正碰下6 歲兒童乘員的胸部運動學方程與損傷風險分析

葉 凡，王丙雨，韓 勇，葉賽峰，余 意

（廈門理工學院 機械與汽車工程學院，廈門 361024，中國）

根據世界衛生組織數據顯示，中國大陸每年死于交通事故的兒童數量超過1.85 萬人，而這其中兒童安全座椅的低使用率則成為了兒童交通傷害的主要因素[1]。相關調查報告顯示：中國大陸兒童安全座椅（child restraint system，CRS）擁有率最高的2 個城市深圳與上海，擁有率分別達到80%和64%，但正確使用率卻只有37%和25%[2-4]，可見中國公民對于兒童的乘車安全不夠重視，因此，中國在兒童乘員保護這方面還有很長的路要走。

2016 美國交通事故類型的統計分析數據表明：近幾年來乘用車發生正面碰撞事故類型占比最高，達到61%[5]。世界衛生組織研究表明：所有汽車碰撞事故中，正面碰撞導致兒童死亡的事故占比為34%[6-7]。相關調查顯示[8]：在造成4～9 歲兒童非故意死亡的因素中，道路交通事故居于首位。K.B.Arbogast 等人[9]調查了2 萬名16 歲以下兒童在交通事故中的傷亡情況，發現4～8 歲的兒童胸部損傷風險最高且分別是0～3 歲和9～15 歲兒童受傷幾率的24.5 倍和2.6 倍。故研究4～8歲兒童胸部的損傷機理對提高兒童約束系統的防護性能和保障兒童乘員安全都具有極其重要的研究意義。

胸部加速度作為評判兒童乘員的損傷重要指標之一，有必要對正面碰撞工況下假人胸部的受力狀況進行受力分析，分析影響胸部加速度大小的主要因素，從而提出改進措施。過去的研究人員對成年女性胸部受力狀況進行了分析，并構建了胸部運動學方程，得出胸部加速度與外力、內力之間有相關性的結論[10]。之后，韓勇等人[11]對3 歲兒童乘員在五點式安全帶CRS 約束下胸部加速度與胸部內外力的關系展開了研究。

由于3 歲與6 歲兒童乘員的約束方式不同，會導致二者在發生碰撞時所承受的肩帶力有所不同。韓勇等人[11]的結果直接用于6 歲兒童乘員不一定合理。且長沙理工大學武和全等人[12]對正面碰撞中胸部響應的研究中，得出不同碰撞高度對胸部最大壓縮量和最大黏性指數（viscous criterion，VC）有不同程度的影響。兒童身體尚在發育階段，胸廓相對成人比較柔軟，受到沖擊時，肋骨不容易骨折，但對胸部壓縮量較大，容易壓迫內臟從而造成損傷并伴有較高的死亡率。韓勇等人[13]進行的西藏小豬正面碰撞臺車試驗表明：小豬肋骨未發生骨折，但其臟器受到了嚴重損傷。因此，僅用胸部肋骨是否發生骨折作為兒童胸部損傷的評價指標不一定合適。在評價某CRS 的防護效果時，除了對胸部運動學指標進行評估之外還需要對其內臟的損傷狀況進行評估，本文將采用THUMS 6YO人體有限元模型的為研究其損傷提供了可行性，從而研究正面碰撞過程中某CRS 對兒童胸部臟器的防護效果。

本文將以正面碰撞工況下6 歲兒童乘員胸部損傷風險為研究對象，選取某款CRS，利用Hybrid III 6YO 假人模型得到兒童假人的損傷評價參數，建立6歲兒童胸部動力學方程，分析6 歲兒童乘員胸部受力情況，研究其造成胸部損傷的主要因素。采用THUMS 6YO 人體有限元模型分析兒童胸部各臟器的損傷風險。

1 兒童約束系統仿真模型的建立與驗證

1.1 正面碰撞臺車-兒童約束系統有限元模型搭建

基于歐洲法規ECE R129 試驗，建立CRS 臺車試驗有限元模型，主要由臺車模型、CRS 模型、Hybrid III 6YO 假人模型以及THUMS 6YO 人體有限元模型3 部分組成。試驗臺車模型車身長2 616 mm，寬910 mm，高300 mm，材料采用Q235 碳素結構鋼。試驗座椅由座椅臺架和試驗坐墊2 部分組成，座椅臺架有限元模型尺寸參考歐洲經濟委員會（Economic Commission of Europe，ECE）座椅尺寸進行建模，材料同樣使用Q235 鋼。座墊與靠墊均為六面體實體單元，材料為泡沫材料。

