混Ⅲ假人、GHBMC人体模型以及中国人体模型的正碰损伤差异

黎和俊 杨 震 周大永 张海洋 王 波 张金换

1.清华大学汽车安全与节能国家重点实验室，北京，100084 2.浙江省汽车安全技术研究重点实验室，杭州，311228 3.浙江吉利汽车研究院有限公司，杭州，3112284.烟台大学机电汽车工程学院，烟台，264005

0 引言

公安部交通管理局数据显示，截至2018年9月，全国机动车保有量达3.22亿辆，其中汽车2.35亿辆；机动车驾驶人数达4.03亿，其中汽车驾驶人数达3.63亿。随着汽车保有量和机动车驾驶人数的不断增加，汽车的乘员保护性能也逐渐受到重视。我国法规在评价汽车正面碰撞安全性时以Hybrid Ⅲ男性50百分位机械假人作为损伤测量工具，国内目前进行汽车碰撞仿真研究时也普遍使用Hybrid Ⅲ假人作为评价工具，近年来，GHBMC 50百分位有限元人体模型作为一种更加复杂和具备人体特征的损伤评价工具，在碰撞仿真研究中得到广泛使用。然而Hybrid Ⅲ男性50百分位假人和GHBMC 50百分位有限元人体模型采用的体征参数均来自于美国男性50百分位数据，例如Hybrid Ⅲ男性50百分位假人的身高为175.1 cm，体重为78.2 kg[1]，而根据中国标准化研究院2009年人体尺寸普查结果，中国成年男性50百分位的身高为169.2 cm，体重为64.5 kg。因此，根据Hybrid Ⅲ男性50百分位假人或GHBMC 50百分位有限元人体模型开发的乘员约束系统对中国人体可能无法取得较好的保护效果[2]。

对于使用混Ⅲ假人进行损伤评价的局限性，国内也有不少学者进行了研究。颜凌波等[2]基于中国人体尺寸和现有Hybrid Ⅲ 50百分位假人有限元模型，采用全体段缩放方法建立了符合中国人体尺寸特征的中国人50百分位男性假人有限元模型；对比分析了中国人50百分位男性假人与Hybrid Ⅲ 50百分位假人在同一正面碰撞工况下的损伤响应，结果表明，与Hybrid Ⅲ 50百分位男性假人相比，中国50百分位男性假人的头部损伤风险较大，而胸部损伤可能性较小。曹立波等[3]根据中国人体尺寸参数，在国外标准假人Hybrid Ⅲ 50百分位假人模型的基础上，使用MADYMO软件中的缩放方法建立了符合中国50百分位身材假人模型，加上另行建立的乘员约束系统模型，分别进行了正面碰撞仿真，结果表明，中国成年男性50百分位身材假人模型的头部和颈部的损伤参数明显大于Hybrid Ⅲ 50百分位假人模型的相应参数。总体来说，一些学者对混Ⅲ假人和具有中国50百分位尺寸的人体模型的碰撞响应差异进行了研究，但其中用到的中国50百分位人体模型基本都是利用MADYMO多刚体假人或Hybrid Ⅲ有限元人体模型进行尺寸缩放得到的，对反映人体整体特征的真实性都具有较大局限性，并且关于GHBMC有限元人体模型与Hybrid Ⅲ假人还有中国50百分位人体模型的碰撞响应差异的研究未见报道。

本文使用的中国50百分位人体模型来自清华大学汽车碰撞试验室的研究成果：李沛雨[4]建立了中国参数化胸腔模型和中国参数化下肢模型，并以GHBMC 50百分位人体模型为基准模型建立了以身高、年龄、性别和年龄为输入变量的中国参数化人体模型。本文基于上述中国参数化人体模型，根据中国50百分位男性的身体参数，生成了中国男性50百分位人体模型；基于某国产量产车有限元模型，通过正面碰撞仿真分析对比Hybrid Ⅲ 50百分位假人、GHBMC 50百分位人体模型及中国男性50百分位人体模型的损伤响应，来研究Hybrid Ⅲ假人和GHBMC有限元人体模型作为常用的损伤评价工具的差异性，以及评价基于保护中国人体而设计的乘员约束系统的局限性。

