中国体征3岁儿童乘员损伤仿生模型在C-NCAP正面碰撞测试仿真中的应用*

李海岩，苏航杰，祝 贺，刘 冲，王彦鑫，崔世海，贺丽娟，王一达，吕文乐

（1.天津科技大学，现代汽车安全技术国际联合研究中心，天津 300222；2.吉利汽车研究院（宁波）有限公司，宁波 315336）

前言

根据世界卫生组织最新统计报告，全球5岁以下儿童的死亡率大幅上升，我国5岁以下儿童死亡率为9.9%，是欧洲平均水平的3倍、美国的1.5倍，其中道路交通伤害是我国1-14岁未成年人死亡的第二大主因［1］。另据NHTSA数据统计，美国近5年乘用车正面碰撞事故占事故总数的50%以上［2］。世卫组织通过分析儿童乘员在道路交通中的伤亡情况，发现在有儿童参与并出现死亡的交通事故中，正面碰撞事故约为34%［3］。因此，开展道路交通事故中儿童安全性研究以减少伤亡是十分必要的。

中国新车评价规程C-NCAP（2021版）基于中国道路交通事故、国际前沿汽车试验技术等一系列研究，在原有碰撞试验的基础上，提高了试验难度和儿童乘员保护要求：在正面100%重叠刚性壁障碰撞试验中将后排Q3儿童假人的损伤评价指标作为儿童保护部分的评分依据，填补了我国儿童乘员保护的空白；使用正面50%重叠移动渐进变形壁障碰撞试验替代正面40%重叠可变形壁障碰撞试验，通过碰撞兼容性考核推动大车小车和谐一体的交通环境［4］。C-NCAP等法规标准的更新迭代，旨在提升汽车的安全性能，为道路交通参与者提供更好的安全保护。

人体损伤生物力学作为汽车安全研究的重要分支，在推动汽车安全性能提升方面起着十分重要的作用。随着公共安全意识的提升，汽车主机厂和消费者高度关注整车的安全性能，研究人员就如何更好地保护车内乘员并提高整车安全性能做了大量深入研究。在整车安全性测试试验中往往会采用尸体和动物试验、碰撞假人、计算机有限元仿真等方法对人体的损伤机理进行研究［5-6］。但由于伦理原因，尸体与动物试验受到人权组织和动物保护协会抵制而被限制，现阶段人体损伤生物力学的研究大多采用碰撞假人和人体有限元模型进行仿真计算。碰撞假人有限元模型，如HybridⅢ系列假人、THOR假人、Q系列儿童假人等，在汽车碰撞安全开发设计中得到广泛应用，但相对于人体复杂的组织结构特征而言，假人模型无法准确模拟人体的绝大部分器官，生物仿真度须进一步提高，因此其在研究人体损伤机理方面有一定的局限性。随着计算机仿真技术的发展，人体有限元模型成为整车研发和人体损伤机理研究的重要工具。日本丰田汽车公司［7］开发了Total Human Model for Safety（THUMS）家族系列有限元模型，包括3岁、6岁、10岁儿童和5th、50th、95th成人有限元模型。全球人体模型联盟（the global human body models consortium，GHBMC）开发了男性、女性和6岁儿童的行人及乘员模型。天津科技大学现代汽车安全技术国际联合研究中心李海岩团队［8-10］基于医学影像获取几何数据构建了具有中国人体特征的高仿真度人体有限元模型——图斯特损伤仿生模型（TUST injury bionic models，TUST IBMs），包括小身材女性模型（TUST IBMs F05）、3岁儿童模型（TUST IBMs 3YO）、6岁儿童模型（TUST IBMs 6YO）。此外，美国Sandia国家重点实验室、福特汽车公司、密歇根大学、清华大学和湖南大学等也都在致力于开发生物力学人体有限元模型。

