在所有的车辆交通事故所致的人体严重损伤中,因侧面碰撞所导致的比例占到了 25%~35% ^[1]. 在所有翻滚事故以外的汽车侧面碰撞中,车内乘员最为常见的危险伤害即 AIS 3+ 级 (AIS: Abbreviated Injury Scale,简明损伤定级标准) 伤害是胸部损伤,这占据了该类事故中所有乘员危险损伤的 50%,而如果按照因人体损伤而造成的总体损失来说,该比例约为 36% ^[1]. 同时,也有车辆交通事故数据研究统计 ^[2],1997 年到2007 年的 10 年间,在全美国地区的侧面碰撞事故与正面碰撞事故数量的比值呈现出下降趋势的情况下,两者所导致乘员的致命伤害数量之比却稍有增加,这表明从乘员损伤防护研究的角度来说,对侧面碰撞的效果显然不如正面碰撞那么好. 实际上与正面碰撞相比,针对车内乘员身体各部位尤其是胸部在侧面碰撞中的损伤生物力学研究还有较大的差距.

由于计算机技术的局限,最开始人们多采用尸体实验方法来进行侧面碰撞中的乘员胸部损伤研究 ^[3]. 为了研究人体在侧面碰撞中的胸部耐受度,有人在 1973 年进行了一系列人体尸体的胸部侧面碰撞块冲击实验 ^[4],并通过对实验结果进行分析,认为可以采用变形量来评价人体胸部在侧面碰撞中的损伤严重程度. 实际上,他们用碰撞块对人体胸部进行冲击实验来研究人体胸部损伤生物力学响应的方法已用在乘员胸部正面碰撞损伤研究中. 在此之前的 1970 年,已经有研究者为了得到可信度较高的胸部动态响应和损伤耐受度数据,进行了一系列的尸体胸部正面冲击实验 ^[5],碰撞块为刚性圆柱体,端面直径 6 英寸 (152 mm),质量 42.5 磅 (19.27 kg). 而在文献 ^[4] 中所记载的最初尝试后,一些学者也开始采用类似方法来进行侧面碰撞中乘员胸部损伤生物力学研究 ^[6].

在进行乘员侧面碰撞损伤研究中,最初人们只是关注来自正侧面方向的冲击,因此单纯地把驾驶员和副驾驶乘员在受到正侧向冲击时所受损伤用于乘员侧面碰撞生物力学和车辆侧面碰撞安全性能研究. 而在进行事故数据统计分析时,研究者们也往往认为数量相对较少的斜碰撞事故与正侧面碰撞类似,因此一般将其与正侧面碰撞事故数据归为一大类. 但随着研究的深入,人们发现在真实事故中,车辆侧面碰撞事故的撞击方向很多都来自车辆侧前方,也就是这里所说的斜碰撞 ^[7]. 因此,对斜碰撞中的乘员胸部损伤响应进行深入研究有其重要意义. 乘员胸部斜碰撞损伤最早可以追溯到 1989 年唯雅诺等 ^{[8, 9]} 所进行的尸体胸部碰撞块斜碰撞实验,而实际上他进行该系列实验的目的在于研究乘员胸部在侧面碰撞中的损伤响应,但为了能使碰撞方向指向尸体躯干的质心以保证在加载过程中人体不发生水平面内的旋转,才将碰撞方向从正侧方向前方旋转 30°,这就有了最早的乘员胸部斜碰撞研究数据. 之后直到 2006 年,才有研究者对乘员胸部在侧面碰撞和斜碰撞中的损伤响应进行对比研究,他们 ^[7] 利用多具人体尸体进行了一系列的侧面和斜碰撞载荷下的乘员胸部碰撞块冲击实验,并对不同方向实验得到的胸部力变形响应进行了对比研究,结果表明低速斜碰撞中的乘员胸部响应与侧面碰撞中从碰撞力和变形量上都有所不同. 该系列实验是第一次真正意义上针对斜碰撞中乘员胸部损伤所进行的实验研究,对之后的类似研究工作具有重要的参考意义. 在此之后,逐渐有更多的研究者开始进行这方面的实验研究工作 ^{[2, 10, 11, 12, 13, 14, 15]}.

