中国体征第五百分位女性汽车乘员损伤仿生模型开发及验证*

李海岩，胡 静，贺丽娟，冉令华，吕文乐，崔世海，阮世捷

（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.中国标准化研究院，北京 100191）

前言

汽车安全技术的进步对减少机动车事故中乘员伤亡起到了显著效果，但世界卫生组织统计报告指出，全球每年仍然有大约135 万人在交通事故中丧生，有20万～50万人遭受非致命伤害，如何降低交通事故中伤亡人数仍是重要的课题［1］。有研究使用NASS-CDS（national automotive sampling systemcrashworthiness data system）（1998-2015）数据对汽车正面碰撞中乘员损伤分布和损伤风险进行详细分析，发现女性遭受AIS 2+和AIS 3+的风险高于男性［2］。在低速碰撞下，女性汽车乘员受到挥鞭伤的风险也是男性乘员的两倍［3］。由于身材较小，第五百分位女性汽车乘员在碰撞发生时易发生下潜，较大的腰带力侵入腹部导致损伤，约束系统对其损伤防护效果也低于对第五十百分位男性乘员的保护［4］。因此对小身材女性乘员的安全防护研究应给予更多的关注。

为增强对女性乘员的保护，各国汽车安全法规和新车评价规程都引入第五百分位女性碰撞损伤评价。Humanetics 公司［5］开发了小身材女性人体测量测试设备（anthropometric test devices，ATDs）Hybrid III 5th假人，被广泛应用于碰撞安全性能测试评价试验中。THOR-5F 作为新近开发的女性假人在生物仿真度方面有很大提高［6］，随着Euro NCAP 于2020年开始采用THOR-50M 男性假人进行MPDB 碰撞试验［7］，未来THOR-5F 也将代替Hybrid III 5th女性假人应用于各国新车评价规程中对乘员保护测试评价。但是ATDs针对特定碰撞方向开发，因此重现人体运动学能力方面受到一定的限制，无法有效地评估人体碰撞响应和与损伤相关的局部物理变量，如定量预测与评估复杂的胸部变形和骨折模式［8］，因此以有限元理论为基础的数值计算模型被开发用于研究人体碰撞损伤机理。

目前国外针对欧美人体测量尺寸已经开发出几个版本的五百分位女性有限元模型。早期开发的五百分位女性模型大都通过比例缩放获得新的形态模型，无法保证内部尺寸的准确性，此外无论在几何还是材料属性方面都没有充分考虑性别差异。如欧洲人体安全模型（human model for safety，HUMOS）基于人体外部维度与内部维度的关系，通过缩放第五十百分位男性模型获得了第五百分位女性模型［9-10］。类似的Happee 等［11］通过缩放中等身材男性的几何形状和关节特性开发了一种基于MADYMO 的小型女性人体模型，该模型大多数结构定义为刚体，只有胸部描述为可变形的柔性体。丰田整人安全模型（total human model for safety，THUMS）开发了美国五百分位女性乘员模型（AF05-O）。该模型的头、颈、脊椎及四肢是按比例缩放THUMS-AM50开发，考虑到性别与解剖学差异对胸部和骨盆区域重新开发，不具备详细的内脏结 构［12］。Kimpara 等［13］将THUMS-AF05（乘员1.0ß 版）与韦恩州立大学人体胸部模型［14］整合并修改开发了五百分位女性胸部模型。该模型根据6 组小身材女性尸体试验对胸部刚度进行了有效性验证。如今THUMS AF05-O 发展更新到第六代，已具有可以模拟人体运动与损伤较详细的内脏与脑组织结构，并具备主动肌肉。杨洁［15］基于THUMSD-F05 对不同的身体部位利用不同的缩放因子分别进行缩放，建立代表中国第五百分位女性人体测量尺寸的有限元人体模型，对比分析了东西方五百分位女性人体碰撞损伤差异。全球人体模型联盟（global human body models consortium，GHBMC）一直致力于开发全球最详细和准确的有限元模型。2015 年 Davis 等［16］基于志愿者在坐姿状态的综合医学影像和人体测量数据建立了 F05-O 模型，该模型除腹部外大都采用六面体网格，材料定义是基于GHBMC M50，从局部刚性碰撞到全身滑车试验10 个案例进行了有效性验证。为提高仿真速度与研究乘员运动学，GHBMC开发了五百分位女性乘员简易版模型（F05-OS），该模型简化了部分软组织结构，内脏结构由内腔组件填充代替，脑组织也由单个质量点替代［17］。上述两种模型的解剖学结构表达还不够详细，如四肢肌肉并未单独建模而是融合成具有均匀材料特性的连续体。