基于上述研究成果，本文应用图斯特3岁儿童乘员损伤仿生模型（TUST IBMs 3YO-O），基于CNCAP（2021版）乘员保护动态试验，搭建正面100%重叠刚性壁障（FRB）碰撞和正面50%重叠移动渐进变形壁障（MPDB）碰撞仿真试验模型，对TUST IBMs 3YO-O模型在正面碰撞工况中的损伤响应进行研究分析，为C-NCAP等法规中关于儿童乘员的保护和损伤评估提供理论依据，也为数字化测评技术研发提供基础数据。

1 试验方法

应用天津科技大学现代汽车安全技术国际联合研究中心开发的图斯特3岁儿童乘员损伤仿生模型（TUST IBMs 3YO-O），该模型基于一位中国3岁儿童志愿者医学检测CT数据，精准获取人体组织器官的几何信息，采用有限元网格表征人体各部分，如全身骨骼、大脑、心脏、肝、脾、肺、肾、韧带、肌肉、皮肤等组织器官特征，准确再现体内器官及其连接结构的布局，采用不同的力学本构关系定义不同部位的材料属性，先后构建了头部、颈部、胸腹部以及四肢等具有详细解剖学结构的有限元模型，并经过有效性验证［11-15］，通过共节点连接得到整人有限元模型，参考人体坐姿躯干角度，完成3岁儿童乘员有限元模型的构建。该模型身高101.6 cm，坐高58 cm，体质量15.8 kg，以六面体单元为主，共58.8万个节点，73.2万个单元，包含中国3岁儿童人体的主要组织结构特征，如图1所示。

图1 图斯特3岁儿童乘员损伤仿生模型

本研究采用的整车有限元模型来自美国国家碰撞分析中心NCAC汽车模型数据库，该整车模型通过重构NCAP第3248号刚性壁障正碰试验验证了模型的有效性。为减少模型计算量，提高仿真效率，对整车模型中不参与乘员碰撞的部分进行了简化。在Hypermesh前处理软件中，将与人体碰撞无关的部件删除，并施加集中质量代替删除部分，以确保简化后的模型与原模型质量一致，最终得到与乘员碰撞有关的车身结构包括车门框架、底盘、A柱、前后座椅等，并在Pam-Crash中建立相应的属性、材料以及part间的联系。仿真中采用的儿童约束系统是基于国内某款儿童安全座椅的几何参数逆向建模构建的有限元模型，并进行了有效性验证，该儿童约束系统模型分为壳体、泡沫和安全带3部分。其中，壳体采用六面体单元建模，材料类型为弹塑性材料；泡沫采用六面体单元建模，材料类型为聚氨酯泡沫，弹性模量E为0.1 MPa，密度ρ为43 kg/m3，泊松比μ为0.3；安全带采用四面体单元建模，使五点式安全带肩带、腰带和胯带尽可能贴身约束儿童乘员，并通过设置面面接触来模拟运动过程中力的传递。

按照C-NCAP（2021版）测试规程［5］进行仿真，在正面100%重叠刚性壁障碰撞仿真中，将儿童约束系统和TUST IBMs 3YO-O模型正向放置在后排座椅右侧，简称FRB（见图2（a）），对整车模型施加整车正面100%重叠刚性壁障（FRB）碰撞试验加速度波形（见图3（a））。在正面50%重叠移动渐进变形壁障（MPDB）仿真中，将儿童约束系统和TUST IBMs 3YO-O模型正向放置在后排座椅左、右两侧处，即MPDB后排右侧和MPDB后排左侧（见图2（b）），对整车模型施加整车正面50%重叠移动渐进变形壁障（MPDB）碰撞试验加速度波形包含线性加速度与旋转角加速度（见图3（b）和图3（c））。在FRB、MPDB后排右侧和MPDB后排左侧3组仿真中，整车初速度均为50 km/h，处于9.81 m/s2的重力场中，使用五点式安全带约束TUST IBMs 3YO-O。

