中國體征3歲兒童乘員損傷仿生模型在C-NCAP正面碰撞測試仿真中的應用*

李海巖，蘇航杰，祝 賀，劉 沖，王彥鑫，崔世海，賀麗娟，王一達，呂文樂

（1.天津科技大學，現代汽車安全技術國際聯合研究中心，天津 300222；2.吉利汽車研究院（寧波）有限公司，寧波 315336）

前言

根據世界衛生組織最新統計報告，全球5歲以下兒童的死亡率大幅上升，我國5歲以下兒童死亡率為9.9%，是歐洲平均水平的3倍、美國的1.5倍，其中道路交通傷害是我國1-14歲未成年人死亡的第二大主因［1］。另據NHTSA數據統計，美國近5年乘用車正面碰撞事故占事故總數的50%以上［2］。世衛組織通過分析兒童乘員在道路交通中的傷亡情況，發現在有兒童參與并出現死亡的交通事故中，正面碰撞事故約為34%［3］。因此，開展道路交通事故中兒童安全性研究以減少傷亡是十分必要的。

中國新車評價規程C-NCAP（2021版）基于中國道路交通事故、國際前沿汽車試驗技術等一系列研究，在原有碰撞試驗的基礎上，提高了試驗難度和兒童乘員保護要求：在正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗中將后排Q3兒童假人的損傷評價指標作為兒童保護部分的評分依據，填補了我國兒童乘員保護的空白；使用正面50%重疊移動漸進變形壁障碰撞試驗替代正面40%重疊可變形壁障碰撞試驗，通過碰撞兼容性考核推動大車小車和諧一體的交通環境［4］。C-NCAP等法規標準的更新迭代，旨在提升汽車的安全性能，為道路交通參與者提供更好的安全保護。

人體損傷生物力學作為汽車安全研究的重要分支，在推動汽車安全性能提升方面起著十分重要的作用。隨著公共安全意識的提升，汽車主機廠和消費者高度關注整車的安全性能，研究人員就如何更好地保護車內乘員并提高整車安全性能做了大量深入研究。在整車安全性測試試驗中往往會采用尸體和動物試驗、碰撞假人、計算機有限元仿真等方法對人體的損傷機理進行研究［5-6］。但由于倫理原因，尸體與動物試驗受到人權組織和動物保護協會抵制而被限制，現階段人體損傷生物力學的研究大多采用碰撞假人和人體有限元模型進行仿真計算。碰撞假人有限元模型，如HybridⅢ系列假人、THOR假人、Q系列兒童假人等，在汽車碰撞安全開發設計中得到廣泛應用，但相對于人體復雜的組織結構特征而言，假人模型無法準確模擬人體的絕大部分器官，生物仿真度須進一步提高，因此其在研究人體損傷機理方面有一定的局限性。隨著計算機仿真技術的發展，人體有限元模型成為整車研發和人體損傷機理研究的重要工具。日本豐田汽車公司［7］開發了Total Human Model for Safety（THUMS）家族系列有限元模型，包括3歲、6歲、10歲兒童和5th、50th、95th成人有限元模型。全球人體模型聯盟（the global human body models consortium，GHBMC）開發了男性、女性和6歲兒童的行人及乘員模型。天津科技大學現代汽車安全技術國際聯合研究中心李海巖團隊［8-10］基于醫學影像獲取幾何數據構建了具有中國人體特征的高仿真度人體有限元模型——圖斯特損傷仿生模型（TUST injury bionic models，TUST IBMs），包括小身材女性模型（TUST IBMs F05）、3歲兒童模型（TUST IBMs 3YO）、6歲兒童模型（TUST IBMs 6YO）。此外，美國Sandia國家重點實驗室、福特汽車公司、密歇根大學、清華大學和湖南大學等也都在致力于開發生物力學人體有限元模型。