中国人体测量尺寸与欧美国家人体尺寸存在一定差异，使用代表欧美人体尺寸的模型评价中国乘员在汽车碰撞过程中的损伤是否可靠还需要进一步研究，因此十分必要开发一个具有自主知识产权的符合中国第五百分位女性体征的汽车乘员损伤仿生模型，应用于汽车碰撞仿真中以研究小身材女性乘员损伤机理和智能汽车座舱安全系统开发。

1 方法

1.1 模型开发

本研究旨在开发小身材女性汽车乘员生物力学模型，因此主要以身高和坐高为选择参考，依据中国标准化研究院最新测量统计数据，选取符合中国第五百分位女性体征的身高153 cm、坐高83 cm、体质量62 kg 志愿者，依据如图1 所示的流程进行模型开发。首先基于志愿者CT 医学影像数据精确提取全身各组织器官的几何轮廓，通过曲面化处理与网格划分，构建具有详细解剖学结构头、颈、胸腹及四肢有限元模型。为避免单次长时间拍摄CT 可能给人体带来的辐射，本研究影像数据分4 次扫描完成，因此存在坐标系不一致问题，需要将局部坐标系整合到全局坐标系。以胸腹部所在坐标系作为基准坐标系，分别将头颈部、上肢及下肢由局部坐标系整合定位到基准坐标系。以上肢与胸腹部的整合定位为例，如图2 所示：例如胸腹部与上肢CT 中都包含锁骨的图像信息，则从上肢CT 中提取锁骨几何模型G（E），利用Geomagic 软件中的最佳拟合指令将胸腹部划分好曲面片布局的锁骨几何模型G（T）移动到G（E）相同的位置，从而将此位置下G（T）作为上肢定位基准P（E）。此方法的运用是保证P（E）与G（T）有相同的曲面片布局，从而保证网格划分的一致性。再将划分好网格的P（E）有限元模型与上肢有限元模型导入胸腹部有限元模型所在坐标系，利用Hypermesh软件中的position指令实现整合定位。

图1 中国第五百分位女性汽车乘员损伤仿生模型开发

图2 定位基准的获取

参照小身材女性汽车乘员躯干舒适角范围，以有限元模型的髋臼窝、膝关节、足关节、肩关节和肘关节处旋转中心的水平轴线定义为旋转轴，将五百分位女性有限元模型调整为乘员姿态。考虑到人体由仰卧姿势到坐立姿势脊柱生理曲度与肌肉的形态变化，参考成人坐姿脊柱生理曲度，对五百分位女性脊柱生理曲度进行校正。按照肌学原理中人体在坐姿状态下肌肉的拉伸或压缩形态，对脊椎、臀部、膝关节及肘关节处的肌肉进行优化调整。对发生网格干涉穿透的骨骼、内脏与肌肉有限元模型进行微调。最后通过构建韧带、肌腱、皮肤与脂肪等软组织，完成具有高生物仿真度的中国第五百分位女性汽车乘员损伤仿生模型（TUST IBMs F05-O）的构建，模型身高153 cm、坐高83 cm、体质量58.4 kg，总计92.5万个节点，111.1 万个单元，其中实体单元 66.6 万个，壳单元44.5万个。

所构建的模型（Pamcrash 版本）由400 个部件组成，包含详细的脑组织、内脏、肌肉、韧带、骨骼、皮肤及脂肪等组织结构。为提高仿真度和运算稳定性，模型采用六面体单元与壳单元建模，组织结构间采用共节点与设置单面接触的方式进行连接，网格大小及质量设置了严格阈值，网格边缘长度控制在3-8 mm，雅克比大于0.3，翘曲度小于60°，扭曲度小于80°，长宽比小于10。天津科技大学现代汽车安全技术国际联合研究中心已经在组件层面对头部、颈部、胸腹部及下肢进行了详细的验证试验［18-20］。

