正碰下6 岁儿童乘员的胸部运动学方程与损伤风险分析

叶 凡，王丙雨，韩 勇，叶赛峰，余 意

（厦门理工学院 机械与汽车工程学院，厦门 361024，中国）

根据世界卫生组织数据显示，中国大陆每年死于交通事故的儿童数量超过1.85 万人，而这其中儿童安全座椅的低使用率则成为了儿童交通伤害的主要因素[1]。相关调查报告显示：中国大陆儿童安全座椅（child restraint system，CRS）拥有率最高的2 个城市深圳与上海，拥有率分别达到80%和64%，但正确使用率却只有37%和25%[2-4]，可见中国公民对于儿童的乘车安全不够重视，因此，中国在儿童乘员保护这方面还有很长的路要走。

2016 美国交通事故类型的统计分析数据表明：近几年来乘用车发生正面碰撞事故类型占比最高，达到61%[5]。世界卫生组织研究表明：所有汽车碰撞事故中，正面碰撞导致儿童死亡的事故占比为34%[6-7]。相关调查显示[8]：在造成4～9 岁儿童非故意死亡的因素中，道路交通事故居于首位。K.B.Arbogast 等人[9]调查了2 万名16 岁以下儿童在交通事故中的伤亡情况，发现4～8 岁的儿童胸部损伤风险最高且分别是0～3 岁和9～15 岁儿童受伤几率的24.5 倍和2.6 倍。故研究4～8岁儿童胸部的损伤机理对提高儿童约束系统的防护性能和保障儿童乘员安全都具有极其重要的研究意义。

胸部加速度作为评判儿童乘员的损伤重要指标之一，有必要对正面碰撞工况下假人胸部的受力状况进行受力分析，分析影响胸部加速度大小的主要因素，从而提出改进措施。过去的研究人员对成年女性胸部受力状况进行了分析，并构建了胸部运动学方程，得出胸部加速度与外力、内力之间有相关性的结论[10]。之后，韩勇等人[11]对3 岁儿童乘员在五点式安全带CRS 约束下胸部加速度与胸部内外力的关系展开了研究。

由于3 岁与6 岁儿童乘员的约束方式不同，会导致二者在发生碰撞时所承受的肩带力有所不同。韩勇等人[11]的结果直接用于6 岁儿童乘员不一定合理。且长沙理工大学武和全等人[12]对正面碰撞中胸部响应的研究中，得出不同碰撞高度对胸部最大压缩量和最大黏性指数（viscous criterion，VC）有不同程度的影响。儿童身体尚在发育阶段，胸廓相对成人比较柔软，受到冲击时，肋骨不容易骨折，但对胸部压缩量较大，容易压迫内脏从而造成损伤并伴有较高的死亡率。韩勇等人[13]进行的西藏小猪正面碰撞台车试验表明：小猪肋骨未发生骨折，但其脏器受到了严重损伤。因此，仅用胸部肋骨是否发生骨折作为儿童胸部损伤的评价指标不一定合适。在评价某CRS 的防护效果时，除了对胸部运动学指标进行评估之外还需要对其内脏的损伤状况进行评估，本文将采用THUMS 6YO人体有限元模型的为研究其损伤提供了可行性，从而研究正面碰撞过程中某CRS 对儿童胸部脏器的防护效果。

本文将以正面碰撞工况下6 岁儿童乘员胸部损伤风险为研究对象，选取某款CRS，利用Hybrid III 6YO 假人模型得到儿童假人的损伤评价参数，建立6岁儿童胸部动力学方程，分析6 岁儿童乘员胸部受力情况，研究其造成胸部损伤的主要因素。采用THUMS 6YO 人体有限元模型分析儿童胸部各脏器的损伤风险。

1 儿童约束系统仿真模型的建立与验证

1.1 正面碰撞台车-儿童约束系统有限元模型搭建

基于欧洲法规ECE R129 试验，建立CRS 台车试验有限元模型，主要由台车模型、CRS 模型、Hybrid III 6YO 假人模型以及THUMS 6YO 人体有限元模型3 部分组成。试验台车模型车身长2 616 mm，宽910 mm，高300 mm，材料采用Q235 碳素结构钢。试验座椅由座椅台架和试验坐垫2 部分组成，座椅台架有限元模型尺寸参考欧洲经济委员会（Economic Commission of Europe，ECE）座椅尺寸进行建模，材料同样使用Q235 钢。座垫与靠垫均为六面体实体单元，材料为泡沫材料。