在侧面碰撞研究的基础上,对于斜碰撞中乘员胸部损伤生物力学的研究正得到越来越多的关注,且有了一定的积累,但现阶段来说,主要还是局限于实验手段,作为车辆安全和人体损伤生物力学研究中的重要方法,人体有限元数学模型在该领域的应用仍极其有限,而实际上这一方法在人体正面和侧面碰撞损伤研究中的应用已十分广泛和深入. 由此,本文作者将借助一个已经建立且用于乘员正面碰撞研究的人体胸部有限元模型,对乘员胸部在受到侧面碰撞和斜碰撞冲击载荷时的响应进行模拟,并与文献中所记载的人体尸体实验进行对比,来分析乘员胸部在该载荷条件下的动态响应以及有限元方法在该领域中的应用研究.

本文所用的乘员胸部有限元模型是湖南大学人体生物力学模型研究计划的一部分 ^{[16, 17, 18, 19, 20, 21]},该模型已应用于汽车正面碰撞的乘员胸部损伤研究中,并表现出了较好的生物逼真度 ^{[16, 17]}. 因此,作者将该胸部有限元模型应用到本文的研究中,对其施加侧面碰撞和斜碰撞下的冲击载荷,其加载边界条件参考文献 [7]中的人体尸体实验,并将模拟分析的结果与实验结果进行对比和分析.

本文所用乘员胸部有限元模型共由胸椎、肋骨、肋间软骨、胸骨和胸腹部的内部脏器等组成. 根据人体肋骨及胸椎骨的解剖学结构,该类骨骼都是由表面一层较薄而坚硬的皮质骨 (约 0.7~1.2 mm) 和内部的实心灰质骨构成,因此,用壳单元模拟皮质骨；而对于实心灰质骨结构,则采用 8 节点六面体实体单元来模拟. 同时,皮质骨和灰质骨之间使用共享节点的方式连接. 椎间盘的髓核和纤维环都使用 8 节点六面体实体单元模拟. 胸腔和腹腔内器官用实体单元模拟. 模型中所用材料参数均来自文献 [16],见表 1 和表 2. 同时,为了使胸部模型所受载荷及边界条件与实验条件尽可能地保持一致,本文将已经建立的湖南大学头颈部 ^{[19, 20]} 模型和下肢模型 ^[22] 与本文中所用的胸部模型连接起来,将其放到模拟座椅的平板上,而对于两侧手臂则都用质量单元模拟,并将其与躯干相连. 与头颈部和下肢结果结合后的整个模型共 154 000 余个单元,172 000 余个节点. 模型的构建及运算基于显式有限元软件 “LS-DYNA”,网格划分及前处理等采用 “Hypermesh” 软件,后处理采用 “Hyperview” 软件. 最终得到用于仿真分析的整个人体有限元模型如图 1 所示. 图 1 中,图 1(a) 为对胸腔进行正侧面碰撞块冲击模拟,图 1(b) 则为在此基础上,将碰撞块绕躯干质心在水平面内向前旋转 30° 角进行胸腔斜碰撞模拟,关于该碰撞边界条件,下文中有详细叙述.

表 1(Table 1)

表 1 胸部模型骨骼结构材料参数[16] Table 1 Material properties of the skeleton in the human thorax FE model[16]

表 1 胸部模型骨骼结构材料参数[16] Table 1 Material properties of the skeleton in the human thorax FE model[16]

表 2(Table 2)

表 2 胸腹部内部器官材料参数[16] Table 2 Material properties of the internal organs in the human thorax FE model[16]

表 2 胸腹部内部器官材料参数[16] Table 2 Material properties of the internal organs in the human thorax FE model[16]

图 1(Fig.1)

图 1 胸部侧面碰撞和斜碰撞中的人体乘员有限元模型 Fig.1 Human passenger FE modeling in thoracic lateral and oblique impacts

2006 年,文献 [7]记载了利用人体尸体进行的一系列侧面和斜碰撞载荷下的人体胸部碰撞块冲击实验,以对人体胸部在两种不同载荷方向下的损伤响应进行对比研究. 在其所进行的系列实验中,共选取了 7 具人体尸体,7 个标本的详细信息如表 3 所示.

