取方法

文中從對標后的座椅入手，首先驗證了Thums人體模型與BioRID-2假人在鞭打仿真中姿態和部分輸出曲線的一致性.隨后探究了除頸部傷害之外的其他部位的受傷情況.

1 損傷機理及損傷評價標準

1.1 低速追尾碰撞傷害機理

頸部傷害是低速追尾事故中最為常見的傷害類型，專指機動車追尾碰撞對乘員頭頸產生突然的過伸及過屈作用力，使頸部軟組織承受過度應力而造成的損傷[3].在后碰過程中，頸部響應包含一系列復雜的運動，可以分為3個不同的階段，分別為縮回運動、向前運動和安全帶約束運動.第1階段中，頭部因慣性會保持在原始位置，而座椅由于追尾車輛碰撞會推動駕駛員后背及肩部向前運動，整體上與頭部形成了“S”形.這種 “S”形的變化在頸部損傷機理中十分關鍵；第2階段是向前運動，特點是有1個運動方向的改變，并且此階段主要受座椅設計影響，特別是座椅的彈性及其相應的回彈效應；最后階段安全帶約束人向前傾倒的趨勢從而結束整個過程[4].

分析表明，座椅靠背突然前沖給予腰腹部位的作用，帶來的腰椎瞬時彎曲過大，可能會導致了腰椎間盤、韌帶和附近的內臟損傷.

1.2 傷害評定標準

C-NCAP評分標準中有著明確的鞭打試驗標準，通過測得3個方向頭部質心加速度、T1加速度，從而計算出頸部傷害值(NIC)對座椅進行評價，見表1.

表1 C-NCAP(2015)鞭打試驗評分原則

Thums人體模型能準確而清楚的反映人體各個器官在事故中所發生的變化，并且很容易得到應力、應變等傷害參數，配合醫學中各部位的損傷標準和受傷等級，可以在一定程度上補充現在評價體系的不足之處.

2 THUMS人體模型驗證

2.1 BioRID-2假人鞭打模型可靠性驗證

文中選取了某款做C-NCAP鞭打摸底試驗的座椅進行研究，靜態測量中頭后間隙為27 mm,頭枕高于頭頂19 mm.試驗后，依據C-NCAP(2015)鞭打試驗評分標準，主要失分項見表2，可以看出頸部NIC值和上頸部扭矩存在嚴重問題.

表2 鞭打試驗問題項得分

隨后建立有限元模型并與試驗數據進行對標，選取了2個有代表性的曲線(頭部質心X方向加速度和上頸部My)進行對比，由圖4可知，仿真曲線與試驗曲線基本一致，由此證明了有限元模型的可靠性.

圖4 座椅模型對標對標

2.2 Thums假人模型建立

用Thums人體模型替換Biorid-2假人，并根據定位參數調節姿態.定義駕駛員座椅左下固定螺栓中心為基準，按照試驗數據，頭后間距、頭頂高度、h點坐標、膝蓋離地高度、腳跟腳踵離基準與試驗基本相同，其定位參數見表3，可見相差基本不超過5 mm.圖5為初始坐姿對照圖.

表3 Thums人體模型定位參數

圖5 Thums人體模型與Biorid-2坐姿對比

2.3 兩假人運動姿態一致性驗證

分別模擬2種模型的鞭打過程，得到動態運動姿態圖,見圖6.0，60，120，160 ms這4個關鍵時刻，分別為初始時刻、頭枕接觸時刻、座椅后傾角最大時刻和頭枕分離時刻，如圖可見，運動姿態基本一致.

圖6 2模型運動過程一致性對比

綜上所述，通過對比Thums人體模型和Biorid-2假人的定位參數和運動姿態，可以得出Thums人體模型在車輛低速追尾碰撞中的可靠性.

