正面碰撞中的老年驾驶员胸部响应研究*

武和全，彭金平，邓晓顺，金 鑫，胡 林

（1.长沙理工大学，工程车辆轻量化与可靠性技术湖南省高校重点实验室，长沙 410004；2.韦恩州立大学生物工程中心，美国底特律 48201）

前言

根据我国统计局发布的数据，截止到2017年末，65岁以上的人口已经达到了15 831万，占总人口的11.4%，而到2018年末，则已经达到16 658万，老年人口仅仅一年就增加了5.2%［1］。过去几年道路交通死亡人数中，老年人的比例稳步上升［2］。根据2002年出版的美国老龄管理局报告，每10个交通事故死亡人口中就有一个为年龄60岁以上的女性，且未来几十年将持续增加。女性老年人更多地被卷入交通事故中，她们在车祸安全事故中面临的危险性更大。这些数据表明，老年女性在交通事故中是需要特别关注其安全性的人群。

在老年人机动车碰撞事故中，胸部损伤造成的死亡人数、伤害程度和总体经济成本仅次于头部损伤［3］。胸骨是人体胸腔脏器在受到撞击时的重要防护区域［4］，同时也是碰撞事故中最容易受伤害的部位之一。从20世纪60年代开始，人们就已经针对人体胸部生物力学进行了大量的实验研究，并获得大量的相关数据。2000年以前，研究人员主要关注正面碰撞过程中转向盘中心和转向盘轮缘对驾驶员胸腹部碰撞下的损伤响应［5］；近年来的研究主要集中在乘员受到约束系统（如安全带和安全气囊）作用载荷时的胸部损伤响应［6-8］；而最新的焦点无疑是自动驾驶领域的相关研究［9］。

人体胸部损伤生物力学研究中所得到的数据已经大量运用于碰撞实验假人的开发和伤害风险评估模型的建立，并逐步运用到有限元人体模型（human body model，HBM）的构建中。随着汽车安全气囊和安全带等被动安全装置的大规模普及，乘员头部和颈部都已得到很好的保护，而对于胸部的保护则相对不够完善。典型的工况是，在发生碰撞事故时，即使配备先进的安全带和安全气囊等乘员约束系统，驾驶员胸部与转向盘轮缘之间仍然会接触而导致胸部损伤［10］。

人体尸体（post-mortem human subjects，PMHS）实验经常被用于评估人体生物力学响应和碰撞伤害耐受度。由于测试用的尸体往往与车祸主要受害者的年龄不符，且尸体大多是年迈的男性，几乎没有儿童，以及尸体来源变得越来越短缺，面临的伦理道德压力也越来越大等，尸体实验一直受到限制。PMHS实验并不能模拟出在碰撞瞬间驾驶员的肌肉硬度和身体反应，因此PMHS并不能精确地反映驾驶员胸部的响应［11］。如果将PMHS实验与HBM仿真相结合将更有益于人体胸部碰撞响应的研究。

本研究通过分析老年HBM的损伤响应，结合相关尸体实验验证，评估受到转向盘轮缘冲击时老年人胸部损伤生物力学响应，并进行测试以确定老年人体胸部响应随载荷分布和位置的变化规律。本研究是美国韦恩州立大学生物工程中心老年人体模型（代号为CHARM_70）开发项目的部分工作。

1 老年人体有限元模型的建立与验证

1.1 有限元模型的建立

老年人体有限元模型的建立非常复杂。根据Gayzik等［12］的研究，随着年龄增加，老年人肋骨更加垂直于脊柱，且肋骨角度（从肋骨的最上后点到肋骨的最上前点）随着年龄而变化。肋骨角度取决于年龄、性别、体质量和BMI（体质指数，即体质量除以身高的平方）。随着年龄的增加，胸部几何形状的变化变得更加突出，因此须考虑创建一个能代表50百分位70岁人体的有限元模型。