圆形薄壁吸能管有限元模型由壳体单元组成，吸能管的材料设置为铝。套筒与刚性墙的有限元模型的材料均为刚体。整个台车模型网格总数为48 733，节点数为54 007，并通过建立质量点来调整台车的总质量。研究过程中台车以50 km/h 匀速撞击固定壁障，利用吸能或缓冲装置产生减速度。试验过程中采用不同组合的圆形薄壁吸能管来实现法规通道要求的台车碰撞试验波形，来模拟实验室滑台试验系统中的冲管吸能型减速滑车。

采用某款适合6 岁以上儿童使用的增高垫有靠背型安全座椅，并通过ISOFIX 与车体刚性连接，座椅采用单元大小为8 mm 进行网格划分，并根据实际尺寸赋予相应的厚度，有限元模型如图1 所示。

图1 儿童座椅有限元模型

CRS 有限元模型质量为7 kg，网格总数为286 695，节点总数为152 875。儿童假人有限元模型采用Hybrid III 6YO 假人模型，THUMS 6YO 人体有限元模型是由丰田公司开发的第4 代学术版人体有限元模型。CRS 台车碰撞有限元仿真模型如图2 所示。

图2 儿童约束系统完整正面碰撞台车有限元模型

假人和人体模型的生物仿真度都通过儿童尸体胸部摆锤冲击试验验证了有限元模型的有效性[14-15]。

1.2 正面碰撞台车加速度曲线的拟合

仿真过程中台车以50 km/h 的初速度碰撞圆形薄壁吸能管。通过组合不同长度、壁厚及数量的圆形薄壁吸能管能够模拟出符合ECE R44/04 要求的正面碰撞加速度波形通道[16-17]。本文参考此类方法建立了同种材料参数的吸能管有限元模型，吸能管组合参数如表1 所示。当台车质量调整为710 kg 时，能够拟合出满足法规加速区间要求的台车加速度曲线，如图3 所示。吸能管的组合方式和编号如图4 所示。

图3 台车拟合的加速度曲线

图4 吸能管组合形式和编号

表1 吸能管模型的组合参数

1.3 碰撞仿真模型有效性验证

根据ECE R44 的测试要求，对以上某款儿童安全座椅进行仿真测试时，台车的加速度曲线需处于法规要求的通道之内。本文使用该款座椅搭载Hybrid III 6YO 假人模型进行正面碰撞，并使用三点式安全带对假人进行约束，如图5 所示。

图5 仿真测试模型

仿真和试验的胸部与盆骨合成加速度曲线如图6、7 所示。

只是后来我上学三年后，分配在承德市工作落户。一段时间里，生活亦为艰辛，而当初插队的那县又划离了承德，所以渐渐联系就少了。但我也知道，于叔他们一家与回到天津的我那同学来往密切，桂霞姐的两个孩子都去了天津创业，并落户津门。而我却没能帮助做些什么，心中便惭愧，越惭愧则越不敢联系。到后来，听说于叔不在了，又过些年，于婶也没了，我暗自哭了一场，清明烧了些纸，却仍不能释去内心的愧疚……

图6、7中，试验与仿真的加速度曲线趋势基本一致。加速度的波峰和波谷出现的时刻也较为一致。由此验证了所建立的CRS 正面碰撞有限元模型的有效性，可以用于后续儿童乘员胸部运动学方程建立与损伤风险分析的研究。

图6 胸部合成加速度

图7 骨盆合成加速度

2 儿童乘员胸部动力学方程建立

Hybrid III 6YO 假人胸部由胸椎和覆盖有胸部短上衣的胸腔组成，胸椎由钢制的脊骨箱组成，其上安装颈部、锁骨、肋骨和腰椎[18]。基于前人的研究成果[11]，总结得出儿童胸部除了要承受安全带(seatbelt)肩带力以及下颚(chin)接触力与胸部(chest)接触力这些外力，还要承受下颈部(neck)、肋骨(rib)、约束路径处肩关节(shoulder)和腰椎(lumbar)所产生的内力，如图8 所示。

图8 Hybrid III 6YO 假人模型胸部所受的内外力

若质量为m，加速度为a，水平向右为正方向，水平向左为负方向；假人胸部压缩量为D，用Fax表示产生胸部加速度的力，FDx表示产生胸部压缩量的力，Fx表示产生X向各部分力的合力，在正面碰撞过程中，假人正常姿态下，则通常有：

式中：m取Hybrid III 6YO 假人模型胸部（广义的胸部，含颈部）质量，即m=7.61 kg+1.02 kg=8.63 kg；K为Hybrid III 假人胸部刚度系数，取250 kN/m[19]。作用于假人胸部的运动学方程为