表 3(Table 3)

表 3 文献 [7] 所进行尸体实验的标本信息 Table 3 Information review of subjects used for experiments in Ref. [7]

表 3 文献 [7] 所进行尸体实验的标本信息 Table 3 Information review of subjects used for experiments in Ref. [7]

实验中,在每一个尸体标本的两侧胸部位置分别进行正侧面碰撞和向前偏离 30° 角的斜碰撞冲击,碰撞块为刚性,质量为 23 kg,碰撞端面为直径 150 mm 的圆形,碰撞初速度为 2.5 m/s. 碰撞块轴向方向 (即速度方向) 穿过人体躯干的质心,高度方向上与人体接触位置大约位于第 4 和第 5 节肋骨的空隙处. 实验之前,人体呈坐姿放置在座椅上,头部用套具套上并连接到一个可以在水平方向任意移动的固定装置上,以使尸体躯干在实验过程中不会发生偏倒而同时在水平方向上的移动不受限制. 然后作者在每个人体标本胸部位于碰撞高度处的水平面沿体表安装了若干个计量仪,以测量其在冲击过程中人体胸腔的变形等实验数据.

在本文的研究中,作者选取了该系列实验中碰撞方向位于人体左侧的 3 个侧面碰撞实验 (实验编号为 0504L,0507L 和 0601L) 和 4 个斜碰撞实验 (实验编号为 0503O,0505O,0506O 和 0602O) 作为参考来对胸部模型施加两个方向的载荷. 其原因在于,在该系列实验中,对每一个尸体所进行的两次实验都是先冲击左侧,再冲击右侧,虽然文献 [7]中认为由于碰撞能量较低,且在实验后进行尸体解剖时并未发现明显损伤,但是出于尽可能选用真实数据的考虑,在本文中全部选用了左侧撞击的实验数据. 在模拟过程中,碰撞块采用六面体实体单元模拟,并定义为刚性材料,具体模拟边界条件如图 2 所示.

图 2(Fig.2)

图 2 胸部侧面碰撞和斜碰撞模拟边界条件 Fig.2 Boundary condition of human passenger FE simulation in thoracic lateral and oblique impacts

通过有限元仿真分析,首先输出两种不同碰撞角度下不同时刻的胸腔肋骨应力云图,如图 3 和图 4 所示,可以看出,最大应力均分布在胸腔与碰撞块接触的区域. 同时,分别输出两种不同方向载荷下的胸部模型所受碰撞力和胸部变形量随时间的变化关系曲线,并将其与上节所述从文献 [7] 实验中选取的 3 个侧面碰撞和 4 个斜碰撞实验结果进行对比,具体对比结果如图 5 和图 6 所示. 从对比的结果来看,仿真分析所得到的碰撞力和变形量峰值都在多个实验结果所涉范围之内,且碰撞力峰值较接近于实验结果的较大值,而变形量更趋向于实验结果的较小值. 同时,不论是碰撞力还是胸部变形量,其在碰撞过程中的变化趋势都与实验响应基本保持一致,只是在最后的卸载阶段,模型的胸部变形响应出现了稍微的震荡. 总的来说,仿真与实验的结果吻合得较好.

图 3(Fig.3)

图 3 侧面碰撞中胸腔肋骨应力云图 Fig.3 Stress distribution of ribcage in lateral impact

图 4(Fig.4)

图 4 斜碰撞中胸腔肋骨应力云图 Fig.4 Stress distribution of ribcage in oblique impact

图 5(Fig.5)

图 5 侧面碰撞中有限元仿真与实验结果 [7] 的碰撞力和变形量对比 Fig.5 Comparison of impact force and deflection between simulation output and experimental results [7] in lateral impacts

图 6(Fig.6)

图 6 斜碰撞中有限元仿真与实验结果 [7] 的碰撞力和变形量对比 Fig.6 Comparison of impact force and deflection between simulation output and experimental results [7] in oblique impacts

在实验完成后,为了得到较为准确的胸部变形量,实验的原作者们将实验前固定在人体胸腔表皮的计量仪所测得的数据导入到特定的数据处理软件中,这些数据文件称为测量文件 (gauge file),在将脊柱和胸骨两个主要特征位置与相应的计量仪一一对应上后,便可以把完整的胸腔圆周上各个位置点在碰撞过程中的变形情况呈现出来. 而在有限元模拟中,由于可以借助后处理软件进行测量,这一步骤相对实验结果处理来说相对容易. 整个碰撞过程中不同冲击载荷条件下的胸部变形量变化如图 7 所示.