圓形薄壁吸能管有限元模型由殼體單元組成，吸能管的材料設置為鋁。套筒與剛性墻的有限元模型的材料均為剛體。整個臺車模型網格總數為48 733，節點數為54 007，并通過建立質量點來調整臺車的總質量。研究過程中臺車以50 km/h 勻速撞擊固定壁障，利用吸能或緩沖裝置產生減速度。試驗過程中采用不同組合的圓形薄壁吸能管來實現法規通道要求的臺車碰撞試驗波形，來模擬實驗室滑臺試驗系統中的沖管吸能型減速滑車。

采用某款適合6 歲以上兒童使用的增高墊有靠背型安全座椅，并通過ISOFIX 與車體剛性連接，座椅采用單元大小為8 mm 進行網格劃分，并根據實際尺寸賦予相應的厚度，有限元模型如圖1 所示。

圖1 兒童座椅有限元模型

CRS 有限元模型質量為7 kg，網格總數為286 695，節點總數為152 875。兒童假人有限元模型采用Hybrid III 6YO 假人模型，THUMS 6YO 人體有限元模型是由豐田公司開發的第4 代學術版人體有限元模型。CRS 臺車碰撞有限元仿真模型如圖2 所示。

圖2 兒童約束系統完整正面碰撞臺車有限元模型

假人和人體模型的生物仿真度都通過兒童尸體胸部擺錘沖擊試驗驗證了有限元模型的有效性[14-15]。

1.2 正面碰撞臺車加速度曲線的擬合

仿真過程中臺車以50 km/h 的初速度碰撞圓形薄壁吸能管。通過組合不同長度、壁厚及數量的圓形薄壁吸能管能夠模擬出符合ECE R44/04 要求的正面碰撞加速度波形通道[16-17]。本文參考此類方法建立了同種材料參數的吸能管有限元模型，吸能管組合參數如表1 所示。當臺車質量調整為710 kg 時，能夠擬合出滿足法規加速區間要求的臺車加速度曲線，如圖3 所示。吸能管的組合方式和編號如圖4 所示。

圖3 臺車擬合的加速度曲線

圖4 吸能管組合形式和編號

表1 吸能管模型的組合參數

1.3 碰撞仿真模型有效性驗證

根據ECE R44 的測試要求，對以上某款兒童安全座椅進行仿真測試時，臺車的加速度曲線需處于法規要求的通道之內。本文使用該款座椅搭載Hybrid III 6YO 假人模型進行正面碰撞，并使用三點式安全帶對假人進行約束，如圖5 所示。

圖5 仿真測試模型

仿真和試驗的胸部與盆骨合成加速度曲線如圖6、7 所示。

只是后來我上學三年后，分配在承德市工作落戶。一段時間里，生活亦為艱辛，而當初插隊的那縣又劃離了承德，所以漸漸聯系就少了。但我也知道，于叔他們一家與回到天津的我那同學來往密切，桂霞姐的兩個孩子都去了天津創業，并落戶津門。而我卻沒能幫助做些什么，心中便慚愧，越慚愧則越不敢聯系。到后來，聽說于叔不在了，又過些年，于嬸也沒了，我暗自哭了一場，清明燒了些紙，卻仍不能釋去內心的愧疚……

圖6、7中，試驗與仿真的加速度曲線趨勢基本一致。加速度的波峰和波谷出現的時刻也較為一致。由此驗證了所建立的CRS 正面碰撞有限元模型的有效性，可以用于后續兒童乘員胸部運動學方程建立與損傷風險分析的研究。

圖6 胸部合成加速度

圖7 骨盆合成加速度

2 兒童乘員胸部動力學方程建立

Hybrid III 6YO 假人胸部由胸椎和覆蓋有胸部短上衣的胸腔組成，胸椎由鋼制的脊骨箱組成，其上安裝頸部、鎖骨、肋骨和腰椎[18]。基于前人的研究成果[11]，總結得出兒童胸部除了要承受安全帶(seatbelt)肩帶力以及下顎(chin)接觸力與胸部(chest)接觸力這些外力，還要承受下頸部(neck)、肋骨(rib)、約束路徑處肩關節(shoulder)和腰椎(lumbar)所產生的內力，如圖8 所示。

圖8 Hybrid III 6YO 假人模型胸部所受的內外力

若質量為m，加速度為a，水平向右為正方向，水平向左為負方向；假人胸部壓縮量為D，用Fax表示產生胸部加速度的力，FDx表示產生胸部壓縮量的力，Fx表示產生X向各部分力的合力，在正面碰撞過程中，假人正常姿態下，則通常有：

式中：m取Hybrid III 6YO 假人模型胸部（廣義的胸部，含頸部）質量，即m=7.61 kg+1.02 kg=8.63 kg；K為Hybrid III 假人胸部剛度系數，取250 kN/m[19]。作用于假人胸部的運動學方程為

