正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗仿真中三歲兒童乘員的損傷評價*

阮世捷，蘇航杰，李海巖，崔世海，賀麗娟，呂文樂

（天津科技大學(xué)，現(xiàn)代汽車安全技術(shù)國際聯(lián)合研究中心，天津 300222）

前言

隨著汽車保有量的持續(xù)增長和人們安全意識的提升，道路交通事故中兒童乘員碰撞安全問題也越來越引起人們的重視。根據(jù)世界衛(wèi)生組織2018年報告，全球已有84個國家通過立法強制使用兒童安全座椅。在我國，道路交通傷害是1-14歲未成年人的第二大死因，其中兒童安全座椅使用率低是兒童乘員遭受損傷的主要原因。2021年6月1日，新修訂的《未成年人保護法》開始正式實施，法規(guī)第18條明確規(guī)定，監(jiān)護人應(yīng)“采取配備兒童安全座椅、教育未成年人遵守交通規(guī)則等措施，防止未成年人受到交通事故的傷害”。由此，兒童安全座椅已成為兒童乘車出行的必選項，這也對兒童約束系統(tǒng)和汽車被動安全設(shè)計提出了更高的要求。

由于倫理原因，關(guān)于汽車碰撞中兒童乘員生物力學(xué)響應(yīng)的研究還很少。目前在兒童乘員的損傷研究中，國內(nèi)外大多都基于各國已有的法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)和新車評估規(guī)程（new car assessment programe，NCAP）進行損傷評價，主要包括兒童乘員的運動學(xué)響應(yīng)、損傷值和兒童約束系統(tǒng)的差異性影響等。中國汽車技術(shù)研究中心汽車測評管理中心（簡稱中汽測評）最新發(fā)布的《C-NCAP管理規(guī)則（2021年版）》加強了對車輛兒童乘員保護的評價，尤其是增加了實車碰撞動態(tài)試驗中對兒童假人損傷的評價，如在正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗中對后排放置Q3兒童假人的損傷進行評價，評價分值為4分，用以考核乘員約束系統(tǒng)性能和對兒童乘員的保護能力。Q系列兒童假人主要由金屬或塑料制成的骨骼和覆蓋在骨骼表面的軟組織塑料或泡沫材料組成，其結(jié)構(gòu)尺寸與人體相似，利用其在碰撞試驗中的運動學(xué)響應(yīng)可測試汽車安全裝置的性能，因此被廣泛應(yīng)用于汽車碰撞試驗中兒童約束系統(tǒng)（child restrain system，CRS）的評估認(rèn)證。Tanya等應(yīng)用Q3兒童假人研究幼兒在正面和側(cè)面碰撞中因CRS誤用而遭受的頭部和頸部損傷，發(fā)現(xiàn)CRS誤用會導(dǎo)致頭部HIC和合成加速度顯著增加，并可能導(dǎo)致接觸性頭部損傷，但相對于真實人體而言，Q系列兒童生物力學(xué)假人無法準(zhǔn)確模擬人體的絕大部分器官組織，因此其生物力學(xué)性能受到一定的局限。韓勇等結(jié)合有限元仿真和動物試驗的方法，采用Q3假人、THUMS3YO有限元模型和西藏小豬分別建立了不同類型CRS的正面碰撞仿真模型，進行臺車動態(tài)試驗，發(fā)現(xiàn)Q3假人的運動學(xué)響應(yīng)和胸部壓縮量與其他兩組試驗存在很大差異。仿真與動物試驗結(jié)果表明，肺挫傷、冠狀動脈撕裂和肝撕裂是常見的胸腹部損傷。近些年來，具有真實解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的人體有限元仿真模型已成為碰撞動力學(xué)和損傷生物力學(xué)研究的重要工具，國內(nèi)外研究機構(gòu)和高校都開展了關(guān)于人體有限元模型（finite element human model，F(xiàn)EM）的研發(fā)與應(yīng)用。日本豐田汽車公司開發(fā)了THUMS家族系列有限元模型，包括三歲、六歲、十歲兒童和5、50、95成人有限元模型。李海巖等創(chuàng)建了一整套從醫(yī)學(xué)影像中提取幾何數(shù)據(jù)進而建立人體有限元模型的完整技術(shù)和流程，已經(jīng)建成具有中國人體特征的高仿真度三歲和六歲兒童行人和乘員的生物力學(xué)模型，并開展一系列交通事故中人體生物力學(xué)響應(yīng)、損傷機理和防護系統(tǒng)的研究。Euro NCAP在對行人保護可部署系統(tǒng)的評估中使用人體有限元模型進行仿真試驗，這是人體有限元模型在消費者信息評級中的首次應(yīng)用。未來，人體有限元模型在NCAP等法規(guī)評估中將會得到更廣泛的應(yīng)用。

