正面100%重叠刚性壁障碰撞试验仿真中三岁儿童乘员的损伤评价*

2022-04-07阮世捷苏航杰李海岩崔世海贺丽娟吕文乐

汽车工程 2022年3期

阮世捷，苏航杰，李海岩，崔世海，贺丽娟，吕文乐

（天津科技大学，现代汽车安全技术国际联合研究中心，天津 300222）

前言

随着汽车保有量的持续增长和人们安全意识的提升，道路交通事故中儿童乘员碰撞安全问题也越来越引起人们的重视。根据世界卫生组织2018年报告，全球已有84个国家通过立法强制使用儿童安全座椅。在我国，道路交通伤害是1-14岁未成年人的第二大死因，其中儿童安全座椅使用率低是儿童乘员遭受损伤的主要原因。2021年6月1日，新修订的《未成年人保护法》开始正式实施，法规第18条明确规定，监护人应“采取配备儿童安全座椅、教育未成年人遵守交通规则等措施，防止未成年人受到交通事故的伤害”。由此，儿童安全座椅已成为儿童乘车出行的必选项，这也对儿童约束系统和汽车被动安全设计提出了更高的要求。

由于伦理原因，关于汽车碰撞中儿童乘员生物力学响应的研究还很少。目前在儿童乘员的损伤研究中，国内外大多都基于各国已有的法规、标准和新车评估规程（new car assessment programe，NCAP）进行损伤评价，主要包括儿童乘员的运动学响应、损伤值和儿童约束系统的差异性影响等。中国汽车技术研究中心汽车测评管理中心（简称中汽测评）最新发布的《C-NCAP管理规则（2021年版）》加强了对车辆儿童乘员保护的评价，尤其是增加了实车碰撞动态试验中对儿童假人损伤的评价，如在正面100%重叠刚性壁障碰撞试验中对后排放置Q3儿童假人的损伤进行评价，评价分值为4分，用以考核乘员约束系统性能和对儿童乘员的保护能力。Q系列儿童假人主要由金属或塑料制成的骨骼和覆盖在骨骼表面的软组织塑料或泡沫材料组成，其结构尺寸与人体相似，利用其在碰撞试验中的运动学响应可测试汽车安全装置的性能，因此被广泛应用于汽车碰撞试验中儿童约束系统（child restrain system，CRS）的评估认证。Tanya等应用Q3儿童假人研究幼儿在正面和侧面碰撞中因CRS误用而遭受的头部和颈部损伤，发现CRS误用会导致头部HIC和合成加速度显著增加，并可能导致接触性头部损伤，但相对于真实人体而言，Q系列儿童生物力学假人无法准确模拟人体的绝大部分器官组织，因此其生物力学性能受到一定的局限。韩勇等结合有限元仿真和动物试验的方法，采用Q3假人、THUMS3YO有限元模型和西藏小猪分别建立了不同类型CRS的正面碰撞仿真模型，进行台车动态试验，发现Q3假人的运动学响应和胸部压缩量与其他两组试验存在很大差异。仿真与动物试验结果表明，肺挫伤、冠状动脉撕裂和肝撕裂是常见的胸腹部损伤。近些年来，具有真实解剖学结构的人体有限元仿真模型已成为碰撞动力学和损伤生物力学研究的重要工具，国内外研究机构和高校都开展了关于人体有限元模型（finite element human model，FEM）的研发与应用。日本丰田汽车公司开发了THUMS家族系列有限元模型，包括三岁、六岁、十岁儿童和5、50、95成人有限元模型。李海岩等创建了一整套从医学影像中提取几何数据进而建立人体有限元模型的完整技术和流程，已经建成具有中国人体特征的高仿真度三岁和六岁儿童行人和乘员的生物力学模型，并开展一系列交通事故中人体生物力学响应、损伤机理和防护系统的研究。Euro NCAP在对行人保护可部署系统的评估中使用人体有限元模型进行仿真试验，这是人体有限元模型在消费者信息评级中的首次应用。未来，人体有限元模型在NCAP等法规评估中将会得到更广泛的应用。

基于上述研究成果，本文中对标C-NCAP（2021版）管理规则，应用现代汽车安全技术国际联合研究中心开发的具有详细解剖学结构特征的三岁儿童乘员有限元模型，对标正面100%重叠刚性壁障碰撞试验，对不同约束系统中后排三岁儿童乘员损伤参数进行分析，为正面碰撞中儿童乘员的保护和损伤评价提供理论依据。

1 试验仿真方法

1.1 有限元模型

本研究使用现代汽车安全技术国际联合研究中心开发的三岁儿童乘员有限元模型。该模型基于一位中国三岁儿童医学检测CT数据，先后构建了头部、颈部、胸腹部和上下肢等具有详细解剖学结构的有限元模型，并经过有效性验证。该模型身高101.6 cm，体质量14.9 kg，节点数582 893，单元数645 698，能较好体现出中国三岁儿童的体型特征和组织特性，如图1所示。

