基于中国人体测量学尺寸的假人头部跌落试验的仿真研究*

曹立波，张 恺，颜凌波，汤 骏

(湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082)

2016132

基于中国人体测量学尺寸的假人头部跌落试验的仿真研究*

曹立波，张 恺，颜凌波，汤 骏

(湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082)

为探究基于中国人体测量尺寸的假人头部在跌落试验中的响应与混合III型假人头部响应的差异，采用两种常用的假人缩放方法建立了中国5百分位、50百分位和95百分位假人头部有限元模型，并在3种不同冲击速度下进行跌落试验仿真。结果表明，非均一缩放方法获得的中国假人头部模型几何尺寸与中国人体头部测量学尺寸更为吻合，而采用该方法获得的中国人3种体型的假人头部合成加速度峰值均比对应的混合III型假人头部模型高3%～6%。

假人头部；中国人体测量学尺寸；跌落试验仿真；缩放方法

前言

据统计，在美国每年约有30%的致命伤是由创伤性颅脑损伤(TBI)所引起的[1]，尽管研究人员对头部损伤机理的研究不断深入，在此基础上采取了许多措施来降低交通事故中的头部损伤程度，例如戴头盔和乘员约束系统等，头部损伤的数量和严重程度也得到了明显降低，然而，交通事故中的头部损伤仍然是导致人员死亡和伤残的一个最主要原因[2]。汽车碰撞假人是根据人体生物力学研究成果而设计的模拟人体结构与力学特性的机械装置，是评估乘员在碰撞载荷下遭受伤害风险的重要工具[3]。目前，在世界范围内，混合III型系列假人是应用最为广泛的汽车正面碰撞测试假人，其中，50百分位男性假人表征美国中等体型成年男性，5百分位女性假人和95百分位男性假人通过缩放50百分位男性假人获得，分别表征小体型成年女性和较大体型成年男性。研究表明，混合III型50百分位假人头部轮廓与美国中等体型人体头部轮廓十分吻合[4]，同时，在刚性碰撞中可以准确地模拟人体头部在相同工况下的力学响应[5-6]。

由于混合III型系列假人的人体统计学参数参考的是美国20世纪80年代的研究成果，该参数与中国人体参数差异较大，2011年的统计数据显示，中国50百分位男性身高与混合III型假人身高的差异达到了3.48%，体质量的差异更是达到了11.89%[7]。文献[8]和文献[9]中对中国假人模型与混合III型50百分位假人模型(标准假人模型)正面碰撞响应的差异进行了研究。研究表明，中国假人模型与标准假人模型在车辆正面碰撞中的损伤风险差异很大，开发具有中国人体特征的假人具有重要意义。但是，上述研究是利用MADYMO软件缩放得到的符合中国50百分位人体身材的假人模型，并未对缩放方法进行探究。同时，上述研究讨论的是两种假人在约束系统中的响应差异，由于在正面碰撞中假人的动力学响应与乘员约束系统的设计参数直接相关，这样不利于从根本上研究两种假人的损伤差异。此外，之前的研究大多集中于假人的整体响应，并未对某一特定部位的损伤差异进行研究。

由此可见，深入研究基于中国人体尺寸的假人头部在跌落试验中的响应对研究中国人体头部损伤及开发中国汽车碰撞测试假人具有重要意义。本文中首先探究了两种缩放方法获得中国人体假人头部有限元模型的准确性，建立了5百分位、50百分位和95百分位3种假人头部的跌落试验仿真模型，在此基础上研究了中国假人头部模型与混合III型假人头部模型在跌落试验中的加速度差异。

1 假人头部模型缩放方法

研究人员常常采用缩放的方法通过现有成熟的假人模型获得其他百分位假人模型，这样既降低了假人模型的开发周期与开发成本，也在一定程度上保证了假人的生物逼真度。在处理成年人的缩放系数时，常常假设成年人的生物组织材料密度、刚度是一致的[10]，所以使用缩放方法获得中国成年假人模型的过程中，几何缩放因数是一个重要的参数。

混合III型50百分位假人头部轮廓是通过大量样本均一化处理后获得的，为获取其他体型人体的假人头部轮廓，可以根据目标人体头部的几何参数通过线性缩放获得[11]。通过文献研究，常用的假人头部模型的缩放方法有两种，一种是均一缩放方法，在开发混合III型5百分位女性假人头部和混合III型95百分位男性假人头部时便采用了这种方法[12]，即在假人头部局部坐标系下X向、Y向和Z向的缩放系数λx，λy和λz相等，其中头部局部坐标系如图1所示，头部缩放系数的具体确认方法为