基于上述研究成果，本文中對標(biāo)C-NCAP（2021版）管理規(guī)則，應(yīng)用現(xiàn)代汽車安全技術(shù)國際聯(lián)合研究中心開發(fā)的具有詳細解剖學(xué)結(jié)構(gòu)特征的三歲兒童乘員有限元模型，對標(biāo)正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗，對不同約束系統(tǒng)中后排三歲兒童乘員損傷參數(shù)進行分析，為正面碰撞中兒童乘員的保護和損傷評價提供理論依據(jù)。

1 試驗仿真方法

1.1 有限元模型

本研究使用現(xiàn)代汽車安全技術(shù)國際聯(lián)合研究中心開發(fā)的三歲兒童乘員有限元模型。該模型基于一位中國三歲兒童醫(yī)學(xué)檢測CT數(shù)據(jù)，先后構(gòu)建了頭部、頸部、胸腹部和上下肢等具有詳細解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的有限元模型，并經(jīng)過有效性驗證。該模型身高101.6 cm，體質(zhì)量14.9 kg，節(jié)點數(shù)582 893，單元數(shù)645 698，能較好體現(xiàn)出中國三歲兒童的體型特征和組織特性，如圖1所示。

圖1 具有詳細解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的三歲兒童乘員有限元模型

汽車座椅模型來自某實車有限元模型，為提高計算效率，對后排座椅進行簡化，僅包括其頭枕、靠背、坐墊和支架，但考慮到真實碰撞事故中，后排兒童乘員與前排座椅發(fā)生二次碰撞可能帶來的損傷，故前排座椅使用真實座椅有限元模型?；趪鴥?nèi)某款兒童安全座椅的幾何參數(shù)開發(fā)了兒童約束系統(tǒng)有限元模型，該兒童座椅針對不同體型特征的兒童乘員有車載三點式安全帶和五點式安全帶兩種約束方式。

1.2 正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗?zāi)Ｐ?/h3>

根據(jù)C-NCAP（2021版）正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗要求，在后排座椅左右兩側(cè)隨機放置一個兒童約束系統(tǒng)和一個Q3歲兒童假人，用以測量后排兒童乘員損傷情況。同時，參照C-NCAP管理中心指定的“碰撞試驗用兒童約束系統(tǒng)產(chǎn)品清單”，在PAM-CRASH軟件中將已開發(fā)驗證的三歲兒童乘員有限元模型分別設(shè)置無約束、使用車載三點式安全帶約束（三點式）和使用五點式安全帶約束（五點式）3組試驗來進行對比分析，如圖2所示。3組試驗均賦予初速度50 km/h，對汽車座椅施加如圖3所示的某實車正面100%重疊剛性壁障碰撞加速度曲線。

圖2 兒童乘員模型設(shè)置的3種約束

圖3 仿真試驗加速度曲線

2 仿真結(jié)果

2.1 運動學(xué)響應(yīng)

圖4為不同約束系統(tǒng)中兒童乘員有限元模型在不同時刻的運動學(xué)響應(yīng)。無約束時兒童乘員在初速度的作用下整體向前移動，由于沒有任何約束裝置，在90 ms左右與前排座椅和頭枕發(fā)生接觸后回彈，在回彈階段，頭頸部先后仰再前傾，軀干向上彈起。三點式約束時當(dāng)兒童胸腹部停止前向運動時，頭部會在慣性的作用下向前下方旋轉(zhuǎn)，直至與胸部接觸后開始回彈，由于三點式安全帶約束不穩(wěn)定，兒童在向前運動過程中出現(xiàn)側(cè)向偏移。五點式約束試驗在碰撞前期與三點式約束試驗類似，在碰撞后期由于更貼身的約束使兒童乘員的前向位移較小，更早進入回彈階段，沖擊載荷作用時間較短。