1.2 模型验证

应用所开发的TUST IBMs F05-O 模型重构胸腹部钝性冲击尸体试验，表1 所示为尸体试验加载条件。模拟4 种区域加载条件，分别进行一组胸部正面冲击试验及两组不同速度下的胸部侧面冲击试验，一组腹部正面棒击试验及一组腹部侧面冲击试验，如图3 所示。所开发的模型身高误差在±10%内，在此身高范围内的女性尸体样本可视为具有五百分位女性人体测量尺寸［21］。

表1 胸腹部钝性冲击尸体试验信息

图3 胸腹部验证试验设计

1.2.1 胸部正面撞锤冲击验证试验

参考Kroell 等［22-23］进行的胸部正面撞锤冲击尸体试验，在其中8 例未防腐的女性受试者中，试验编号30FF 受试者可视为进行仿真验证试验加载条件参考的最优选择。将五百分位模型放置在水平刚性平面上，构建直径为152 mm、质量为1.59 kg 的刚性撞锤，其轴线对准胸骨中心约第4 肋骨间隙处，冲击速度为13.23 m/s。设置冲击体和刚性平面与人体之间的接触，动摩擦与静摩擦因数均设为0.3，见图3（a）。

1.2.2 胸部侧面撞锤冲击验证试验

参考Vinao 等［24］进行的胸部侧面撞锤冲击尸体试验，尸体编号008 的受试者在某种程度上可认为符合五百分位女性人体测量尺寸，首先进行了胸部右侧面5.2 m/s的低速冲击试验（试验编号29），见图3（b）。在检测到没有任何骨损伤的情况下又进行了胸部左侧面9.7 m/s的高速冲击试验（试验编号33）。参照尸体试验设置条件构建质量为23.4 kg，直径为150 mm 的刚性撞锤，撞锤中心轴线与人体有限元模型正中矢状面夹角为60°，撞击中心位于胸骨剑突处，见图3（c）。

1.2.3 腹部正面棒击验证试验

参照 Cavanaugh 等［25］利用尸体样本进行的腹部正面棒击试验，在其中4 例女性受试者中，尸体试验编号19 可视为本次仿真验证的参照。构建质量为31.24 kg、直径25 mm、长381 mm 的刚性棒体，平行于体宽方向放置，以5 m/s 的速度冲击第3 腰椎水平的腹部，见图3（d）。

1.2.4 腹部侧面撞锤冲击验证试验

为验证所开发模型腹部的损伤耐受性及腹部刚度，Vinao也进行了腹部侧面撞锤冲击尸体试验。同样选用尸体编号008 受试者，按照尸体试验编号30的加载条件进行仿真验证。构建质量为23.4 kg、直径为150 mm 的刚性撞锤，撞锤轴线与人体模型正中矢状面夹角为60°，并位于胸骨剑突下方7.5 cm 处，见图3（e）。

2 仿真结果

2.1 胸腹部接触力-压缩量曲线

5 组验证试验胸腹部接触力-压缩量曲线如图4所示。仿真结果总体趋势与尸体试验吻合较好，分别落在相应的尸体试验通道内。与尸体试验相比，仿真所得最大压缩量均略小于尸体试验，最大接触力与尸体试验数值相近，平均数值差异保持在10%以内，如表2 所示。从而验证了所开发模型胸腹部刚度具有较高的有效性。在模型前期开发过程中，局部胸腹部模型已通过3 组钝性冲击试验验证了有效性［19］，如图4（a）、图4（c）和图4（d）所示。与局部胸腹部模型3 组仿真试验相比，整人模型与局部胸腹部模型有相似的曲线走势，但整人模型的胸腹部刚度略大于局部胸腹部模型。

表2 胸腹部最大接触力与最大变形量

图4 胸腹部接触力-压缩量曲线

2.2 胸腹部生物力学响应

模型肋骨密质骨的材料失效应变设定为0.023 75，当肋骨密质骨单元超过失效应变值时，就会出现单元删除现象来代表肋骨骨折［26］。如图5 所示，在胸部正面撞锤冲击试验中，尸体试验共检测到3 处简单肋骨骨折，仿真验证所得肋骨最大第一主应变值为0.022 43，接近失效应变值，但没有出现肋骨骨折现象；低速（5.2 m/s）胸部右侧面撞锤冲击仿真验证中，肋骨最大塑性应变为0.023 43，没有出现单元删除现象，未发生肋骨骨折，与尸体试验结果一致；高速（9.7 m/s）胸部左侧面撞锤冲击试验中，尸体试验在左侧R4、R5、R6、R7与R8处共检测出5 处肋骨骨折，仿真验证所得肋骨最大塑性应变为0.023 75，左侧R4、R5、R6、R7处出现了4处肋骨骨折现象。