基于上述研究成果，本文應用圖斯特3歲兒童乘員損傷仿生模型（TUST IBMs 3YO-O），基于CNCAP（2021版）乘員保護動態試驗，搭建正面100%重疊剛性壁障（FRB）碰撞和正面50%重疊移動漸進變形壁障（MPDB）碰撞仿真試驗模型，對TUST IBMs 3YO-O模型在正面碰撞工況中的損傷響應進行研究分析，為C-NCAP等法規中關于兒童乘員的保護和損傷評估提供理論依據，也為數字化測評技術研發提供基礎數據。

1 試驗方法

應用天津科技大學現代汽車安全技術國際聯合研究中心開發的圖斯特3歲兒童乘員損傷仿生模型（TUST IBMs 3YO-O），該模型基于一位中國3歲兒童志愿者醫學檢測CT數據，精準獲取人體組織器官的幾何信息，采用有限元網格表征人體各部分，如全身骨骼、大腦、心臟、肝、脾、肺、腎、韌帶、肌肉、皮膚等組織器官特征，準確再現體內器官及其連接結構的布局，采用不同的力學本構關系定義不同部位的材料屬性，先后構建了頭部、頸部、胸腹部以及四肢等具有詳細解剖學結構的有限元模型，并經過有效性驗證［11-15］，通過共節點連接得到整人有限元模型，參考人體坐姿軀干角度，完成3歲兒童乘員有限元模型的構建。該模型身高101.6 cm，坐高58 cm，體質量15.8 kg，以六面體單元為主，共58.8萬個節點，73.2萬個單元，包含中國3歲兒童人體的主要組織結構特征，如圖1所示。

圖1 圖斯特3歲兒童乘員損傷仿生模型

本研究采用的整車有限元模型來自美國國家碰撞分析中心NCAC汽車模型數據庫，該整車模型通過重構NCAP第3248號剛性壁障正碰試驗驗證了模型的有效性。為減少模型計算量，提高仿真效率，對整車模型中不參與乘員碰撞的部分進行了簡化。在Hypermesh前處理軟件中，將與人體碰撞無關的部件刪除，并施加集中質量代替刪除部分，以確保簡化后的模型與原模型質量一致，最終得到與乘員碰撞有關的車身結構包括車門框架、底盤、A柱、前后座椅等，并在Pam-Crash中建立相應的屬性、材料以及part間的聯系。仿真中采用的兒童約束系統是基于國內某款兒童安全座椅的幾何參數逆向建模構建的有限元模型，并進行了有效性驗證，該兒童約束系統模型分為殼體、泡沫和安全帶3部分。其中，殼體采用六面體單元建模，材料類型為彈塑性材料；泡沫采用六面體單元建模，材料類型為聚氨酯泡沫，彈性模量E為0.1 MPa，密度ρ為43 kg/m3，泊松比μ為0.3；安全帶采用四面體單元建模，使五點式安全帶肩帶、腰帶和胯帶盡可能貼身約束兒童乘員，并通過設置面面接觸來模擬運動過程中力的傳遞。

按照C-NCAP（2021版）測試規程［5］進行仿真，在正面100%重疊剛性壁障碰撞仿真中，將兒童約束系統和TUST IBMs 3YO-O模型正向放置在后排座椅右側，簡稱FRB（見圖2（a）），對整車模型施加整車正面100%重疊剛性壁障（FRB）碰撞試驗加速度波形（見圖3（a））。在正面50%重疊移動漸進變形壁障（MPDB）仿真中，將兒童約束系統和TUST IBMs 3YO-O模型正向放置在后排座椅左、右兩側處，即MPDB后排右側和MPDB后排左側（見圖2（b）），對整車模型施加整車正面50%重疊移動漸進變形壁障（MPDB）碰撞試驗加速度波形包含線性加速度與旋轉角加速度（見圖3（b）和圖3（c））。在FRB、MPDB后排右側和MPDB后排左側3組仿真中，整車初速度均為50 km/h，處于9.81 m/s2的重力場中，使用五點式安全帶約束TUST IBMs 3YO-O。