图2 仿真设置

图3 整车加速度波形

2 试验结果

2.1 运动学响应

图4为不同工况仿真中TUST IBMs 3YO-O模型在不同时刻的运动学响应。在FRB碰撞中，儿童乘员相对于座椅向前滑动，当胸腹部在五点式安全带的约束下停止运动时，头部会在惯性的作用下继续向前转动，在77 ms下颌与胸部接触直至运动到最大变形处时，头部开始回弹。在MPDB碰撞试验中，后排左侧和右侧的运动响应大致相同。由于车辆在偏置碰撞中会相对碰撞点发生偏转，此时车内儿童乘员会同时受到纵向减速度和横向加速度的作用，在碰撞初期由于惯性的作用儿童乘员相对座椅向前运动，直至受到安全带腰带和肩带的约束作用，儿童乘员的躯干和骨盆处的前向位移受到限制，仅有头部继续向前运动，在76 ms时乘员头部前向位移达到最大值。从44 ms开始，在横向载荷的作用下，儿童乘员开始出现明显的横向运动并向左侧车门处移动。但由于后排右侧的位置离碰撞中心较远，故其运动幅度比后排左侧稍大。

图4 3种工况仿真中TUST IBMs 3YO-O模型运动学响应

图5为不同工况仿真中TUST IBMs 3YO-O模型头部运动学响应。在FRB碰撞中，当儿童乘员胸腹部在五点式安全带的约束下停止前向运动时，头部会在惯性的作用下继续向前转动，在80 ms时达到加速度峰值53g。在MPDB碰撞中，后排座椅两侧曲线的走势和波峰具有相似性，在碰撞初期时刻，儿童乘员由于惯性作用相对于座椅向前滑动，当儿童乘员胸腹部在安全带的约束作用下停止前向运动时，头部会在惯性的作用下继续向前转动，在横向载荷作用下与右侧胸腹部接触后反弹，但后排右侧和左侧分别在72、73 ms时达到加速度峰值82g、80g。

图5 头部运动学响应

头部损伤指标（head injury criterion，HIC）作为评价头部损伤的重要标准被各国安全法规和评估机构广泛采用［16］，其表达式为

式中：a为头部质心合成加速度；t2-t1表示HIC取得最大值时的时间间隔，当取的最大时间间隔为15 ms时，即为HIC15。

头部旋转损伤指标（brain injury criteria，BrIC）是通过头部质心的角速度来表示因头部旋转造成的损伤值［17］。在BrIC中，设头部质心的角速度为ωx、ωy、ω（zrad/s），其表达式为

式中ωxC、ωyC、ωzC为标准角速度，基于和脑的主应变的相关性，分别为66.3、53.8、41.5 rad/s。从分析角速度对脑组织损伤的影响角度来看，BrIC与有限元模型中脑的累计应变损伤值（CSDM）以及最大主应变具有很高的相关性，根据BrIC可预测脑组织发生AIS 4级损伤的概率，即

基于式（1）～式（3）可得，3组仿真中TUST IBMs 3YO-O模型的HIC15分别为257、691、677，BrIC分别为1.19、1.97、1.77，发生AIS 4级脑损伤的概率分别为62%、98.2%、95%。

图6为不同工况仿真中TUST IBMs 3YO-O模型颈部张力随时间的变化曲线。在FRB、MPDB后排右侧和MPDB后排左侧3组仿真中，儿童乘员胸腹部在安全带的作用下停止运动时，头部在惯性力作用下继续向前转动，直到头部下颌部位和胸部发生挤压并达到最大变形位置时，颈部达到最大弯曲角度后头部开始回弹，颈部最大张力分别在57、47、48 ms达到峰值435、331、314 N。