圖4 不同約束系統(tǒng)中兒童乘員運動學(xué)響應(yīng)

圖5 為不同約束系統(tǒng)中兒童乘員頭部質(zhì)心加速度的時間歷程曲線。無約束時由于兒童乘員會直接和前排座椅、頭枕發(fā)生二次碰撞，在碰撞時刻頭部質(zhì)心加速度激增，在95 ms時達到加速度峰值1 215 m/s，遠大于其余兩組。三點式和五點式約束試驗兒童乘員相對于座椅向前運動過程中，由于有安全帶的約束作用，當(dāng)兒童胸腹部停止前向運動時，頭部會在慣性的作用下向前下方旋轉(zhuǎn)，直至與胸部接觸回彈，分別在79和84 ms時達到加速度峰值583和548 m/s。

圖5 不同約束系統(tǒng)中兒童乘員頭部運動學(xué)響應(yīng)

頭部損傷指標(biāo)（head injury criterion，HIC）作為評價頭部損傷的重要指標(biāo)被各國安全法規(guī)和評估機構(gòu)廣泛采用，其表達式為

式中：a為頭部質(zhì)心合成加速度；t-t表示HIC取得最大值時的時間間隔，當(dāng)最大時間間隔取為15 ms時，稱之HIC。C-NCAP（2021版）中采用HIC和頭部累積3 ms合成加速度作為評估Q3兒童假人頭部損傷的指標(biāo)。3組仿真試驗的HIC分別為1 541、360和281；頭部累積3 ms合成加速度分別為120g、58g和54g。

頭部旋轉(zhuǎn)損傷指標(biāo)（brain injury criteria，BrIC）是通過頭部質(zhì)心的角速度來表示因頭部旋轉(zhuǎn)造成的損傷值。設(shè)頭部質(zhì)心的角速度為ω、ω、ω（rad/s），則BrIC表達式為

式中ω、ω、ω為標(biāo)準(zhǔn)角速度，基于與腦的主應(yīng)變的相關(guān)性，分別為66.3、53.8和41.5 rad/s。3組仿真試驗BrIC最大值分別為1.56、1.60和1.31。

圖6為不同約束系統(tǒng)中兒童乘員胸部合成加速度和胸部變形量的時間歷程曲線。胸部合成加速度以T4胸椎處測得的合成加速度（持續(xù)時間3 ms）為基準(zhǔn)，胸部變形量以胸骨相對于胸椎的位移為基準(zhǔn)，胸部壓縮比是指胸部壓縮量與胸部厚度的比值。無約束時胸部合成加速度在99 ms處達到最大值159g，此時達到胸部最大變形量40 mm，胸部最大壓縮比達35%，結(jié)合運動學(xué)響應(yīng)，此峰值是由于兒童胸部與前座椅接觸造成的結(jié)果。三點式和五點式約束試驗中，胸部最大合成加速度分別為44g和62g，胸部最大變形量分別為27和16 mm，胸部最大壓縮比分別為23%和14%。

圖6 不同約束系統(tǒng)中兒童乘員胸部運動學(xué)響應(yīng)

2.2 生物力學(xué)響應(yīng)

腦組織Von Mises應(yīng)力通常用來評價腦挫裂傷和腦震蕩的嚴(yán)重程度。圖7（a）為不同約束系統(tǒng)中兒童乘員的腦組織Von Mises應(yīng)力分布云圖。對應(yīng)的最大Von Mises應(yīng)力分別為14、8和7 kPa。無約束時最大Von Mises應(yīng)力出現(xiàn)在頭部與前排座椅發(fā)生接觸時刻，此時由于外力沖擊可能造成兒童輕微腦震蕩。三點式和五點式約束試驗中最大Von Mises應(yīng)力相對較小且差別不大，均出現(xiàn)在頭部達到最大前向位移時，此時可能由于腦組織向前下方旋轉(zhuǎn)而造成輕微腦挫傷。