圖2 仿真設置

圖3 整車加速度波形

2 試驗結果

2.1 運動學響應

圖4為不同工況仿真中TUST IBMs 3YO-O模型在不同時刻的運動學響應。在FRB碰撞中，兒童乘員相對于座椅向前滑動，當胸腹部在五點式安全帶的約束下停止運動時，頭部會在慣性的作用下繼續向前轉動，在77 ms下頜與胸部接觸直至運動到最大變形處時，頭部開始回彈。在MPDB碰撞試驗中，后排左側和右側的運動響應大致相同。由于車輛在偏置碰撞中會相對碰撞點發生偏轉，此時車內兒童乘員會同時受到縱向減速度和橫向加速度的作用，在碰撞初期由于慣性的作用兒童乘員相對座椅向前運動，直至受到安全帶腰帶和肩帶的約束作用，兒童乘員的軀干和骨盆處的前向位移受到限制，僅有頭部繼續向前運動，在76 ms時乘員頭部前向位移達到最大值。從44 ms開始，在橫向載荷的作用下，兒童乘員開始出現明顯的橫向運動并向左側車門處移動。但由于后排右側的位置離碰撞中心較遠，故其運動幅度比后排左側稍大。

圖4 3種工況仿真中TUST IBMs 3YO-O模型運動學響應

圖5為不同工況仿真中TUST IBMs 3YO-O模型頭部運動學響應。在FRB碰撞中，當兒童乘員胸腹部在五點式安全帶的約束下停止前向運動時，頭部會在慣性的作用下繼續向前轉動，在80 ms時達到加速度峰值53g。在MPDB碰撞中，后排座椅兩側曲線的走勢和波峰具有相似性，在碰撞初期時刻，兒童乘員由于慣性作用相對于座椅向前滑動，當兒童乘員胸腹部在安全帶的約束作用下停止前向運動時，頭部會在慣性的作用下繼續向前轉動，在橫向載荷作用下與右側胸腹部接觸后反彈，但后排右側和左側分別在72、73 ms時達到加速度峰值82g、80g。

圖5 頭部運動學響應

頭部損傷指標（head injury criterion，HIC）作為評價頭部損傷的重要標準被各國安全法規和評估機構廣泛采用［16］，其表達式為

式中：a為頭部質心合成加速度；t2-t1表示HIC取得最大值時的時間間隔，當取的最大時間間隔為15 ms時，即為HIC15。

頭部旋轉損傷指標（brain injury criteria，BrIC）是通過頭部質心的角速度來表示因頭部旋轉造成的損傷值［17］。在BrIC中，設頭部質心的角速度為ωx、ωy、ω（zrad/s），其表達式為

式中ωxC、ωyC、ωzC為標準角速度，基于和腦的主應變的相關性，分別為66.3、53.8、41.5 rad/s。從分析角速度對腦組織損傷的影響角度來看，BrIC與有限元模型中腦的累計應變損傷值（CSDM）以及最大主應變具有很高的相關性，根據BrIC可預測腦組織發生AIS 4級損傷的概率，即

基于式（1）～式（3）可得，3組仿真中TUST IBMs 3YO-O模型的HIC15分別為257、691、677，BrIC分別為1.19、1.97、1.77，發生AIS 4級腦損傷的概率分別為62%、98.2%、95%。

圖6為不同工況仿真中TUST IBMs 3YO-O模型頸部張力隨時間的變化曲線。在FRB、MPDB后排右側和MPDB后排左側3組仿真中，兒童乘員胸腹部在安全帶的作用下停止運動時，頭部在慣性力作用下繼續向前轉動，直到頭部下頜部位和胸部發生擠壓并達到最大變形位置時，頸部達到最大彎曲角度后頭部開始回彈，頸部最大張力分別在57、47、48 ms達到峰值435、331、314 N。