图6 颈部张力随时间的变化曲线

图7为不同工况仿真中TUST IBMs 3YO-O模型胸部运动学响应。由图可知，在安全带的约束作用下，FRB、MPDB后排右侧和MPDB后排左侧3组仿真中TUST IBMs 3YO-O模型的胸部合成加速度分别在41、38、39 ms时刻达到峰值58g、54g、58g，胸部最大变形量分别为29、30、29 mm，最大压缩比分别为23.3%、23.5%、23.3%。当胸部合成加速度达到峰值时，安全带接触力也接近于第一峰值。

图7 胸部运动学响应

2.2 生物力学响应

图8为不同工况仿真中TUST IBMs 3YO-O模型头部生物力学响应。在FRB碰撞中，脑组织最大Von Mises应力为5 kPa，最大剪切应力为6.0 kPa，脑组织最大主应变MPS为0.34，均于82 ms时出现在灰质底部中间部位处，造成脑震荡等轻度脑损伤（mTBI）。脑组织最大颅内压为184 kPa，在头部旋转过程80 ms时出现在前额两侧部位，可能造成轻微脑震荡；在MPDB后排右侧碰撞中，82 ms时脑组织最大Von Mises应力为8 kPa、最大剪切应力为8.8 kPa、脑组织最大主应变MPS为0.41，均出现在大脑灰质底部靠近小脑处，存在轻度脑损伤风险；而在MPDB后排左侧碰撞中，脑组织最大Von Mises应力为7 kPa，最大剪切应力为8.2 kPa，出现在75 ms时。最大主应变MPS为0.42，发生在84 ms时。此外，在MPDB后排右侧和MPDB后排左侧碰撞试验中，脑组织分别于100、109 ms时，在大脑前端和两侧出现分别为374、277 kPa的最大颅内压力，造成重度脑损伤。

图8 头部生物力学响应

研究表明儿童胸廓柔软，肋骨不易骨折，因此目前的应力变化不能预测3岁儿童是否会发生肋骨骨折损伤，但可以定性分析不同工况中儿童乘员肋骨的受力情况。而心肺组织相较于其他器官组织而言较柔软，在汽车碰撞过程中，胸骨易受外界压迫向内挤压心肺，进而导致损伤。图9为不同工况仿真中TUST IBMs 3YO-O模型胸部生物力学响应参数。由图可知，在FRB碰撞中，肋骨最大Von Mises应力为1.1 MPa，出现时刻为99 ms；肺部最大主应变为0.17，出现时刻为91 ms；心脏最大主应变为0.11，出现时刻为103 ms。在MPDB后排右侧和左侧碰撞试验中，肋骨最大Von Mises应力分别为1.9、1.9 MPa，出现时刻分别为77、75 ms，由于儿童乘员向左侧车门方向偏移，在肩带的作用下肋骨应力均集中在第一肋骨处，易出现骨折；肺部最大主应变分别为0.29、0.28，出现时刻分别为93、91 ms，右肺可能出现挫伤；心脏最大主应变分别为0.10、0.09，出现时刻分别为92、105 ms。

图9 胸部生物力学响应

3 讨论与分析

表1为对标C-NCAP（2021版）乘员保护正面碰撞测试的3组仿真运动学参数。由表可见，MPDB碰撞中TUST IBM 3YO-O同时受到纵向载荷和横向载荷的作用，其在后排左、右两侧位置处的HIC15与头部累积3 ms合成加速度均超出高性能限值；3组仿真中，TUST IBMs 3YO-O模型颈部张力均未超出高性能限值，但在其向前滑动过程中，由于胸部与安全带接触力较大，导致胸部累积3 ms合成加速度均超出高性能限值。由此可知，3岁儿童乘员在MPDB碰撞测试工况中可能遭受更严重的损伤。