1 乘员模型

Hybrid Ⅲ假人模型和GHBMC有限元人体模型皆为经过验证的美国男性50百分位人体模型，也是国内外常用的乘员损伤评价工具，中国参数化人体模型是清华大学汽车碰撞试验室在密歇根州立大学交通研究院关于参数化人体模型的建模方法上进行改进并结合中国参数化胸部和下肢模型建立的，相关建模方法以及模型的生物仿真度也得到了有效验证[4-6]。根据中国人体50百分位的身高年龄和体重生成中国50百分位人体模型(CHN50)，三组乘员模型(图1)都可以用于碰撞仿真分析，它们的身高和体重数值见表1。可以看出，中国50百分位人体模型体型较小，而Hybrid Ⅲ假人在外型上不如其他两组模型拟人化程度高。

(a)Hybrid Ⅲ 50百分位假人模型

表1 乘员模型参数

2 正面碰撞仿真模型的建立

2.1 乘员约束系统验证

乘员约束系统来自于项目合作方根据某款量产车型建立的驾驶舱有限元模型，该模型主要由汽车地板、前车架、仪表板、座椅、安全带、转向盘、安全气囊、踏板等部分组成。为了验证该约束系统的有效性，根据合作方提供的该车型在64 km/h下的正面全宽碰撞试验中的数据，进行了相同工况下的仿真和试验，假人损伤响应对比结果如图2和表2所示。

表2 损伤峰值对比

(a)头部加速度 (b)颈部轴向力

从损伤结果的对比来看，仿真和试验的各项损伤指标趋势大致相同，峰值也都在可接受的误差范围内。仿真结果峰值时刻要比试验稍早，造成此现象的原因应该是仿真和碰撞试验安全带的佩戴位置稍有不同，总体来说，动态响应的对标结

果误差较小且损伤峰值都较为接近，该约束系统有限元模型符合下一步进行乘员碰撞仿真研究的要求。

2.2 乘员定位

三种乘员模型的外形和体型有一定不同，为了正确模拟在使用不同评价工具进行碰撞仿真时损伤的差异，每个乘员模型的定位都采用适合自身的定位方式。Hybrid Ⅲ假人按照碰撞试验中的设置，将假人H点与座椅参考点重合，并将双脚放置在踏板上，手刚好握在转向盘。对于GHBMC人体模型和中国50百分位人体模型，则利用REED等[7-8]建立的以乘员身体尺寸和驾驶舱结构参数为预测变量的乘员姿态和位置的回归模型来实现座椅和人体的定位。该回归模型所用的驾驶舱测量参数和参考坐标系如图3所示。

图3 驾驶舱测量参数

座椅定位点X和Z方向坐标计算公式如下：

XP=16.8+0.433h-0.24H30-2.19AC+0.41L6

(1)

ZP=H30+(XSgRP-XP)AST

(2)

式中，XP、ZP分别为座椅定位点X和Z方向坐标值；h为人体身高，mm；H30为座椅高度；AC为坐垫倾角；L6为转向盘中点X方向坐标；XSgRP为座椅参考点X方向坐标；AST为座椅滑轨倾角。

人体H点X和Z方向坐标计算公式如下：

XHip=12.2-3.5IBM+3AC+XP

(3)

ZHip=-97.1+1.2IBM+0.1068L6+1.1AC+ZP

(4)

式中，XHip、ZHip分别为人体H点X和Z方向坐标值；IBM为人体的身体质量指数。

躯干角(hip-to-eye angle，H2EA，如图4所示)由下式求得：

图4 人体姿态测量参数

AH2E=-56.2+100.2RSHS+0.0147L6+

0.1AC+0.0136IBM

(5)

式中，RSHS为坐高对身高比，取常数0.52。

本文使用的驾驶舱模型相关参数见表3。根据GHBMC以及中国50百分位人体模型的体征参数，结合驾驶舱参数和REED等[7-8]建立的回归模型实现人体模型在驾驶舱中的定位，如图5～图7所示。

表3 驾驶舱相关参数

图5 中国50百分位人体模型的定位

图6 Hybrid Ⅲ假人的定位

图7 GHBMC人体模型的定位

2.3 约束系统设置和仿真条件设置

完成乘员定位后，需要对三组模型进行座椅预压。在实际情况中，人坐在座椅上时，由于重力因素身体会和坐垫海绵、靠垫海绵接触并使海绵受压发生变形，故在进行仿真之前，需要对座椅有限元模型进行预压处理。本文采用建立预压器进行预仿真的形式来进行座椅泡沫的预压。在人体模型移至指定位置后，提取假人臀部和躯干单元形成一个新的组件作为预压器，然后向正Z方向移动一段距离并修改材料属性，对预压器施加力和位移曲线进行仿真，并将仿真预压后的座椅节点替换至原始座椅K文件中。图8所示为三种乘员分别对应的预压后的座椅，可以看到由于座椅位置、乘员位置和乘员体型的不同，预压后的座椅形状也有所不同。