根据美国疾病控制和预防中心的统计结果，50百分位70岁女性身高为1.6 m，体质量为73 kg。通过收集志愿者的医学扫描数据，并结合Gayzik等［12］发表的数据，建立了一个70岁的老年女性人体几何模型。由于几何模型缺乏人体的三维细节，因此创建了一个70岁人体胸部三维有限元模型。在尸体实验方面找到一个完全符合疾病控制和预防中心数据所描述的尸体并非易事。在韦恩州立大学生物工程实验中心找到最接近的是编号为938的PMHS（年龄73岁，身高1.6 m，体质量62 kg）。在韦恩州立大学的机构审查委员会/人类调查委员会的批准下，此PMHS被选中用于计算机CT扫描，以提取胸部骨骼几何图形。

尸体在密歇根州的医院放射科进行扫描。扫描分辨率设置为全身1.0 mm×1.0 mm×5.0 mm。收集医学图像后，使用Mimics12.0完成扫描的3D渲染，并对肋骨进行光滑处理，从www.cancerarchieve.net上的在线数据库中检索到65岁的女性CT扫描数据。这些数据用于提取心脏、肺、肝脏、肾脏、胰腺、脾脏、胆囊、主动脉、腔静脉和其他腹部组织的几何形状。通过3D图像渲染得到软组织的3D表面数据。除内部器官和血管外，还通过个人通信从密歇根大学交通研究所的丰田证监会（协作安全研究中心）项目数据库中检索出人体形状的外部轮廓。在确定了胸廓的详细几何模型后，进行初步的网格划分。一旦生成初步网格，将在Hypermesh 10.0的帮助下，根据某些元素质量检查参数进行精炼。进行必要的质量检查，同时修改网格参数的属性，如雅可比值＜0.4，翘曲＜50，纵横比＜5，倾斜角＜60°，平均单元尺寸约3 mm等。最后在Ls-dyan上进行材料和属性的定义，完成模型的建立。图1示出开发老年人体模型的主要过程。此外，目前的研究还采用了数据统计的方法，以确保最终的有限元模型代表50百分位70岁人体模型。

图1 开发有限元老年人体模型的示意图

图2 示出老年人体躯干骨骼的组成与软组织器官的位置，该模型由大约600 000个实体元素、200 000个壳元素和300个一维元素组成。开发的老年驾驶员胸部模型的部分材料属性数据如表1所示。它直接取自GHBMC模型。然而，软组织损伤预测的阈值基于THUMS 4.0版中规定的Shigeta等［13］使用的阈值，见表2。尽管报道了与年龄有关的特性，但文献中没有报道软组织与年龄相关阈值的变化。因此，在本研究中，Shigeta所使用的基于可用测试数据的值被作为70岁模型中软组织损伤预测的阈值进行调整。

1.2 老年人体胸部有限元模型的验证

图2 老年躯干模型

模型建立后须经验证，才能进行仿真。据了解，Kroell等［14-15］在40多年前对37个尸体标本的胸部进行了碰撞，其中有8个年龄不同的女性样本。表3列出了这些样品的特征和不同的碰撞边界条件。碰撞设置如图3所示。为对有限元模型进行验证，须分析每个样本的受力和胸部压缩量。其中，6号尸体实验所使用的摆锤质量明显低于其他实验，6号和8号尸体实验的碰撞速度明显高于其他实验，因此排除这两个样本进行力和胸部压缩量的响应比较。 对CHARM_70老年人体模型的验证，仿真设置如图3所示。圆盘边缘直径为152 mm、质量为19.5 kg的无衬垫摆锤以7 m/s的速度撞击在模型的中间胸骨位置。然后进行力和胸部压缩量的对比来验证模型的准确性。选用由Kroell等在表3中编号分别为1、2、3、4、5、7号尸体实验中的碰撞数据，图4中将力和胸部压缩量响应与仿真数据进行比较。对尸体实验数据进行缩放，以使实验与模拟结果的惯性效应相当。由图可见，仿真与实验的力和胸部压缩量趋势相同，仿真的数据在实验的范围内，即仿真数据与尸体实验数据匹配度较高。