(1)

λm=λx·λy·λz

(2)

式中：C为头部周长；W为头部宽度(Y方向)；L为头部长度(X方向)；m为头部质量；λm为头部质量缩放系数；下标1表示中国人体参数，下标0表示美国人体参数。

另一种缩放方法为非均一缩放方法，在开发50百分位女性后碰撞假人—EvaRID时，瑞典查尔莫斯科技大学的研究人员便采用了该方法[13]，头部缩放系数的具体确认方法为

λx=L1/L0

(3)

λy=W1/W0

(4)

λz=λm/(λy·λx)

(5)

2 假人头部模型的建立

为更加深入研究基于中国人体尺寸的假人头部模型与混合III型假人头部模型的差异，本文中选取了5百分位、50百分位和95百分位3种体段人体的参数进行研究，如表1所示，其中中国人体参数来自GB/T 10000—1988，开发假人的参考人体参数来自AMVO(the anthropometry for motor vehicle occupants)中的统计数据[11]。

表1 头部尺寸参数

根据上述的两种缩放方法，得到了3种体型中国假人头部的缩放系数，如表2所示，其中系数大于1表示在原模型的基础上进行放大，系数小于1表示在原模型的基础上缩小。

表2 头部缩放系数

用于开发中国5百分位、50百分位和95百分位假人头部有限元模型的原模型为LSTC公司与美国国家碰撞分析中心(NCAC)共同开发的混合III型5百分位、50百分位和95百分位假人有限元模型。

以50百分位假人头部模型为例，图2中从左至右依次为混合III型50百分位假人头部有限元模型、均一缩放中国50百分位假人头部有限元模型和非均一缩放中国50百分位假人头部有限元模型。为深入比对通过两种缩放方法得到的中国假人头部的几何差异，分别抽取了3种50百分位假人头部模型矢状面和冠状面的轮廓线，如图3所示。结合表1和图3可以发现，中国50百分位人体头部宽度尺寸基本一致，长度和周长尺寸差异较大，若采用均一系数的缩放方法，得到的中国50百分位假人头部模型在矢状面和冠状面的轮廓线与中国人体的头部几何参数均有明显偏差。由于绝大部分的创伤性颅脑损伤都发生于头部与其他物体的碰撞过程中，所以假人头部轮廓与人体头部轮廓高度一致是保证假人生物逼真度的重要前提，相对而言，非均一缩放方法更适合用于开发中国尺寸假人模型。

3 假人头部跌落试验仿真

虽然LSTC与NCAC共同开发的混合III型假人有限元模型得到了充分的验证[14]，在进行中国假人头部与混合III型假人头部跌落试验差异研究之前，本文中对混合III型50百分位假人头部有限元模型在高速、中速和低速3种试验工况下的质心加速度与试验数据进行对标。第一种试验设置为：调整假人的头部，使假人额头最低点处于假人鼻子最低点的下方12.7mm处，将假人头部从376mm的高处自由跌落到刚性平面上，即假人头部以2.72m/s的初速度撞击刚性平面，该试验也就是假人头部标定试验，是检验假人生物逼真度与验证假人有限元模型必不可少的试验。后两种试验设置与第一种试验类似，只是将撞击初速度调整为1.9和4m/s，试验过程中采集头部加速度曲线，并使用SAE 1000等级进行滤波。参考试验设置建立假人头部跌落试验仿真模型，如图4所示，调用LS-DYNA有限元求解器，仿真后输出头部质心合成加速度曲线，同样使用SAE 1000等级进行滤波。

仿真与试验得到的混合III型50百分位假人头部在3种跌落试验中的头部质心合成加速度曲线如图5所示，其中撞击初速度为4m/s的试验曲线来自文献[15]中的研究,加速度峰值如表3所示。从图中可以看出，3种试验工况下有限元仿真模型与试验曲线吻合较好，但是仿真曲线的波形较宽，合成加速度峰值的差异均小于3%。

撞击初速度v0/(m·s-1)合成加速度峰值/g试验仿真差异/%1.9159.43157.231.382.72260.12258.70.554437448.432.62