表1 对标C-NCAP（2021版）正面碰撞乘员保护试验的TUST IBMs 3YO-O模型响应参数

在FRB碰撞中，TUST IBMs 3YO-O模型的运动学响应参数均未超出限值，但分析组织器官的生物力学响应可发现，当儿童胸腹部在安全带的约束下停止前向运动时，头部会在惯性的作用下继续向前转动而下颌与胸部接触后回弹。整个运动过程中，脑组织的旋转运动造成轻微脑震荡。在MPDB碰撞中，儿童乘员出现明显横向运动，产生的角速度和角加速度对其头部损伤的影响较大，因此BrIC值偏高，发生AIS 4级脑损伤概率高于90%，且头部下颌与右侧胸部接触使运动学响应和生物力学响应峰值较大，造成轻微脑震荡、肋骨骨折、肺部挫伤等损伤。在MPDB碰撞仿真中，儿童乘员乘坐于左右两侧的响应差异并不大，由于后排右侧位置距离碰撞中心点较远，运动幅度更大，所产生的响应整体稍大于后排左侧。

3组仿真结果分析可以发现，尽管运动学评价参数未超出限值，但组织器官的生物力学参数已超出损伤阈值。这是由于人体的生理结构非常复杂，不同的组织器官其力学属性不同，因此在碰撞中经历的运动历程也不同，损伤也就不同。例如脑组织和颅骨的力学属性不同，在运动中其惯性力不同，当发生碰撞时其表现出不同的运动状态，这也是仿真中看到的HIC15等运动学参数未超出限值，而脑组织的生物力学参数已超出损伤阈值。因此，未来乘员保护评价应结合人体的生理结构特征综合评价运动学响应和生物力学响应。

目前基于人体计算模型的运动学参数和生物力学参数评价都采用物理假人的评价参数及限值，或来自于参考文献中有限的尸体试验数据，因此，基于生物力学计算模型的损伤评价参数及评价方法应给予更多的研究和关注，这将有利于计算模型的推广应用，充分发挥人体生物力学计算模型高生物仿真度和高利用率的优势，以降低企业的研发成本。

4 结论

应用现代汽车安全技术国际联合研究中心开发的TUST IBMs 3YO-O模型，对标C-NCAP（2021版）正面碰撞测试试验，研究3岁儿童乘员在碰撞中的运动学响应和生物力学响应，得出以下结论。

（1）在正面100%重叠刚性壁障（FRB）碰撞中，C-NCAP关注的运动学响应参数均未超出损伤限值，但分析组织器官的生物力学响应参数发现，当儿童胸腹部在安全带的约束下停止前向运动时，头部会在惯性的作用下继续向前转动，而其下颌与胸部接触，脑组织在此过程中会发生轻度脑震荡。

（2）在正面50%重叠移动渐进变形壁障（MPDB）碰撞中，儿童乘员在纵向减速度和横向加速度的共同作用下，出现明显横向运动，头部下颌与右侧胸部接触，运动学参数和生物力学参数峰值大多超出阈值，会出现脑损伤、肋骨骨折、肺部挫伤等损伤。儿童乘员乘坐于后排右侧位置时，由于距离碰撞点位置较远，导致其相对运动幅度更大，所产生的响应参数整体略大于乘坐于后排左侧。整体而言，3岁儿童在MPDB碰撞中的损伤程度要高于FRB碰撞。由于MPDB测试工况代表更多的交通事故碰撞类型，因此儿童乘员保护设计应给予更多的考虑。

（3）应用具有高生物仿真度的儿童人体生物力学计算模型进行C-NCAP碰撞仿真，通过提取脑组织和胸部内脏器官的生物力学响应参数，再结合运动学响应能更真实、全面地反映儿童乘员在汽车碰撞中的伤害特征，进一步预测人体重要器官的损伤情况，以弥补C-NCAP生物力学评价指标的不足。

本研究可为儿童乘员保护措施的研发提供基础的参考数据，同时应用生物力学计算模型进行儿童乘员安全保护设计也可有效降低企业的研发成本，也将为C-NCAP等法规中关于儿童乘员的保护和损伤评估提供理论依据，为数字测评技术的开发提供基础数据。