顱內(nèi)壓通常用來評價頭部撞擊側(cè)和頭部對撞側(cè)腦挫傷的嚴(yán)重程度。圖7（b）為不同約束系統(tǒng)中兒童乘員的腦組織顱內(nèi)壓分布云圖。對應(yīng)的最大顱內(nèi)正壓值分別為515、221和177 kPa。無約束時顱內(nèi)正壓主要集中在頭部與前排座椅撞擊側(cè)位置處，其最大值遠大于損傷閾值，可能造成創(chuàng)傷性腦損傷。三點式和五點式約束試驗中最大顱內(nèi)正壓均出現(xiàn)在大腦灰質(zhì)底部，可能造成中度腦損傷。

當(dāng)頭部向前下方轉(zhuǎn)動產(chǎn)生角加速度時，由于腦組織深層與淺層之間和不同部位的運動起始時間和速度快慢不同，致使腦組織結(jié)構(gòu)扭曲進而產(chǎn)生剪切應(yīng)力。圖7（c）為不同約束系統(tǒng)中兒童乘員的腦組織剪切應(yīng)力分布云圖。對應(yīng)的最大剪切應(yīng)力分別為16、9和8 kPa，均出現(xiàn)在灰質(zhì)底部靠近小腦處，可能造成輕度腦損傷。

圖7 不同約束系統(tǒng)中兒童乘員腦組織生物力學(xué)響應(yīng)

圖8（a）為不同約束系統(tǒng)中兒童乘員肋骨應(yīng)力分布云圖。無約束時由于胸部上側(cè)與前排座椅接觸受到擠壓，發(fā)生嚴(yán)重變形，第1～4根肋骨所受應(yīng)力較大，且密質(zhì)骨出現(xiàn)單元缺失現(xiàn)象，肋骨可能發(fā)生骨折。三點式約束時應(yīng)力主要集中在胸部與安全帶接觸側(cè)和對側(cè)。五點式約束時安全帶的約束力會分散一部分作用于鎖骨和胸骨，使肋骨所受應(yīng)力較小。雖然心肺組織比其他器官組織柔軟，但在汽車碰撞過程中，胸骨仍容易受外界壓迫向內(nèi)擠壓心肺而導(dǎo)致?lián)p傷。圖8（b）和圖8（c）為不同約束系統(tǒng)中兒童乘員的肺部和心臟的第一主應(yīng)變云圖。對應(yīng)的最大肺部第一主應(yīng)變分別為39%、37%、18%，最大心臟第一主應(yīng)變分別為46%、13%、11%。無約束時胸部與前排座椅發(fā)生接觸并受到擠壓，心肺組織發(fā)生明顯變形，第一主應(yīng)變均超過損傷閾值，此時三歲兒童心肺組織出現(xiàn)挫傷。三點式約束時肺部第一主應(yīng)變大于損傷閾值，可能出現(xiàn)肺挫傷。

圖8 不同約束系統(tǒng)中兒童乘員胸部生物力學(xué)響應(yīng)

3 仿真結(jié)果分析

表1匯總3組試驗仿真中兒童乘員頭部、胸部的運動學(xué)響應(yīng)和生物力學(xué)響應(yīng)參數(shù)。從表1可見，無約束時由于沒有任何約束裝置，兒童頭部、胸部直接與前排座椅發(fā)生二次碰撞，導(dǎo)致各項響應(yīng)參數(shù)均超過損傷閾值，腦組織出現(xiàn)致命性損傷、肋骨骨折、心肺組織挫傷甚至破裂的風(fēng)險較高。三點式和五點式約束中，除腦組織顱內(nèi)壓高出中度損傷閾值外，其余響應(yīng)均低于損傷閾值。綜上表明，使用安全帶能大概率降低兒童乘員在汽車碰撞中遭受損傷的風(fēng)險。