对利用非均一缩放方法获得的中国人体5百分位、50百分位和95百分位假人头部建立3种碰撞速度的跌落试验仿真模型，仿真结果如图6所示。在3种试验工况下，基于中国人体尺寸建立的3种体型的假人头部的合成加速度峰值均高于对应的混合III型假人头部模型的合成加速度峰值，差异在3%～6%，也就是说在相同碰撞强度下，中国假人头部会遭受更加严重的损伤。与此同时，随着体型的增大，假人的头部合成加速度峰值呈现降低趋势。

造成中国假人头部合成加速度峰值高于混合III型假人头部模型的原因是多方面的。首先，中国人体头部与用于混合III型假人开发的美国人体头部在几何尺寸上存在差异。其次就是头部质量方面的差异，在分析假人头部跌落试验中的头部质心加速度时，可将假人头部简化为一个单一的弹簧-质量模型[12]，根据能量守恒定律得

(6)

式中：v为碰撞速度；d为质量块最大移动量；k为弹簧刚度。根据牛顿第二定律和胡克定律可得

F=ma

(7)

F=kd

(8)

式中：F为碰撞力；a为碰撞中质量块加速度。

综合式(6)～式(8)，可得

(9)

由于试验条件相同，即两组试验的碰撞速度v相同，同时可认为弹簧-质量模型的弹簧刚度近似，则碰撞过程中加速度峰值的平方反比于质量，即头部质量越小，加速度峰值越大，通过改变混合III型假人头部质量，在标定试验中头部质心加速度峰值的变化规律也印证了此点[16]。再次，缩放导致假人头部皮肤厚度的变化也是引起头部质心加速度峰值差异的重要原因。通过仿真分析，将中国假人头部皮肤的厚度调整为与混合III型假人头部皮肤的厚度一致时，二者在跌落试验中加速度峰值的差异仅为1%～3%。当然，在缩放过程中头部形状、头部质量和头皮厚度这些因素都会随之变化，三者共同作用导致了中国假人头部质心加速度峰值高于混合III型假人头部加速度峰值的结果。

4 结论

归纳总结两种开发假人常用的几何缩放方法，结合中国人体与混合III型假人开发时期美国人体在头部几何参数的差异，通过缩放方法获得了一系列符合中国人体尺寸的假人头部有限元模型，通过3种工况下头部跌落试验的仿真研究，得到如下结论。

(1) 通过非均一缩放方法获得中国假人头部模型是一种更为理想的开发策略。

(2) 在3种试验工况下，基于中国人体尺寸建立的3种体型的假人头部的合成加速度峰值均比对应的混合III型假人头部模型的仿真结果高3%～6%。

(3) 随着体型的增大，假人的头部合成加速度峰值呈下降趋势。

目前，我国现行的汽车安全法规与新车评价规程中汽车正面碰撞试验均使用混合III型假人，由于我国人体在体质量、身高与假人具有明显差异，在相同冲击环境下，中国假人头部会承受更大的加速度，使用混合III型假人替代中国人体是否合理仍存在不小争议。因此，建议我国在制定法规以及开发新车型时考虑中国人体与现行假人在几何尺寸与损伤风险的差异，为我国乘员提供更好的保护，同时，对于符合中国人体尺寸假人的研究工作必须稳步推进，在没有足够充分的人体生物力学试验数据的前提下，采用非均一缩放方法获得中国假人头部模型具有参考价值。

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A Simulation Study on the Drop Test of Dummy HeadBased on Chinese Anthropometric Dimensions

Cao Libo, Zhang Kai, Yan Lingbo & Tang Jun

HunanUniversity,StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufacturingforVehicleBody,Changsha410082

In order to investigate the difference of head responses between the dummy based on Chinese anthropometric dimensions and Hybrid-III dummy in drop simulation, two common dummy scaling methods are adopted to create the finite element models for the 5th, 50th and 95th percentile Chinese dummy head, on which a drop-test simulation is conducted at three different impact speeds. The results show that the geometric dimensions of Chinese dummy head model obtained by inhomogeneous scaling method are more consistent with Chinese anthropometric dimensions, and the resultant acceleration peak values of three percentile Chinese dummy heads obtained by that method are 3%～6% higher than corresponding Hybrid III dummy head model.

dummy head; Chinese anthropometric dimensions; drop-test simulation; scaling method

*湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室开放基金(31575005)和国家自然科学基金(11172099)资助。

原稿收到日期为2015年5月28日。