Kroell等进行的实验报道了与肋骨骨折和软组织有关的损伤。在所有的实验中肋骨骨折是常见的。CHARM_70模型实验中能预测到7处肋骨骨折（图5），肋骨骨折用单元缺失表示。由此进一步验证了CHARM_70模型的准确性。老年人体模型胸部碰撞的运动学响应如图6所示，随着时间的推移，胸部变形越来越大。

表1 CHARM_70胸部模型的部分材料属性

表2 70岁女性模型器官损伤预测阈值

由图6可见，该老年人体能真实模拟人体胸部在受到正面钝性冲击时的反应，人体受力变形曲线在尸体实验响应的范围内，因此认为该老年人体整体模型在该工况下的验证有效。

1.3 整车尸体正面碰撞实验

参考Petitjean等［16］的尸体实验研究，进行了老年人体模型胸部整体正面碰撞实验研究。美国韦恩州立大学使用尸体样本进行了正面台车碰撞实验，其碰撞运动学响应和仿真碰撞对比如图7所示。

表3 摆锤碰撞实验数据与CHARM_70的对比

图3 圆盘摆锤冲击实验装置（左）和圆盘摆锤冲击仿真设置（右）

图4 圆盘摆锤碰撞力 胸部压缩量对比

图5 CHARM_70模型胸部肋骨骨折示意图

图6 老年人体模型胸部正面碰撞运动力学响应

图7 尸体实验与CHARM_70模型正面碰撞运动学响应对比

在仿真中，设置与尸体实验相同的加速度曲线，该加速度曲线由欧洲新车评价规程（EURONCAP）认定，代表车体以64 km/h速度撞击可变形壁障的加速度响应。本文中为与尸体实验样本对比，利用LS-Prepost软件设置安全带限力4 kN。座椅刚性结构与车体进行刚性连接。调节人体姿态使其处于标准驾驶姿态，手臂置于汽车转向盘上。使用LS-DYNA有限元求解器进行计算，人体模型在该工况下的响应如图7所示。由图可见，人体在受到车体的减速度时由于惯性向前倾斜，但在安全带的约束下并未发生很大的前倾情况，符合人体在车辆前撞中的运动学响应。尸体样本响应与模型仿真具有相同的趋势，从而验证了CHARM_70模型的有效性。

2 老年人体胸部碰撞响应研究

2.1 碰撞边界条件定义

参考Holmqvist等［17］的尸体实验，对两个老年PMHS（PMHS1-80岁和PMHS2-65岁）进行了5次摆锤碰撞实验。碰撞摆锤装置如图8所示，碰撞用的摆锤前端装有一个边缘直径为152 mm的圆盘B，或横着安装一根长400 mm、直径30 mm的可拆卸的圆钢杆A，用于模拟转向盘轮缘的载荷分布。后面是两个可拆卸的摆锤配重C，用以调整撞击质量。设置了3种不同的碰撞高度，如图9所示。其中中间位置表示第4与第5肋骨中间位置，高处位置和低处位置分别为中间位置上移50 mm 和下移50 mm。灰色表示圆盘碰撞，黑色表示圆杆碰撞。中间位置的圆盘摆锤碰撞被作为参考，与其它设置下的损伤标准（例如胸部最大压缩量Cmax和最大黏性响应系数VCmax）相比较。