圖6 頸部張力隨時間的變化曲線

圖7為不同工況仿真中TUST IBMs 3YO-O模型胸部運動學響應。由圖可知，在安全帶的約束作用下，FRB、MPDB后排右側和MPDB后排左側3組仿真中TUST IBMs 3YO-O模型的胸部合成加速度分別在41、38、39 ms時刻達到峰值58g、54g、58g，胸部最大變形量分別為29、30、29 mm，最大壓縮比分別為23.3%、23.5%、23.3%。當胸部合成加速度達到峰值時，安全帶接觸力也接近于第一峰值。

圖7 胸部運動學響應

2.2 生物力學響應

圖8為不同工況仿真中TUST IBMs 3YO-O模型頭部生物力學響應。在FRB碰撞中，腦組織最大Von Mises應力為5 kPa，最大剪切應力為6.0 kPa，腦組織最大主應變MPS為0.34，均于82 ms時出現在灰質底部中間部位處，造成腦震蕩等輕度腦損傷（mTBI）。腦組織最大顱內壓為184 kPa，在頭部旋轉過程80 ms時出現在前額兩側部位，可能造成輕微腦震蕩；在MPDB后排右側碰撞中，82 ms時腦組織最大Von Mises應力為8 kPa、最大剪切應力為8.8 kPa、腦組織最大主應變MPS為0.41，均出現在大腦灰質底部靠近小腦處，存在輕度腦損傷風險；而在MPDB后排左側碰撞中，腦組織最大Von Mises應力為7 kPa，最大剪切應力為8.2 kPa，出現在75 ms時。最大主應變MPS為0.42，發生在84 ms時。此外，在MPDB后排右側和MPDB后排左側碰撞試驗中，腦組織分別于100、109 ms時，在大腦前端和兩側出現分別為374、277 kPa的最大顱內壓力，造成重度腦損傷。

圖8 頭部生物力學響應

研究表明兒童胸廓柔軟，肋骨不易骨折，因此目前的應力變化不能預測3歲兒童是否會發生肋骨骨折損傷，但可以定性分析不同工況中兒童乘員肋骨的受力情況。而心肺組織相較于其他器官組織而言較柔軟，在汽車碰撞過程中，胸骨易受外界壓迫向內擠壓心肺，進而導致損傷。圖9為不同工況仿真中TUST IBMs 3YO-O模型胸部生物力學響應參數。由圖可知，在FRB碰撞中，肋骨最大Von Mises應力為1.1 MPa，出現時刻為99 ms；肺部最大主應變為0.17，出現時刻為91 ms；心臟最大主應變為0.11，出現時刻為103 ms。在MPDB后排右側和左側碰撞試驗中，肋骨最大Von Mises應力分別為1.9、1.9 MPa，出現時刻分別為77、75 ms，由于兒童乘員向左側車門方向偏移，在肩帶的作用下肋骨應力均集中在第一肋骨處，易出現骨折；肺部最大主應變分別為0.29、0.28，出現時刻分別為93、91 ms，右肺可能出現挫傷；心臟最大主應變分別為0.10、0.09，出現時刻分別為92、105 ms。

圖9 胸部生物力學響應

3 討論與分析

表1為對標C-NCAP（2021版）乘員保護正面碰撞測試的3組仿真運動學參數。由表可見，MPDB碰撞中TUST IBM 3YO-O同時受到縱向載荷和橫向載荷的作用，其在后排左、右兩側位置處的HIC15與頭部累積3 ms合成加速度均超出高性能限值；3組仿真中，TUST IBMs 3YO-O模型頸部張力均未超出高性能限值，但在其向前滑動過程中，由于胸部與安全帶接觸力較大，導致胸部累積3 ms合成加速度均超出高性能限值。由此可知，3歲兒童乘員在MPDB碰撞測試工況中可能遭受更嚴重的損傷。