(a)CHN50 (b)Hybrid Ⅲ (c)GHBMC

仿真工况选取C-NACP中正面100%重叠刚性壁障碰撞试验工况，碰撞速度为50 km/h，将实车碰撞试验中采集到的碰撞波形加载至碰撞仿真模型中，定义三组人体模型与约束系统的接触之后进行仿真分析。

3 仿真结果分析

3.1 动态响应对比

图9所示为三组仿真模型的动态响应，60 ms时，由于坐姿更加靠前，中国50百分位人体模型的面部已和气囊发生较大面积接触，Hybrid Ⅲ 50百分位假人模型下巴才刚刚与气囊发生接触，而GHBMC 50百分位人体模型头部位置更高并且胸腹部由于脂肪堆积与气囊接触时间更早并对气囊冲击具有一定的缓冲，故此时GHBMC 50百分位人体模型的头部并未与气囊发生接触。发生碰撞的100 ms时，除了因坐姿引起的头部高度不同以外，三组人体模型的动态响应看不出明显差别。再看腰腹部和下肢，60 ms时，由于下肢长度差异，Hybrid Ⅲ 50百分位假人模型和GHBMC 50百分位人体模型下肢位置都更加靠前，而中国50百分位人体模型下肢还未完全与挡板发生接触，由于GHBMC 50百分位人体模型和中国50百分位人体模型具有良好的生物仿真度，安全带的约束使腹部脂肪向上发生堆积，而Hybrid Ⅲ 50百分位假人模型并没有发生脂肪堆积的情况。

(a)Hybrid Ⅲ

3.2 损伤响应对比

图10是提取的三组人体模型的损伤响应曲线对比图，人体模型各部位损伤峰值见表4。对三组人体模型分别进行了头部合成加速度、颈部剪切力、颈部伸张力、颈部伸张弯矩、胸部压缩量以及大腿轴向力的损伤响应对比。首先是头部损伤响应，由图10明显看出三组模型的头部三向合成加速度曲线重叠度很高，峰值也很接近，三组模型的HIC15值也较为接近，但是从计算的HIC36值来看，GHBMC的HIC36值更高，而Hybrid Ⅲ假人和中国50百分位人体模型的HIC36值稍低。从颈部损伤响应可以看出，三组模型的颈部剪切力也较为接近，Hybrid Ⅲ假人在碰撞后半段颈部剪切力的变化趋势不同，三组模型的颈部伸张力曲线走势较为一致，但是Hybrid Ⅲ假人的伸张力要大于其他两组模型的伸张力，Hybrid Ⅲ假人的伸张弯矩也明显更大，颈部损伤响应的不同可能是由于假人颈部结构和其他两组模型有较大不同。由于Hybrid Ⅲ假人的坐姿较高且胸部与安全气囊的接触面积更大，故胸部压缩量比其他两组模型稍大，但是总体变换趋势都基本接近。三组模型的大腿损伤响应也有所不同，虽然中国50百分位人体模型由于身高较矮下肢较短，在碰撞过程中大腿和膝部更晚接触到膝部挡板，但是大腿轴向力峰值却较高，这种情况出现的原因可能是体型和坐姿的差异导致腰带力加载角度不同。

(a)头部合成加速度 (b)颈部剪切力

表4 损伤响应峰值

结合中国50百分位人体模型的损伤响应分析，两种乘员损伤评价工具与中国50百分位人体模型头部损伤响应都比较接近；而在颈部和胸部的损伤响应上，GHBMC模型与中国50百分位人体模型更贴合；但在大腿损伤上，Hybrid Ⅲ假人的响应与中国50百分位人体模型更加接近。

3.3 损伤风险对比

US-NCAP中使用损伤风险曲线进行假人损伤风险的评估，这种评价指标是通过在用函数定义好的损伤风险曲线(injury risk curves)上查值确定损伤风险概率的方式来进行人体损伤的评价[9]，这种评价方式能更加直观地体现人体的损伤风险，并且更加适用于不同体型人体之间的损伤对比分析。因此，本文使用计算损伤风险概率的方法来对三组仿真结果进行分析。