图1 具有详细解剖学结构的三岁儿童乘员有限元模型

汽车座椅模型来自某实车有限元模型，为提高计算效率，对后排座椅进行简化，仅包括其头枕、靠背、坐垫和支架，但考虑到真实碰撞事故中，后排儿童乘员与前排座椅发生二次碰撞可能带来的损伤，故前排座椅使用真实座椅有限元模型。基于国内某款儿童安全座椅的几何参数开发了儿童约束系统有限元模型，该儿童座椅针对不同体型特征的儿童乘员有车载三点式安全带和五点式安全带两种约束方式。

1.2 正面100%重叠刚性壁障碰撞试验模型

根据C-NCAP（2021版）正面100%重叠刚性壁障碰撞试验要求，在后排座椅左右两侧随机放置一个儿童约束系统和一个Q3岁儿童假人，用以测量后排儿童乘员损伤情况。同时，参照C-NCAP管理中心指定的“碰撞试验用儿童约束系统产品清单”，在PAM-CRASH软件中将已开发验证的三岁儿童乘员有限元模型分别设置无约束、使用车载三点式安全带约束（三点式）和使用五点式安全带约束（五点式）3组试验来进行对比分析，如图2所示。3组试验均赋予初速度50 km/h，对汽车座椅施加如图3所示的某实车正面100%重叠刚性壁障碰撞加速度曲线。

图2 儿童乘员模型设置的3种约束

图3 仿真试验加速度曲线

2 仿真结果

2.1 运动学响应

图4为不同约束系统中儿童乘员有限元模型在不同时刻的运动学响应。无约束时儿童乘员在初速度的作用下整体向前移动，由于没有任何约束装置，在90 ms左右与前排座椅和头枕发生接触后回弹，在回弹阶段，头颈部先后仰再前倾，躯干向上弹起。三点式约束时当儿童胸腹部停止前向运动时，头部会在惯性的作用下向前下方旋转，直至与胸部接触后开始回弹，由于三点式安全带约束不稳定，儿童在向前运动过程中出现侧向偏移。五点式约束试验在碰撞前期与三点式约束试验类似，在碰撞后期由于更贴身的约束使儿童乘员的前向位移较小，更早进入回弹阶段，冲击载荷作用时间较短。

图4 不同约束系统中儿童乘员运动学响应

图5 为不同约束系统中儿童乘员头部质心加速度的时间历程曲线。无约束时由于儿童乘员会直接和前排座椅、头枕发生二次碰撞，在碰撞时刻头部质心加速度激增，在95 ms时达到加速度峰值1 215 m/s，远大于其余两组。三点式和五点式约束试验儿童乘员相对于座椅向前运动过程中，由于有安全带的约束作用，当儿童胸腹部停止前向运动时，头部会在惯性的作用下向前下方旋转，直至与胸部接触回弹，分别在79和84 ms时达到加速度峰值583和548 m/s。

图5 不同约束系统中儿童乘员头部运动学响应

头部损伤指标（head injury criterion，HIC）作为评价头部损伤的重要指标被各国安全法规和评估机构广泛采用，其表达式为

式中：a为头部质心合成加速度；t-t表示HIC取得最大值时的时间间隔，当最大时间间隔取为15 ms时，称之HIC。C-NCAP（2021版）中采用HIC和头部累积3 ms合成加速度作为评估Q3儿童假人头部损伤的指标。3组仿真试验的HIC分别为1 541、360和281；头部累积3 ms合成加速度分别为120g、58g和54g。

头部旋转损伤指标（brain injury criteria，BrIC）是通过头部质心的角速度来表示因头部旋转造成的损伤值。设头部质心的角速度为ω、ω、ω（rad/s），则BrIC表达式为

式中ω、ω、ω为标准角速度，基于与脑的主应变的相关性，分别为66.3、53.8和41.5 rad/s。3组仿真试验BrIC最大值分别为1.56、1.60和1.31。

图6为不同约束系统中儿童乘员胸部合成加速度和胸部变形量的时间历程曲线。胸部合成加速度以T4胸椎处测得的合成加速度（持续时间3 ms）为基准，胸部变形量以胸骨相对于胸椎的位移为基准，胸部压缩比是指胸部压缩量与胸部厚度的比值。无约束时胸部合成加速度在99 ms处达到最大值159g，此时达到胸部最大变形量40 mm，胸部最大压缩比达35%，结合运动学响应，此峰值是由于儿童胸部与前座椅接触造成的结果。三点式和五点式约束试验中，胸部最大合成加速度分别为44g和62g，胸部最大变形量分别为27和16 mm，胸部最大压缩比分别为23%和14%。

图6 不同约束系统中儿童乘员胸部运动学响应

2.2 生物力学响应

脑组织Von Mises应力通常用来评价脑挫裂伤和脑震荡的严重程度。图7（a）为不同约束系统中儿童乘员的脑组织Von Mises应力分布云图。对应的最大Von Mises应力分别为14、8和7 kPa。无约束时最大Von Mises应力出现在头部与前排座椅发生接触时刻，此时由于外力冲击可能造成儿童轻微脑震荡。三点式和五点式约束试验中最大Von Mises应力相对较小且差别不大，均出现在头部达到最大前向位移时，此时可能由于脑组织向前下方旋转而造成轻微脑挫伤。