表1 兒童乘員頭部和胸部響應(yīng)參數(shù)

從分析頭部轉(zhuǎn)動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(yīng)變損傷值（CSDM）以及最大主應(yīng)變具有很高的相關(guān)性，根據(jù)BrIC可預(yù)測腦組織發(fā)生AIS4級損傷的概率，即

由式（3）可計算得出，3組仿真試驗發(fā)生AIS4級腦損傷的概率分別為88%、89%、72%。無約束時，兒童乘員頭部與前排座椅接觸發(fā)生二次碰撞導(dǎo)致BrIC值偏高；而三點式和五點式約束時，由于頭部旋轉(zhuǎn)角速度的存在，即使在沒有與車內(nèi)接觸的狀態(tài)下，BrIC值仍舊較高，因此，出現(xiàn)AIS4級腦損傷的概率很高。

結(jié)合兒童乘員有限元模型的生物力學(xué)響應(yīng)來進行損傷評價，能夠彌補C-NCAP生物力學(xué)評價指標(biāo)的不足。單從運動學(xué)響應(yīng)來看，三點式和五點式約束試驗中，除BrIC值偏高外，HIC與累積3 ms加速度值低于C-NCAP規(guī)定的高性能限值，并不能準(zhǔn)確判斷出頭部是否發(fā)生損傷，但其大腦顱內(nèi)壓值均在中度腦損傷閾值（173 kPa）以上。

與三點式安全帶相比，五點式安全帶對三歲兒童乘員的防護性能更好。在三點式安全帶和五點式安全帶約束下兒童乘員頭部、胸部和骨盆特征點在X-Z平面中的運動軌跡如圖9（a）所示。由圖可見，由于五點式安全帶腰帶和肩帶更貼身的約束，對兒童的約束作用開始時間略早于三點式安全帶，兒童乘員頭部前向位移較小，更早進入回彈階段，腦組織內(nèi)部受沖擊載荷作用時間較短，使頭部各項響應(yīng)參數(shù)均低于三點式安全帶。

圖9 三點式與五點式約束試驗差異

胸部變形量與胸廓骨折或心肺挫傷等因壓迫導(dǎo)致的胸部損傷相關(guān)度較高。與三點式安全帶相比，五點式安全帶約束下的兒童乘員胸部變形量小，但胸部合成加速度較高，造成這一矛盾的主要原因在于五點式安全帶約束中安全帶與胸部的最大接觸力大約是三點式安全帶的2倍，如圖9（b）所示，但由于五點式安全帶有兩條肩帶，兒童胸部受力更均勻，由于三點式安全帶約束不穩(wěn)定，兒童出現(xiàn)側(cè)向偏移，且安全帶的約束力集中在胸部，使胸部變形加劇。

4 結(jié)論

基于《C-NCAP管理規(guī)則（2021年版）》研究在正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗仿真中三歲兒童乘員的損傷評價，得出以下結(jié)論。

（1）使用安全帶能大概率地降低兒童乘員在汽車碰撞中遭受損傷的風(fēng)險。在安全帶的約束類型中，五點式安全帶比三點式安全帶對三歲兒童乘員的保護性能更好。

（2）應(yīng)用具有高生物仿真度的兒童人體生物力學(xué)計算模型進行碰撞試驗仿真，通過提取腦組織和胸部內(nèi)臟器官的生物力學(xué)響應(yīng)參數(shù)，彌補C-NCAP生物力學(xué)評價指標(biāo)的不足，再結(jié)合運動學(xué)響應(yīng)，能夠?qū)和Ｗo裝置和試驗車型進行全方位和深層次的評價。

（3）兒童約束系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)在滿足現(xiàn)有法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)要求的同時，考慮兒童組織器官的生物力學(xué)響應(yīng)，以設(shè)計更安全可靠的約束系統(tǒng)，給兒童乘員更好的保護。

本研究成果對兒童約束系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化具有重要的應(yīng)用價值。同時也為C-NCAP管理規(guī)則中兒童乘員保護評價提供參考，為數(shù)字測評技術(shù)的開發(fā)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。