损伤风险计算公式来自美国新车评价规程，需要注意的是，颈部、胸部和大腿的损伤风险函数可以直接用于计算美国50百分位的人体损伤风险，但对于中国50百分位人体模型，需要根据人体不同部位的骨骼尺寸来进行缩放系数的计算，并将中国50百分位人体模型的响应缩放到GHBMC 50百分位男性相对应的数值[10]。本文中使用到的风险曲线函数如下，对应的缩放系数计算方法[11]见表5。

表5 损伤风险缩放方法

头部损伤风险函数为

(6)

式中，IHIC15为头部伤害指数；φ(·)为累积正态分布函数。

颈部损伤风险函数为

(7)

式中，Fneck_A为颈部轴向力。

胸部损伤风险函数为

P(chest，AIS3+)=

(8)

大腿损伤风险函数为

(9)

式中，Ffemur为大腿轴向力。

表5中，头部损伤风险的计算直接使用式(6)，不需要进行缩放；Fneck_c为中国50百分位人体模型输出的颈部轴向力；Fneck为缩放后的颈部轴向力。Dchest_c为中国50百分位人体模型输出的胸部压缩量；Dchest为缩放后的胸部压缩量。Ffemur_c为中国50百分位人体模型输出的股骨轴向力；Ffemur为缩放后的股骨轴向力；a50、b50、D50分别为GHBMC 50百分位人体模型对应的骨骼尺寸；ac、bc、Dc分别为中国50百分位人体模型对应的骨骼尺寸。

按照损伤风险函数对三组人体模型的损伤风险进行计算，其中大腿损伤风险的计算取两条大腿轴向力中的较大值。计算结果如图11所示，各个部分损伤风险概率的具体数值见表6。

(a)头部损伤风险曲线

表6 损伤风险

由图11和表6可以看出，三组模型的头部损伤风险概率很接近，而且GHBMC与中国50百分人体模型的损伤风险几乎相同，显然呼应了前文分析中得出的三组模型头部损伤响应接近的结论。虽然三组模型的颈部损伤风险概率数值都不高，但是Hybrid Ⅲ假人颈部损伤风险远远高于其他两组模型的损伤风险。尽管胸部损伤风险方面，GHBMC人体模型与中国50百分位人体模型更加接近，但应提出的是，在胸部压缩量对比中，GHBMC人体模型和中国50百分位人体模型峰值的相对误差仅为0.01%，然而损伤风险概率的相对误差达-8%，进一步证实使用损伤风险曲线能更好地体现不同体型人体之间的损伤风险差异。大腿损伤风险也出现了和大腿损伤响应不同的情况，对比大腿轴向力峰值，Hybrid Ⅲ假人比中国50百分位人体模型稍低，相对误差为1.4%，但从下肢风险结果来看，中国50百分位人体模型的损伤风险概率更高，并且Hybrid Ⅲ假人与中国50百分位人体模型的下肢风险概率相对误差达-9.89%，损伤风险曲线的分析体现了一些损伤响应分析中没有体现出的损伤差异性。

结合两种评价方式的分析结果，本次仿真中，三组乘员模型由于体型和结构差异，在碰撞时的损伤风险各有不同，GHBMC人体模型的大腿损伤风险比中国50百分位人体模型损伤风险低，Hybrid Ⅲ假人的颈部和胸部损伤风险要比中国50百分位人体模型的损伤风险高。

4 结论

(1)正面碰撞中Hybrid Ⅲ 50百分位假人和GHBMC 50百分位人体模型的损伤风险具有一定差异，Hybrid Ⅲ 50百分位假人的颈部、胸部和大腿损伤风险要更大。

(2)正面碰撞中Hybrid Ⅲ 50百分位假人和GHBMC 50百分位人体模型都与中国50百分位人体的损伤风险具有一定差异。与Hybrid Ⅲ 50百分位假人相比，中国50百分位人体的颈部和胸部损伤风险要更小，大腿损伤风险比较接近。与GHBMC 50百分位人体模型相比，中国50百分位人体的大腿损伤风险更高，而GHBMC 50百分位人体模型能较好地反映中国50百分位人体颈部和胸部的损伤风险。由此可见，通过Hybrid Ⅲ 50百分位假人模型或GHBMC 50百分位人体模型评价基于保护中国人体而设计的约束系统具有很大局限性，同理，按照Hybrid Ⅲ 50百分位假人模型或GHBMC 50百分位人体模型进行优化的约束系统也都无法给中国50百分位人体提供最优保护。

(3)在进行不同体型的乘员模型的损伤响应对比分析时，相比传统评价方式，损伤风险曲线更能体现不同模型之间损伤的差异性，更能直观地展现人体损伤风险情况。