X方向各部分力變化的曲線圖如圖9 所示。

圖9 作用于Hybrid III 6YO 假人模型X 方向上的內外力與胸部慣性力

從圖9 可知：胸部受力主要分布于35～120 ms，產生胸部X向合力的外力主要是安全帶肩帶力和兒童下顎與胸部的接觸力，且肩帶力對胸部的影響較大，下顎接觸力影響較小可以忽略；內力主要是兒童頸部力的作用力，其方向與合力方向相反，其他各部分內力影響較小，可以忽略不計。綜合分析各部分力的大小，能夠得出安全帶肩帶力是影響胸部變形量與胸部加速度大小的主要因素。

3 碰撞仿真結果與損傷風險分析

3.1 不同兒童乘員模型運動學和損傷差異性分析

圖10 為Hybrid III 6YO 假人模型和THUMS 6YO人體有限元模型在該款CRS 仿真過程中不同時刻的兒童成員運動學響應。

從圖10 中可知：由于THUMS 兒童乘員模型的頸部偏軟，而Hybrid III 假人模型的頸部偏硬，導致仿真過程中THUMS 模型的頭部轉動量比Hybrid III 模型大，在75ms 之后整個面部下方區域與胸部持續接觸，而Hybrid III 模型只是下顎與胸部接觸；整個碰撞仿真過程中Hybrid III 與THUMS兒童乘員模型的身體均未發生下潛現象，安全帶肩帶未發生滑動始終保持在合理的位置。

圖10 2 種模型的運動響應對比

圖11 為Hybrid III 6YO 與 THUMS 6YO 胸部合成加速度與胸部壓縮量對比。

從圖11a 可知：THUMS 6YO 人體有限元模型與Hybrid III 6YO 假人模型的胸部加速度總體趨勢與峰值接近，如圖11a 所示，但THUMS 6YO 人體有限元模型峰值稍微滯后，由于模型結構的柔軟性，受動能變化的影響不如Hybrid III 6YO 假人模型，同樣的，由于假人與胸部的接觸，胸部加速度出現了第2 次峰值。

從圖11b 可知：THUMS 6YO人體有限元模型的胸部壓縮量峰值遠大于Hybrid Ⅲ 6YO 假人模型，且曲線較為平滑。THUMS 6YO人體有限元模型最大胸部壓縮量為25.0 mm，有可能造成胸部AIS ≥3 的損傷風險[20]。而Hybrid Ⅲ假人模型的最大胸部壓縮量僅為13.8 mm，由于Hybrid Ⅲ假人為機械假人，其胸部材料較硬，生物逼真度低于THUMS 模型所造成的。在110 ms 時刻以后，胸部壓縮量曲線由于假人下顎與胸部的接觸出現了第2 次波峰。通過對比分析2 款兒童乘員模型的胸部壓縮量，發現Hybrid Ⅲ假人的胸部模型材料較硬，不適合用其胸部壓縮量來表征兒童胸部損傷。

圖11 2 種模型胸部合成加速度與胸部壓縮量對比

圖12 為Hybrid III 6YO 假人模型與THUMS 6YO人體有限元模型在正面碰撞過程中胸部的VC 曲線，VC 為黏性準則（viscous criterion）。從圖12 可知：2 條曲線的波動頻率差異明顯，峰值出現的時間出現了較大的差異，這是由于THUMS 模型的材料較為柔軟導致的。Hybrid III 6YO 假人模型與THUMS 6YO 人體有限元模型胸部的VC 最大值分別為0.12 m/s 和0.10 m/s，均遠小于ECE R44 中的損傷評估參考值（injury assessment reference value，IARV）的閾值1 m/s，對兒童胸部器官軟組織造成的損傷風險極低。

圖12 2 種模型胸部黏性準則VC 值對比

3.2 兒童胸部主要器官損傷分析

通過對兒童乘員胸部損傷曲線的分析，得出兒童乘員胸部使用該約束系統時均可能造成不同程度的損傷風險，但無法判斷胸部器官具體的損傷情況。本文將利用THUMS 人體有限元模型對兒童胸部肋骨、心臟以及肺部器官的應變進行分析，從而來研究正面碰撞工況下6 歲兒童使用該CRS 時的胸部主要器官的損傷狀況。