图5 肋骨最大塑性应变云图

胸腹部内脏器官最大第一主应变值如图6 和表3 所示。超过相应损伤阈值表明发生损伤的概率较大，设定肺部损伤阈值为28.4%［27］，心脏、肝、肾、脾的损伤阈值为30%［28-29］，大肠、小肠与胃的损伤阈值为130%［30］。胸部正面撞锤冲击尸体试验中并未对内脏损伤进行检测，验证试验中通过观察左肺与右肺的最大第一主应变云图可知，左肺与右肺有较高的损伤风险，同时还可观察到肺部最大第一主应变出现位置及相应的时间，其中左肺与右肺均在12 ms达到最大第一主应变，而仿真所得曲线峰值出现在6 ms左右，这验证了尸体试验中所述，低质量与高速度冲击下，产生短时间高峰值力与人体损伤无关。在低速5.2 m/s的胸部右侧面撞锤冲击仿真验证中，肺部、心脏、肝与肾部最大第一主应变小于相应的损伤阈值，表示发生损伤的概率较小，与之相对应的尸体试验也并未检测到内脏损伤。在高速（9.7 m/s）胸部左侧面撞锤冲击试验中，虽然出现5 处肋骨骨折，但并未检测到内脏损伤，在仿真试验中左肺的最大第一主应变为31.8%，表明有发生损伤的风险，其中多根肋骨连续性骨折也增加了肺部发生损伤的风险。腹部正面棒击冲击试验中，冲击处的内脏器官最大第一主应变并未超过相应的损伤阈值，与尸体试验结果一致，小肠最大第一主应变的产生主要是因为躯干弯曲受到脊柱的挤压力而产生。腹部侧面撞锤冲击仿真试验内脏器官最大第一主应变并未超过相应的损伤阈值，与尸体试验结果一致。

表3 胸腹部钝性冲击仿真验证内脏最大第一主应变

3 讨论

如图4 所示，仿真验证中模型开始受到冲击力产生变形时，接触力-压缩量曲线斜率接近尸体试验通道的上边界，分析原因有两方面。其一，接触力-压缩量曲线所覆盖的面积为人体吸收的冲击能量，模型与尸体试验受试者存在个体差异，相较于尸体试验受试者脂肪组织层较厚，吸收的冲击能量相对较大。同时体质量差异造成的影响在卸载阶段也相对明显，当刚度恒定上升达到峰值后，尸体试验的接触力-变形量曲线以较大的幅度卸载，而模型首先经过一段平缓的过渡期，即接触力逐渐减小而压缩量会继续增大到最大值后才会进入较快的卸载阶段。其二，相比于尸体试验，仿真试验对参数变化更为敏感，尸体试验是通过高速摄像机记录躯干偏移数据，而仿真验证所得压缩量是由冲击器轴线所穿过的人体前后皮肤两个点的位移差获得，在模型开始受到冲击力，接触力逐渐增大，测量压缩量的点受到冲击力延迟所以压缩量变化较小，因此曲线斜率在碰撞开始时较高。

整人模型的接触力-压缩量曲线表现出与局部胸腹部模型相似的趋势，但整人模型的胸腹部刚度表现出略高于局部胸腹部模型的特征，产生该差异的原因主要有两点。其一，连接方式的不同，整人模型脂肪组织与内部软组织为共节点连接，而局部胸腹部模型采用面面接触关键字实现脂肪与内部软组织连接，因此脂肪组织与软组织之间留有空隙，影响力的传递。其二，局部胸腹部模型只在第1 胸椎上增加了5 kg 的质量点代表头颈部，并未考虑四肢质量对模型运动响应的影响，无四肢力的阻碍，局部胸腹部模型表现的刚度相对较小。