颅内压通常用来评价头部撞击侧和头部对撞侧脑挫伤的严重程度。图7（b）为不同约束系统中儿童乘员的脑组织颅内压分布云图。对应的最大颅内正压值分别为515、221和177 kPa。无约束时颅内正压主要集中在头部与前排座椅撞击侧位置处，其最大值远大于损伤阈值，可能造成创伤性脑损伤。三点式和五点式约束试验中最大颅内正压均出现在大脑灰质底部，可能造成中度脑损伤。

当头部向前下方转动产生角加速度时，由于脑组织深层与浅层之间和不同部位的运动起始时间和速度快慢不同，致使脑组织结构扭曲进而产生剪切应力。图7（c）为不同约束系统中儿童乘员的脑组织剪切应力分布云图。对应的最大剪切应力分别为16、9和8 kPa，均出现在灰质底部靠近小脑处，可能造成轻度脑损伤。

图7 不同约束系统中儿童乘员脑组织生物力学响应

图8（a）为不同约束系统中儿童乘员肋骨应力分布云图。无约束时由于胸部上侧与前排座椅接触受到挤压，发生严重变形，第1～4根肋骨所受应力较大，且密质骨出现单元缺失现象，肋骨可能发生骨折。三点式约束时应力主要集中在胸部与安全带接触侧和对侧。五点式约束时安全带的约束力会分散一部分作用于锁骨和胸骨，使肋骨所受应力较小。虽然心肺组织比其他器官组织柔软，但在汽车碰撞过程中，胸骨仍容易受外界压迫向内挤压心肺而导致损伤。图8（b）和图8（c）为不同约束系统中儿童乘员的肺部和心脏的第一主应变云图。对应的最大肺部第一主应变分别为39%、37%、18%，最大心脏第一主应变分别为46%、13%、11%。无约束时胸部与前排座椅发生接触并受到挤压，心肺组织发生明显变形，第一主应变均超过损伤阈值，此时三岁儿童心肺组织出现挫伤。三点式约束时肺部第一主应变大于损伤阈值，可能出现肺挫伤。

图8 不同约束系统中儿童乘员胸部生物力学响应

3 仿真结果分析

表1汇总3组试验仿真中儿童乘员头部、胸部的运动学响应和生物力学响应参数。从表1可见，无约束时由于没有任何约束装置，儿童头部、胸部直接与前排座椅发生二次碰撞，导致各项响应参数均超过损伤阈值，脑组织出现致命性损伤、肋骨骨折、心肺组织挫伤甚至破裂的风险较高。三点式和五点式约束中，除脑组织颅内压高出中度损伤阈值外，其余响应均低于损伤阈值。综上表明，使用安全带能大概率降低儿童乘员在汽车碰撞中遭受损伤的风险。

表1 儿童乘员头部和胸部响应参数

从分析头部转动对脑组织损伤的影响角度来看，BrIC与有限元模型中脑的累计应变损伤值（CSDM）以及最大主应变具有很高的相关性，根据BrIC可预测脑组织发生AIS4级损伤的概率，即

由式（3）可计算得出，3组仿真试验发生AIS4级脑损伤的概率分别为88%、89%、72%。无约束时，儿童乘员头部与前排座椅接触发生二次碰撞导致BrIC值偏高；而三点式和五点式约束时，由于头部旋转角速度的存在，即使在没有与车内接触的状态下，BrIC值仍旧较高，因此，出现AIS4级脑损伤的概率很高。

结合儿童乘员有限元模型的生物力学响应来进行损伤评价，能够弥补C-NCAP生物力学评价指标的不足。单从运动学响应来看，三点式和五点式约束试验中，除BrIC值偏高外，HIC与累积3 ms加速度值低于C-NCAP规定的高性能限值，并不能准确判断出头部是否发生损伤，但其大脑颅内压值均在中度脑损伤阈值（173 kPa）以上。

与三点式安全带相比，五点式安全带对三岁儿童乘员的防护性能更好。在三点式安全带和五点式安全带约束下儿童乘员头部、胸部和骨盆特征点在X-Z平面中的运动轨迹如图9（a）所示。由图可见，由于五点式安全带腰带和肩带更贴身的约束，对儿童的约束作用开始时间略早于三点式安全带，儿童乘员头部前向位移较小，更早进入回弹阶段，脑组织内部受冲击载荷作用时间较短，使头部各项响应参数均低于三点式安全带。

图9 三点式与五点式约束试验差异

胸部变形量与胸廓骨折或心肺挫伤等因压迫导致的胸部损伤相关度较高。与三点式安全带相比，五点式安全带约束下的儿童乘员胸部变形量小，但胸部合成加速度较高，造成这一矛盾的主要原因在于五点式安全带约束中安全带与胸部的最大接触力大约是三点式安全带的2倍，如图9（b）所示，但由于五点式安全带有两条肩带，儿童胸部受力更均匀，由于三点式安全带约束不稳定，儿童出现侧向偏移，且安全带的约束力集中在胸部，使胸部变形加剧。