图 7(Fig.7)

图 7 侧面碰撞和斜碰撞中胸部变形量测量方法示意 Fig.7 Measurement of thoracic deflections in lateral and oblique impacts

同时,通过将实验中所测量并处理得到的碰撞力和胸部变形结果进行标准化并合并成力变形响应曲线,文献 [7] 首先得出了侧面碰撞和斜碰撞 2 个不同冲击方向上各自共计 7 个实验的平均力变形变化关系,如图 8 中细虚线所示,然后通过对每一个时间点上对应的碰撞力和变形量计算其标准偏差来获取胸部冲击力变形响应历程曲线走廊 (以下简称 “曲线走廊”) 的上下边界,如图 8 中细实线所示. 最后,把本文中胸部模型进行相应模拟所得到的力变形响应与上述结果进行对比,如图 8 中粗实线所示. 从原文献中的实验结果来看,其侧面碰撞和斜碰撞中的碰撞力峰值为 1.411 kN (±0.181 kN) 和 1.145 kN (±0.226 kN),而模拟所得到的碰撞力峰值分别为 1.54 kN 和 1.34 kN；实验所得的胸部变形量峰值分别为 36.2 mm (±11.4 mm) 和 51.4 mm (±7.3 mm),而仿真分析结果分别为 31.8 mm 和 45.2 mm. 从图 8 可以看出：虽然仿真分析的响应趋势并没有完全按照实验曲线走廊的平均趋势线发生变化,但是总体走向基本一致,且从整个曲线走廊的范围来说,本模型的响应控制得较好.

图 8(Fig.8)

图 8 侧面碰撞和斜碰撞中模型力变形曲线与尸体实验响应曲线走廊 [7] 对比 Fig.8 Comparison of force-deflection responses between simulation output and experimental corridors [7] in lateral and oblique impacts

1999 年,国际标准组织 (International Organization for Standardization,ISO) 发布了关于汽车侧面碰撞假人侧面碰撞响应的生物逼真度评估要求,该要求具体体现为一个基于若干尸体实验的人体胸部碰撞力时间历程曲线走廊,该曲线走廊由上下边界构成 ^[7]. 由于碰撞速度有所差别,文献[7] 中根据其所进行实验的碰撞速度对该曲线走廊的边界进行了缩放,并得到了适用于该系列实验中人体胸部碰撞力评价的标准化曲线走廊,如图 9 中细实线所示. 在本文的研究中,作者也将胸部模型所得到的碰撞力响应与该缩放后的标准化曲线走廊进行了对比,如图 9 所示,从对比结果发现,胸部模型的响应与标准化曲线走廊吻合得较好. 同时,相对而言,侧面碰撞中的碰撞力峰值比斜碰撞中稍大,而峰值出现的时间较早,这与实验结果所反映出的趋势是一致的.

图 9(Fig.9)

图 9 侧面碰撞和斜碰撞中模型碰撞力曲线与标准化曲线走廊 [7] 对比 Fig.9 Comparison of impact force between simulation output and ISO corridors [7] in lateral and oblique impacts

采用人体或者动物尸体进行生物力学实验在汽车碰撞安全和乘员损伤生物力学研究领域一直都是非常重要的研究方法 ^{[7, 12]},尤其是在计算机仿真分析技术达到现今的高度之前,但由于实验方法本身操作复杂,可重复性差,而人体或者动物尸体实验还涉及到伦理学问题,且成本较高,因此发展人体数学模型来研究损伤生物力学问题得到越来越广泛的应用. 如今,数学计算模型在汽车乘员损伤防护设计中的作用已经非常重要,特别是在正面碰撞中的汽车乘员约束系统性能和乘员胸部损伤风险研究中,很多时候都会用到胸部有限元模型 ^{[23, 24, 25, 26]}. 但其在侧面碰撞中的应用就相对没有那么广泛. 在较早的记载中,文献 [27]发表了一个基于一系列的人体尸体碰撞实验建立的二维人体数学模型,并对其进行了侧面碰撞中的验证,之后有人在此基础上建立了一个更为精细的二维人体模型,但当时并没有对其进行较好的验证. 1970 到 1980 年代出现了较早的人体集中质量模型,有研究人员相继建立了具有多自由度的侧面碰撞胸部集中质量模型 ^[28],并用其研究侧面碰撞中车门内衬垫对于人体胸部损伤响应的影响. 到 1990 年代,出现得更多的则是有限元模型,如文献 [28]中所建立并可用于侧面碰撞中胸部损伤研究的人体有限元模型.