X方向各部分力变化的曲线图如图9 所示。

图9 作用于Hybrid III 6YO 假人模型X 方向上的内外力与胸部惯性力

从图9 可知：胸部受力主要分布于35～120 ms，产生胸部X向合力的外力主要是安全带肩带力和儿童下颚与胸部的接触力，且肩带力对胸部的影响较大，下颚接触力影响较小可以忽略；内力主要是儿童颈部力的作用力，其方向与合力方向相反，其他各部分内力影响较小，可以忽略不计。综合分析各部分力的大小，能够得出安全带肩带力是影响胸部变形量与胸部加速度大小的主要因素。

3 碰撞仿真结果与损伤风险分析

3.1 不同儿童乘员模型运动学和损伤差异性分析

图10 为Hybrid III 6YO 假人模型和THUMS 6YO人体有限元模型在该款CRS 仿真过程中不同时刻的儿童成员运动学响应。

从图10 中可知：由于THUMS 儿童乘员模型的颈部偏软，而Hybrid III 假人模型的颈部偏硬，导致仿真过程中THUMS 模型的头部转动量比Hybrid III 模型大，在75ms 之后整个面部下方区域与胸部持续接触，而Hybrid III 模型只是下颚与胸部接触；整个碰撞仿真过程中Hybrid III 与THUMS儿童乘员模型的身体均未发生下潜现象，安全带肩带未发生滑动始终保持在合理的位置。

图10 2 种模型的运动响应对比

图11 为Hybrid III 6YO 与 THUMS 6YO 胸部合成加速度与胸部压缩量对比。

从图11a 可知：THUMS 6YO 人体有限元模型与Hybrid III 6YO 假人模型的胸部加速度总体趋势与峰值接近，如图11a 所示，但THUMS 6YO 人体有限元模型峰值稍微滞后，由于模型结构的柔软性，受动能变化的影响不如Hybrid III 6YO 假人模型，同样的，由于假人与胸部的接触，胸部加速度出现了第2 次峰值。

从图11b 可知：THUMS 6YO人体有限元模型的胸部压缩量峰值远大于Hybrid Ⅲ 6YO 假人模型，且曲线较为平滑。THUMS 6YO人体有限元模型最大胸部压缩量为25.0 mm，有可能造成胸部AIS ≥3 的损伤风险[20]。而Hybrid Ⅲ假人模型的最大胸部压缩量仅为13.8 mm，由于Hybrid Ⅲ假人为机械假人，其胸部材料较硬，生物逼真度低于THUMS 模型所造成的。在110 ms 时刻以后，胸部压缩量曲线由于假人下颚与胸部的接触出现了第2 次波峰。通过对比分析2 款儿童乘员模型的胸部压缩量，发现Hybrid Ⅲ假人的胸部模型材料较硬，不适合用其胸部压缩量来表征儿童胸部损伤。

图11 2 种模型胸部合成加速度与胸部压缩量对比

图12 为Hybrid III 6YO 假人模型与THUMS 6YO人体有限元模型在正面碰撞过程中胸部的VC 曲线，VC 为黏性准则（viscous criterion）。从图12 可知：2 条曲线的波动频率差异明显，峰值出现的时间出现了较大的差异，这是由于THUMS 模型的材料较为柔软导致的。Hybrid III 6YO 假人模型与THUMS 6YO 人体有限元模型胸部的VC 最大值分别为0.12 m/s 和0.10 m/s，均远小于ECE R44 中的损伤评估参考值（injury assessment reference value，IARV）的阈值1 m/s，对儿童胸部器官软组织造成的损伤风险极低。

图12 2 种模型胸部黏性准则VC 值对比

3.2 儿童胸部主要器官损伤分析

通过对儿童乘员胸部损伤曲线的分析，得出儿童乘员胸部使用该约束系统时均可能造成不同程度的损伤风险，但无法判断胸部器官具体的损伤情况。本文将利用THUMS 人体有限元模型对儿童胸部肋骨、心脏以及肺部器官的应变进行分析，从而来研究正面碰撞工况下6 岁儿童使用该CRS 时的胸部主要器官的损伤状况。