圖13a 是在該兒童安全座椅CRS下兒童乘員胸部肋骨的第一主應變云圖。由圖可知：靠近胸腔左上方和右下側的肋骨擠壓變形比較嚴重，導致這一結果的原因是三點式安全帶肩帶的約束路徑是由左肩到右邊胸部，且兒童乘員的肋骨最大主應變達到了3.9%。LYU Wenle 等人[21]在前人研究的基礎上對成人肋骨密質骨進行合理比例縮放，從而得出兒童肋骨骨折的極限應變范圍為3.6%～4.5%，兒童乘員的肋骨應變值達到了參考極限應變值，有一定的肋骨損傷風險。

圖13b 中兒童乘員心臟的最大主應變達到了65.6%，心臟位于胸腔左下方，在安全帶肩帶外力的作用下胸椎和肋骨會發生變形對心臟造成擠壓導致應力集中，H.Yamada 等人[22]通過大量的人類心肌組織測試數據中獲取了0～9 歲兒童胸部心肌組織的極限拉伸應變，應變值范圍在53.0%～69.8%之間，并且得出第一主應變達到30%時，胸部的心肌組織便開始出現損傷。說明兒童乘員在該CRS 約束條件下，心臟在碰撞過程中會出現挫傷現象。

圖13c 中肺部的最大主應變達到了87.9%。肺部周圍由肋骨包裹，肋骨的擠壓變形會直接導致肺部的應力集中，F.S.Gayzik 等人[23]利用試驗和仿真相結合的方法對肺部的損傷進行研究，得出能夠通過觀察肺部的第一主應變值的大小預測出肺部的顯影損傷，歸納總結測試數據發現肺部有限元模型的應變達到35%時肺部軟組織會出現損傷的結論，兒童乘員的肺部第一主應變值遠遠超過了乘員肺部損傷耐限值，因此，兒童乘員肺部軟組織發生損傷風險極高。

圖13 肋骨、心臟和肺部等軟組織器官第一主應變云圖

該CRS 約束系統下Hybrid III 6YO 假人模型與THUMS 6YO人體有限元模型的胸部（3 ms）合成加速度a、胸部最大壓縮量D、胸部黏性準則VCmax以及胸部軟組織器官肋骨、心臟和肺部的第一主應變ε這6項典型傷害值如表2 所示。

表2 不同模型各項傷害值

損傷評估參考值IARV 根據不同的標準確定，具體為胸部3 ms 合成加速度、胸部粘性準則VCmax值根據Euro-NCAP 確定。胸部壓縮量由FMVSS 208 確定為40 mm。肋骨、心臟、肺部的第一主應變范圍基于LYU Wenle 等人[21]、H.Yamada 等人[22]、F.S.Gayzik 等人[23]的研究分別確定為3.6%～4.5%、30.0%、35.0%。

表2 中的胸部加速度a、胸部黏性準則VCmax與胸部壓縮量D均在IARV 參考值范圍內；而兒童乘員胸部內臟組織器官的應變值除肋骨外均超出了損傷閾值。

從受力分析可知：安全帶肩帶力是影響兒童乘員胸部損傷的主要因素，肩帶力的大小直接影響胸部加速度及胸部壓縮量的取值；因此可以通過安全帶導向鉤位置、安全帶與兒童間的摩擦因數以及安全帶的剛度系數這3 方面的調節，來得到更合理的安全帶設計參數，降低兒乘員的胸部損傷風險。

4 結論

本文基于ECE R129 法規要求建立了正面碰撞臺車模型，分析某款增高墊型兒童安全座椅CRS 約束下6歲兒童乘員（Hybrid III 6YO 假人模型與THUMS 6YO人體有限元模型）在正面碰撞過程中的真實動態響應以及胸部的損傷風險，并建立了胸部運動力學方程，分析了胸部主要器官的應變狀況，得出以下結論：

1）損傷分析表明，THUMS 6YO人體有限元模型在肋骨未發生骨折時，但胸部臟器有較高的損傷風險；因此在研究CRS 的防護效果時，使用THUMS 人體模型相比 Hybrid III 假人在評估人體損傷方面更加全面，精度更高，能夠最大限度地反映兒童成員碰撞過程地真實情況。

2）胸部受力的主要階段分布于35～120 ms，產生胸部X向合力的外力主要是安全帶肩帶力和兒童下顎與胸部的接觸力，且肩帶力對胸部的影響較大，接觸力影響較小幾乎可以忽略；內力主要是兒童頸部力的作用且與合力方向相反，其他各部分內力影響較小，幾乎可以忽略不計。

3）在該兒童約束系統中假人在運動過程中均未出現下潛現象，降低了腹部的損傷風險；假人的各項胸部損傷指標方面，該CRS 約束下假人的胸部加速度及胸部黏性準則均在合理的參考閾值范圍內；而THUMS 6YO人體有限元模型胸部內臟組織器官所受的應變均超出了損傷閾值，會造成一定的損傷風險。