图8 碰撞摆锤装置

图9 实验与仿真胸部碰撞位置

两种撞击头，3种碰撞高度，加上冲击速度和质量的变化，共设置5种撞击工况：1-3为圆杆以2.4 m/s的速度和25.8 kg的撞击质量进行中、高、低位3次碰撞，分别用BM（bar_middle location）、BH（bar high location）和BL（bar，low location）表示。4为圆盘以2.4 m/s的速度和23.4 kg的撞击质量对中间位置进行一次碰撞，用DM（disk，middle location）表示。5为圆杆以3.73 m/s的速度和9.6 kg的撞击质量对中间位置进行一次碰撞，用BM*（bar，middle location with higher speed and smaller mass）表示。选择摆锤的质量和速度时，保持低于会引发肋骨骨折的水平［18］。

另一方面，采用CHARM_70老年人体模型，参照PMHS1和PMHS2摆锤撞击实验的设置，进行同样5种工况的HBM仿真碰撞，并对胸部响应结果进行对比分析。

2.2 胸部响应的评价方法

胸部损伤有多种形式，如胸腔内部心脏、肺部、血管的损伤和肋骨的骨折等。虽然肋骨骨折是很严重的伤害，但一两根肋骨的损伤对整个胸部损伤影响较小。然而当使用尸体来评估胸部损伤时，肋骨骨折是唯一的评价方法，因为心脏和肺部的损伤通常在尸体中无法准确评估。由于人体伤害耐受度不同，肋骨骨折的数量与胸部器官损伤的严重程度并没有很大的差别。

在本研究中，碰撞载荷设置较小，因此在不会引起骨折的范围内，使用两种最常用的损伤标准，胸部最大压缩量Cmax和最大黏性响应系数VCmax来评估胸部响应。胸部压缩量C定义为碰撞前后胸部厚度之差。而胸部厚度则随碰撞高度，即随撞击头与胸部接触部位而变化，定义为在碰撞高度的横截面上，胸部后背皮肤中点至撞击头前端线的距离，以D（t）表示。t为时间，说明在碰撞过程中，胸部厚度随时间而变。设碰撞初始时刻t=0，碰撞持续时间为t1，即碰撞终了时刻t=t1，则胸部压缩量C=D（0）-D（t1）。为衡量胸部压缩的程度，需要引入另一个指标，即胸部压缩率Cr，定义为胸部压缩量与胸部初始厚度的比值，即

图10示出胸部压缩率与碰撞速度的关系［19］，而不同的压缩率又往往代表不同的胸部损伤类型。

黏性响应系数VC主要用于高速碰撞下的软组织损伤评估，它表明损伤是瞬时胸部速度和胸部压缩百分比的乘积：

图10 速度与胸部损伤类型的关系

式中：D（t）为随时间t变化的胸腔厚度，m；D（0）为胸腔的初始厚度，m。

2.3 胸部响应分析

Holmqvist等［17］在实验中已对两个PMHS进行了缩放。CHARM_70代表50百分位的70岁老人，本次实验无需再进行缩放。PMHS的缩放程序完成后，对响应进行分析。绘制力胸部压缩量图，并对碰撞条件的响应进行比较。CHARM_70模型与缩放后PMHS响应的力 胸部压缩量的关系如图11所示。CHARM_70模型碰撞过程中的最大受力范围为0.72～1.94 kN，最大胸部压缩量范围为31～67 mm。PMHS1碰撞过程中的最大受力范围为0.94～1.86 kN，最大胸部压缩量范围为43～65 mm。PMHS2碰撞过程中的最大受力范围为0.84～1.84 kN，最大胸部压缩量范围为42～63 mm。从图11还可以看出，在圆杆碰撞CHARM_70模型的4种工况中，碰撞胸部高处位置时（BH），胸部压缩量最小，但胸部受力的峰值最大。

图12和图13分别示出仿真（CHARM_70）和实验（PMHSs）结果的胸部最大压缩率Cr，max和胸部最大黏性响应系数VCmax。由图可见，相对于PMHSs，CHARM_70模型的胸部最大压缩率较小。当使用圆盘碰撞中间位置（DM）时，CHARM_70模型的胸部最大压缩率为23.4%，比圆杆碰撞中间位置（BM）时，多了约3个百分点。当使用圆杆碰撞低处位置（BL）时，CHARM_70模型胸部最大压缩率最大，为22.3%，比中间位置（BM）和更高位置（BH）都大。从图12还可以看出，PMHS1、PMHS2与CHARM_70模型的胸部最大压缩率差别很小。