在腹部正面棒击试验中，四肢对响应的影响相对明显，随着冲击棒逐渐深入，冲击力由躯干逐渐传递到四肢，在这个力传递过程中四肢运动迟后使脊柱逐渐弯曲抵抗腹部受到的压缩力，同时腹部脂肪组织聚集于冲击处阻碍冲击棒继续前向运动，如图7 所示，因而造成整人模型的接触力大，而压缩量小的现象，从而表现出略大的腹部刚度。若无下肢的牵制力，脊柱的弯曲变化很小，下腹部在冲击力的作用下将继续运动，因而腹部刚度较小。

验证试验中模型预测的肋骨骨折数与尸体试验略有差异，分析有几方面原因。其一，仿真验证所得胸腹部变形量略小于尸体试验，模型的脂肪层较厚缓冲了部分冲击能量，对肋骨起到一定的保护作用。其二，相关研究表明肋骨和胸椎之间的角度，肋骨刚度均与年龄相关［31］，所开发模型的几何数据来自健康的40 岁女性志愿者，而尸体试验志愿者年龄在50 岁，胸椎角度随年龄增长的变化及骨质的力学属性的变化都会影响肋骨的受力。其三，根据Mohr等［32］的研究，肋骨密质骨后端厚度大于前端，内侧厚度明显大于外侧。Li等［33］也指出相比于厚度恒定的皮质骨模型，可变厚度的四边形皮质骨壳体模型虽然对模拟骨折位置影响不大，但能够更准确地匹配骨折力-失效位移关系。本研究所开发的模型肋骨皮质骨厚度恒定，因此可能会影响肋骨骨折响应。总体来讲，所开发的模型能够预测复杂的胸部变形与肋骨骨折形式，在仿真验证中也精确再现了尸体试验肋骨出现骨折的位置，但模型与受试者的个体差异也使预测的肋骨骨折数略有不同。为更加准确地预测肋骨骨折，今后模型须更准确地模拟皮质骨几何形状及厚度变化。

本研究分别提取了5 组仿真试验中内脏器官最大第一主应变，并与相应尸体试验检测的内脏损伤相比较。结果表明，所开发的模型能较为准确地预测内脏损伤。尽管胸部侧面撞锤冲击尸体试验（9.7 m/s）并未检测到肺部损伤，但仿真试验所得肺部最大第一主应变已超出损伤阈值，说明肺部发生损伤的风险较高。究其原因：仿真试验中4 根肋骨发生连续性骨折，这种多发性肋骨骨折会降低胸廓的强度，因此肺部受到的压迫力更大，增大了肺部发生损伤的风险。

4 结论

首次基于符合中国第五百分位女性特征的志愿者医学影像，开发了具有中国第五百分位女性体征的汽车乘员损伤仿生模型，相较于在国外模型基础上更改的模型，该模型具有自主知识产权，可为我国汽车行业自主研发汽车全域安全系统及汽车安全测评提供基础数据。在头、颈、胸腹和下肢局部模型有效性验证的基础上，参照小身材女性尸体试验加载条件，模拟了4 种区域加载条件，共进行5 组正面与侧面钝性冲击试验，验证整人模型的有效性，得出以下结论。

（1）仿真验证所得接触力-压缩量曲线与尸体试验趋于一致，最大接触力与最大压缩量和尸体试验平均差异在10%以内，验证了模型的有效性。仿真验证所得内脏器官生物力学响应与尸体试验检测结果基本一致，从应力应变云图能较直观地观察并分析损伤发生的位置以及造成损伤的原因。因此，该损伤仿生模型具有较高可靠性，可以用于人体损伤仿真计算分析。

（2）整人模型的接触力-压缩量曲线表现出与局部胸腹部模型相似的趋势，但在四肢运动响应的作用下，整人模型的胸腹部刚度略高于局部胸腹部模型，因此整人模型更能准确地反映人体的运动学响应。

本研究所开发的中国第五百分位女性体征汽车乘员损伤仿生模型（TUST IBMs F05-O）具有详细的解剖学结构特征，且通过再现尸体试验验证模型具有较高的生物仿真度，可用于汽车碰撞中小身材女性乘员损伤机理研究，能够为汽车数字化测评技术、汽车主被动安全一体化研究和智能汽车安全防护装置的研发提供基础数据和技术支撑。