3 Thums人體模型的傷害分析

正常人體脊椎由7塊頸椎骨(C1-C7)、12塊胸椎骨(T1-T12)和5塊腰椎骨(L1-L5)組成，通過韌帶、椎間盤和肌肉相互支撐連接.現階段C-NCAP所使用的Biorid-2假人，是通過研究頭部與T1的相對運動關系和受力情況來判斷傷害程度.而Thums則是根據每個身體組織和結構的應力應變特點，參照各個醫學論文中的傷害標準，對傷害情況進行評估.表4給出了頸椎軟組織耐受限值.

表4 頸部軟組織的耐受限度

3.1 頸部傷害分析

圖7為脊椎韌帶及附著點的示意圖[5].

圖7 脊椎韌帶及其附著點

根據仿真結果及表3所給出的頸椎軟組織耐受限值， T1與T2之間的棘間韌帶應變幾乎達到限值.而連接T3-T4的椎間盤應力在100 ms的時候超出閥值近100%.這一時刻軀干向前運動而頭部因慣性靜止不動，對應的頸間盤剪切和拉伸力也達到最大,見圖8.這一點驗證了鞭打摸底試驗中NIC和上頸部轉矩過大造成的損傷.

圖8 頸部韌帶和椎間盤損傷情況

3.2 腰腹傷害分析

C-NCAP中的鞭打試驗并不考察腰腹部的傷害，雖然一般認為，低速追尾事故主要會對頸部造成比較嚴重的慢性損傷，但并不能說明此類事故不會帶來其他傷害.通過分析Thums人體模型，在整個追尾階段中，座椅的突然加速向前不會給上部軀干造成太大影響，但會使下背部變形，造成了腰腹部位內臟的傷害.

3.2.1 腰椎及下部肋骨傷害

由圖9可知，由于骨盆突然加速前移，而軀干上半部分處于靜止，導致腰椎整體向后彎曲，棘間韌帶的壓縮程度高達了91%，這會造成韌帶拉傷.另外，腰椎間盤所受應力在75 ms左右時刻達到峰值，大大超過了限值，可能會造成纖維環破裂.

圖9 腰椎間盤變化

另外，研究表明，肋骨骨密質的應變應小于2%，橫向拉伸強度只有53 MPa，否則可能會發生骨折[5]，見圖10.仿真結果發現，骨密質幾乎未發生形變，雖然帶來了一定程度的橫向拉伸，但不會造成傷害.

圖10 肋骨骨密質變化

3.2.2 腹部內臟傷害

由于背部變形擠壓，下腹中的內臟也受到了不同程度的影響.Melvin等[6]發現肝臟、腎臟和脾臟的應變率耐受限度都在30%左右，很明顯的圖中肝臟擠壓變形達到了46.6%，可能會導致內出血.而腎臟和脾臟被擠壓應變略微超過30%，可能會有輕度痛感，見圖11.

圖11 內臟傷害情況

其他內臟和組織包括心臟(30%)、肺(10 kPa)、腸道(120%)和主要血管(100%)等，沒有過度變形出現，并且都處于限值以內，不會受到傷害[7].

4 結 論

1) Thums人體模型與Biorid-2假人在鞭打試驗中具有較高的一致性，可以正確模擬出鞭打試驗中的人體響應過程.

2) 通過分析頸椎間盤和韌帶的損傷情況，驗證了Thums人體模型在低速追尾試驗中的可靠性.

3) 座椅的突然加速運動，帶來了L5和S1之間腰椎間盤嚴重擠壓，會造成纖維環破裂，同時人體下背部的扭曲也造成了下腹部內臟的輕微損傷.

4) 現階段鞭打試驗對頸部傷害的評估相對成熟，但座椅對下背部的保護情況并未引起人們足夠重視，現有評價體系有待完善.

[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.汽車與運動損傷生物力學[M].北京：機械工業出版社,2012.

[5]崔家仲，譚宗柒，張建國.骨的力學特性[J].中醫正骨，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，碩士，主要研究領域為汽車安全