表1 對標C-NCAP（2021版）正面碰撞乘員保護試驗的TUST IBMs 3YO-O模型響應參數

在FRB碰撞中，TUST IBMs 3YO-O模型的運動學響應參數均未超出限值，但分析組織器官的生物力學響應可發現，當兒童胸腹部在安全帶的約束下停止前向運動時，頭部會在慣性的作用下繼續向前轉動而下頜與胸部接觸后回彈。整個運動過程中，腦組織的旋轉運動造成輕微腦震蕩。在MPDB碰撞中，兒童乘員出現明顯橫向運動，產生的角速度和角加速度對其頭部損傷的影響較大，因此BrIC值偏高，發生AIS 4級腦損傷概率高于90%，且頭部下頜與右側胸部接觸使運動學響應和生物力學響應峰值較大，造成輕微腦震蕩、肋骨骨折、肺部挫傷等損傷。在MPDB碰撞仿真中，兒童乘員乘坐于左右兩側的響應差異并不大，由于后排右側位置距離碰撞中心點較遠，運動幅度更大，所產生的響應整體稍大于后排左側。

3組仿真結果分析可以發現，盡管運動學評價參數未超出限值，但組織器官的生物力學參數已超出損傷閾值。這是由于人體的生理結構非常復雜，不同的組織器官其力學屬性不同，因此在碰撞中經歷的運動歷程也不同，損傷也就不同。例如腦組織和顱骨的力學屬性不同，在運動中其慣性力不同，當發生碰撞時其表現出不同的運動狀態，這也是仿真中看到的HIC15等運動學參數未超出限值，而腦組織的生物力學參數已超出損傷閾值。因此，未來乘員保護評價應結合人體的生理結構特征綜合評價運動學響應和生物力學響應。

目前基于人體計算模型的運動學參數和生物力學參數評價都采用物理假人的評價參數及限值，或來自于參考文獻中有限的尸體試驗數據，因此，基于生物力學計算模型的損傷評價參數及評價方法應給予更多的研究和關注，這將有利于計算模型的推廣應用，充分發揮人體生物力學計算模型高生物仿真度和高利用率的優勢，以降低企業的研發成本。

4 結論

應用現代汽車安全技術國際聯合研究中心開發的TUST IBMs 3YO-O模型，對標C-NCAP（2021版）正面碰撞測試試驗，研究3歲兒童乘員在碰撞中的運動學響應和生物力學響應，得出以下結論。

（1）在正面100%重疊剛性壁障（FRB）碰撞中，C-NCAP關注的運動學響應參數均未超出損傷限值，但分析組織器官的生物力學響應參數發現，當兒童胸腹部在安全帶的約束下停止前向運動時，頭部會在慣性的作用下繼續向前轉動，而其下頜與胸部接觸，腦組織在此過程中會發生輕度腦震蕩。

（2）在正面50%重疊移動漸進變形壁障（MPDB）碰撞中，兒童乘員在縱向減速度和橫向加速度的共同作用下，出現明顯橫向運動，頭部下頜與右側胸部接觸，運動學參數和生物力學參數峰值大多超出閾值，會出現腦損傷、肋骨骨折、肺部挫傷等損傷。兒童乘員乘坐于后排右側位置時，由于距離碰撞點位置較遠，導致其相對運動幅度更大，所產生的響應參數整體略大于乘坐于后排左側。整體而言，3歲兒童在MPDB碰撞中的損傷程度要高于FRB碰撞。由于MPDB測試工況代表更多的交通事故碰撞類型，因此兒童乘員保護設計應給予更多的考慮。

（3）應用具有高生物仿真度的兒童人體生物力學計算模型進行C-NCAP碰撞仿真，通過提取腦組織和胸部內臟器官的生物力學響應參數，再結合運動學響應能更真實、全面地反映兒童乘員在汽車碰撞中的傷害特征，進一步預測人體重要器官的損傷情況，以彌補C-NCAP生物力學評價指標的不足。

本研究可為兒童乘員保護措施的研發提供基礎的參考數據，同時應用生物力學計算模型進行兒童乘員安全保護設計也可有效降低企業的研發成本，也將為C-NCAP等法規中關于兒童乘員的保護和損傷評估提供理論依據，為數字測評技術的開發提供基礎數據。