图13a 是在该儿童安全座椅CRS下儿童乘员胸部肋骨的第一主应变云图。由图可知：靠近胸腔左上方和右下侧的肋骨挤压变形比较严重，导致这一结果的原因是三点式安全带肩带的约束路径是由左肩到右边胸部，且儿童乘员的肋骨最大主应变达到了3.9%。LYU Wenle 等人[21]在前人研究的基础上对成人肋骨密质骨进行合理比例缩放，从而得出儿童肋骨骨折的极限应变范围为3.6%～4.5%，儿童乘员的肋骨应变值达到了参考极限应变值，有一定的肋骨损伤风险。

图13b 中儿童乘员心脏的最大主应变达到了65.6%，心脏位于胸腔左下方，在安全带肩带外力的作用下胸椎和肋骨会发生变形对心脏造成挤压导致应力集中，H.Yamada 等人[22]通过大量的人类心肌组织测试数据中获取了0～9 岁儿童胸部心肌组织的极限拉伸应变，应变值范围在53.0%～69.8%之间，并且得出第一主应变达到30%时，胸部的心肌组织便开始出现损伤。说明儿童乘员在该CRS 约束条件下，心脏在碰撞过程中会出现挫伤现象。

图13c 中肺部的最大主应变达到了87.9%。肺部周围由肋骨包裹，肋骨的挤压变形会直接导致肺部的应力集中，F.S.Gayzik 等人[23]利用试验和仿真相结合的方法对肺部的损伤进行研究，得出能够通过观察肺部的第一主应变值的大小预测出肺部的显影损伤，归纳总结测试数据发现肺部有限元模型的应变达到35%时肺部软组织会出现损伤的结论，儿童乘员的肺部第一主应变值远远超过了乘员肺部损伤耐限值，因此，儿童乘员肺部软组织发生损伤风险极高。

图13 肋骨、心脏和肺部等软组织器官第一主应变云图

该CRS 约束系统下Hybrid III 6YO 假人模型与THUMS 6YO人体有限元模型的胸部（3 ms）合成加速度a、胸部最大压缩量D、胸部黏性准则VCmax以及胸部软组织器官肋骨、心脏和肺部的第一主应变ε这6项典型伤害值如表2 所示。

表2 不同模型各项伤害值

损伤评估参考值IARV 根据不同的标准确定，具体为胸部3 ms 合成加速度、胸部粘性准则VCmax值根据Euro-NCAP 确定。胸部压缩量由FMVSS 208 确定为40 mm。肋骨、心脏、肺部的第一主应变范围基于LYU Wenle 等人[21]、H.Yamada 等人[22]、F.S.Gayzik 等人[23]的研究分别确定为3.6%～4.5%、30.0%、35.0%。

表2 中的胸部加速度a、胸部黏性准则VCmax与胸部压缩量D均在IARV 参考值范围内；而儿童乘员胸部内脏组织器官的应变值除肋骨外均超出了损伤阈值。

从受力分析可知：安全带肩带力是影响儿童乘员胸部损伤的主要因素，肩带力的大小直接影响胸部加速度及胸部压缩量的取值；因此可以通过安全带导向钩位置、安全带与儿童间的摩擦因数以及安全带的刚度系数这3 方面的调节，来得到更合理的安全带设计参数，降低儿乘员的胸部损伤风险。

4 结论

本文基于ECE R129 法规要求建立了正面碰撞台车模型，分析某款增高垫型儿童安全座椅CRS 约束下6岁儿童乘员（Hybrid III 6YO 假人模型与THUMS 6YO人体有限元模型）在正面碰撞过程中的真实动态响应以及胸部的损伤风险，并建立了胸部运动力学方程，分析了胸部主要器官的应变状况，得出以下结论：

1）损伤分析表明，THUMS 6YO人体有限元模型在肋骨未发生骨折时，但胸部脏器有较高的损伤风险；因此在研究CRS 的防护效果时，使用THUMS 人体模型相比 Hybrid III 假人在评估人体损伤方面更加全面，精度更高，能够最大限度地反映儿童成员碰撞过程地真实情况。

2）胸部受力的主要阶段分布于35～120 ms，产生胸部X向合力的外力主要是安全带肩带力和儿童下颚与胸部的接触力，且肩带力对胸部的影响较大，接触力影响较小几乎可以忽略；内力主要是儿童颈部力的作用且与合力方向相反，其他各部分内力影响较小，几乎可以忽略不计。

3）在该儿童约束系统中假人在运动过程中均未出现下潜现象，降低了腹部的损伤风险；假人的各项胸部损伤指标方面，该CRS 约束下假人的胸部加速度及胸部黏性准则均在合理的参考阈值范围内；而THUMS 6YO人体有限元模型胸部内脏组织器官所受的应变均超出了损伤阈值，会造成一定的损伤风险。