迄今为止,将乘员有限元模型尤其是胸部模型应用到斜碰撞中的研究较少,有文献记载的主要有,文献 [29]中所建立的 500位女性三维有限元模型中,并参照文献 [8] 的尸体实验对该模型进行了斜碰撞中的验证；以及文献 [30] 中利用改良的 “HUMOS” (human model for safety,用于车辆碰撞安全的人体数学模型) 人体模型对不同碰撞方向载荷条件下的人体肋骨骨折与胸部变形量之间的关系进行了研究,这其中就包含了斜碰撞载荷.

应用人体有限元模型来研究斜碰撞中乘员胸部损伤的方法在此前并没有太多的记载和积累,而考虑到汽车斜碰撞中的人体损伤正受到越来越多的关注,本文所采用的乘员胸部模型及文中的分析方法可以应用到进一步的研究中.

从模型输出的力和变形响应与实验结果的对比来看,仿真所得的曲线虽然没有超出实验结果的范围,但是其峰值都靠近实验中的临界值,这是由于标本年龄个体差异和相应的模型材料特性参数两个方面的影响. 一方面,实验中所用多个标本与本文模型个体之间在年龄上有较大差距,如本文中表 3 所示实验中人体平均年龄为 74 岁 (范围在 53~87 岁之间),而模型的原型个体年龄约为 60 岁；从总体趋势上来说,人体年龄越大,在同等冲击条件下的骨骼结构损伤耐受度越低(所能承受的碰撞力较小),发生变形的风险则越高,因此会导致模型得到的碰撞力峰值较接近于实验结果的较大值,而变形量则接近实验结果区间的较小值；同时具体到胸部结构来说,有限元模型中材料参数的选择也会对胸腔的生物力学响应产生影响,对于此因素,包括文献[29, 30]等在内的多个研究均进行了讨论,而本文作者亦在之前发表的论文中对此进行了详细的研究 ^{[16, 17]}. 而事实上由于人体在骨骼结构上的个体差异,不同人体在相同位置的胸腔肋骨的几何外形上都会存在一定的差别,这些因素都是导致该对比分析中产生差异的原因. 另一方面,人体生物组织材料构成较为复杂,研究人员曾对人体骨骼材料力学性能与人体年龄之间的关系进行了深入的研究 ^{[32, 33, 34, 35, 36]},结果表明,年龄是一个重要的差异要素. 例如人体皮质骨的杨氏模量约为 4.3~21 GPa,其中年龄为 20~30 岁之间时处于峰值,随着年龄增大,其杨氏模量会明显降低,又如其失效应力,在 20~30 岁之间可达到 100~150 MPa 之间,而年龄增大到 80 岁之后时,其失效应力可降低到约 70 MPa. 本文中模型所用材料参数都是来源于相关实验研究,且大致取其均值,以获得有效的胸腔模型仿真结果.

在本文的研究基础上,可利用本模型对侧面碰撞和斜碰撞中的人体损伤响应及损伤准则进行深入分析,进一步研究在碰撞角度、碰撞物、碰撞能量不相同的条件下,现有的各种损伤准则与人体胸部损伤响应之间的关系.

通过将模拟胸部侧面碰撞和斜碰撞载荷所得到的响应与相应的实验结果对比发现：

仿真分析所得到的碰撞力和胸部变形量均位于原文献中基于实验结果的胸部响应曲线走廊范围内；

仿真分析中的侧面碰撞下碰撞力峰值比斜碰撞中稍大,而峰值出现的时刻较早；相对而言,侧面碰撞中的变形量峰值比斜碰撞中稍小,而出现的时刻同样较早,因此可以认为在相同碰撞能量的情况下,侧面碰撞和斜碰撞中人体胸部响应是不同的,这一现象可说明在相同载荷强度下侧面碰撞胸部耐受限度高于斜碰撞时的耐受限度,这与实验结果所反映出的趋势一致.

研究结果表明,本文所用的人体胸部有限元模型具有较好的生物逼真度,能较为真实地反映生物力学实验中所呈现的胸部动力学响应.

Wang Fang, Yang Jikuang, Li Guibing, Zhou Shuiting, Han Yong, Li Fan