图11 在5种不同条件下的力胸部压缩量曲线

缩放后PMHS1和PMHS2的最大黏性响应系数VCmax与CHARM_70模型VCmax的对比如图13所示。CHARM_70模型相同位置的碰撞中，与圆杆碰撞相比，圆盘碰撞的胸部最大黏性系数约大38%。对比圆杆碰撞不同位置的VCmax发现，碰撞位置越高，胸部最大黏性系数就越小，低处位置圆杆碰撞（BL）的胸部最大黏性系数比高处位置圆杆碰撞（BH）大70%；碰撞高度对PMHS1和PMHS2胸部最大黏性系数的影响趋势与CHARM_70模型相似。

由图12和图13对比可见，各工况之间Cr，max的差别比各工况之间VCmax的差别小。

2.4 胸部初始厚度的计算

本次研究主要是了解不同的撞击头和不同的碰撞位置、速度与质量对老年人胸部损伤的影响。相对于Kroell等的胸部圆盘碰撞实验，本次实验一直保持碰撞能量在一个较低的水平，目的是避免胸部肋骨骨折，以保持胸腔的完整度，且可研究在较低伤害情况下的胸部响应。

图12 仿真和实验的胸部最大压缩率C r，max

图13 仿真和实验的胸部最大黏性系数VC max

前面提及，评估胸部响应的两个最常用的损伤标准是胸部最大压缩量Cmax和最大黏性响应系数VCmax。它们的确定都需要计算胸腔初始厚度D（0）。但D（0）受不同因素的影响，首先是碰撞高度的影响，由于人体胸部的空间外廓在不同高度上的截面不同，D（0）自然随高度而变化；其次是撞击头的影响，即使在同一高度上，由于圆盘和横向圆杆的形状不同，它们与胸部的接触部位也不同。

由于胸部突起，圆杆会首先与胸部两边接触，圆盘则与胸部正中部位接触，即圆盘的位置会比圆杆更靠近胸部后背，因而使D（0）较小，这点应该引起注意。

3 结论

对CHARM_70老年人体有限元胸部模型进行验证，从圆盘摆锤胸部碰撞仿真可以看出，胸部的受力大小和压缩量落在实验数据范围内，肋骨骨折数量为7，与尸体实验一致。对整车胸部正面碰撞仿真的结果表明，CHARM_70模型与尸体实验具有相似的运动学响应，CHARM_70胸部模型具有良好的逼真度。

从CHARM_70模型与尸体实验对比可以得出结论：老年人在胸部受到碰撞时，圆杆碰撞的受力比圆盘摆锤的受力更小，当碰撞载荷由圆盘改为圆杆时导致载荷分散，胸部受力减小；圆杆碰撞的响应取决于其与胸部的碰撞位置，高处位置圆杆碰撞的胸部平均响应为中部圆杆碰撞的82%，低处位置圆杆碰撞的胸部平均响应为中部圆杆碰撞的111%；即当碰撞点的位置降低时，胸部的最大压缩量逐渐增加，胸部最大黏性响应增大，但是胸部接触力会随之减小；当碰撞点的位置升高时，胸部受力将会增加，但胸部的压缩量和胸部黏性响应系数都会降低。当碰撞载荷改变时，胸部响应也会改变。

虽然研究中并没有足够多的数据来验证老年人在转向盘轮缘碰撞胸部时的响应，但通过与尸体实验的对比，确认了胸部响应变化的规律，可以用于老年驾驶员安全系统的研发，并对降低老年驾驶员在碰撞过程中的胸部损伤提供指导作用。