碰撞假人頸部評(píng)價(jià)研究

丁冉冉　胡經(jīng)國(guó)　朱曉勇　陳亞依　杜志豪　周杭衛(wèi)

摘 要：文章通過(guò)對(duì)人體頸部解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的介紹，頸部載荷的受力原理分析，頸部損傷的考核指標(biāo)的介紹，和試驗(yàn)曲線(xiàn)示例分析，系統(tǒng)的介紹了假人頸部評(píng)價(jià)的相關(guān)知識(shí)，為碰撞試驗(yàn)假人評(píng)價(jià)研究提供了理論和技術(shù)支持。關(guān)鍵詞：碰撞假人;頸部;受力原理中圖分類(lèi)號(hào)：U467? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）01-54-05

Abstract： Based on the introduction of the anatomy struction of human bodys neck， the analysis of load cell theory， the injure performance assess， and the analysis of the test curve of one real crash case， we make a complete introduce to the dummy neck evaluation knowledge， provide an support to the research of crash test dummy.Keywords： Crash test dummy; Dummy neck; Load cell theoryCLC NO.： U467? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）01-54-05

引言

在碰撞事故中，人體在受到力學(xué)載荷時(shí)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的生物力學(xué)響應(yīng)，使人體各部位產(chǎn)生不同程度損傷。損傷可通過(guò)損傷嚴(yán)重程度表示，與其相關(guān)的物理量或其函數(shù)被稱(chēng)為損傷準(zhǔn)則或者損傷值。當(dāng)損傷準(zhǔn)則超過(guò)閾值時(shí)，損傷將發(fā)生。此閾值被稱(chēng)為損傷耐限或損傷基準(zhǔn)值（Injury Assessment Refe -rence Value， IARV）。在人體可能發(fā)生損傷的部位中，頭頸部為非常重要的部位。

本文將通過(guò)對(duì)人體頸部解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的介紹，頸部載荷的受力原理分析，頸部損傷的考核指標(biāo)的介紹，和試驗(yàn)曲線(xiàn)示例分析，系統(tǒng)的介紹假人頸部評(píng)價(jià)的相關(guān)知識(shí)，加深對(duì)頸部傷害評(píng)價(jià)的理解。

1 頸部的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)

1.1 脊柱

脊柱形成骨骼系統(tǒng)中一個(gè)大的中心軸，由 24 塊椎骨、1 塊骶骨和1塊尾骨構(gòu)成。頸部處于脊柱的上端，由7塊椎骨組成，稱(chēng)為第一頸椎（C1）、……、第七頸椎（C7），C1 是最上方的椎骨。同樣，胸椎由 12 塊椎骨（第一胸椎（T1）……第十二胸椎（T12））組成，腰椎由 5 塊椎骨（第一腰椎 （L1）、……第五腰椎（L5）組成。所有的脊柱由與骨盆相連接的骶骨支撐[1]。如下圖1所示。

第一頸椎C1和第二頸椎C2與其他的頸椎結(jié)構(gòu)不同。第一頸椎（C1）被稱(chēng)為寰椎，寰椎前側(cè)有一小對(duì)關(guān)節(jié)面，與顱骨（具體為枕骨）底部的髁（被稱(chēng)為枕髁）共同構(gòu)成了寰枕關(guān)節(jié)。因?yàn)橛羞@個(gè)關(guān)節(jié)，頭部可以進(jìn)行前后點(diǎn)頭等動(dòng)作。如圖2所示。

1.2 頸部的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)

頸部運(yùn)動(dòng)包括屈曲、伸展、側(cè)屈、回轉(zhuǎn)四項(xiàng)基本運(yùn)動(dòng)及其組合[1]，如下圖3所示。

在汽車(chē)碰撞中，當(dāng)乘員頭部與車(chē)內(nèi)接觸時(shí)，對(duì)應(yīng)從頭部傳來(lái)的接觸力和頸椎姿勢(shì)，頸部被施加軸向力、剪切力和彎矩載荷，頸部損傷的四個(gè)主要機(jī)理是拉伸-屈曲，拉伸-伸展，壓縮-屈曲，壓縮-伸展。若保持假人胸部不動(dòng)，對(duì)應(yīng)的頭部動(dòng)作為頭部向上-低頭，向上-仰頭，向下-低頭，向下-仰頭。拉伸動(dòng)作的產(chǎn)生主要是由于頭部因慣性產(chǎn)生的載荷作用。

拉伸-屈曲是正面碰撞中安全帶約束乘員受到損傷的代表性機(jī)理。而拉伸-伸展是揮鞭傷（由追尾過(guò)伸展造成）產(chǎn)生的重要原因[1]，如下圖4所示，軀干受到急劇的正面加速度，造成頭部受到慣性載荷作用，造成頸部拉伸-伸展動(dòng)作。

1.3 頸部傳感器的安裝

為測(cè)量枕骨髁受到的力和彎矩，在假人頸部上部安裝有載荷測(cè)量?jī)x，如下圖5所示。

頸部傳感器上部通過(guò)中間平臺(tái)上的四個(gè)螺紋孔與顱骨底部剛性連接，傳感器中心圓盤(pán)下表面與顱底接觸，接觸平面見(jiàn)圖5，即傳感器中間圓盤(pán)及以上部分與頭部為剛性連接。下部通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)中心桿穿過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)中心孔與頸部連接，傳感器下部?jī)善矫嬉罁?jù)傳感器安裝的前后分別與頸部上表面的模擬寰枕關(guān)節(jié)兩個(gè)點(diǎn)頭塊接觸，點(diǎn)頭塊為兩個(gè)實(shí)際的受力位置。頸部結(jié)構(gòu)如下圖6所示：

傳感器與頸部及頭部的安裝如下圖7所示：

2 頸部載荷的受力分析

2.1 假人符號(hào)規(guī)則

SAE J211-1[2]碰撞試驗(yàn)儀器-第一部分-電子儀器中講述了假人坐標(biāo)系、加速度及位移傳感器的極性、外部載荷的極性、內(nèi)部載荷的極性等方面的內(nèi)容，下文我們將針對(duì)這四方面的內(nèi)容進(jìn)行一一介紹。

2.1.1 假人坐標(biāo)系

假人坐標(biāo)系以假人站立時(shí)的姿態(tài)為基準(zhǔn)，坐標(biāo)系適用于假人上的任意一個(gè)位置。從假人左邊指向右邊為正向+y，從頭指向腳向下方向?yàn)檎?z，從后向前為正+x。當(dāng)假人被放置進(jìn)車(chē)內(nèi)時(shí)，假人上任意位置的坐標(biāo)系隨假人姿態(tài)的改變進(jìn)行旋轉(zhuǎn)[3]。如下圖8所示：

2.1.2 加速度及位移傳感器的極性

假人測(cè)量位置的正向輸出與假人的坐標(biāo)系的正向定義一致，例如，對(duì)假人頭后部進(jìn)行敲擊將會(huì)產(chǎn)生在x向上產(chǎn)生一個(gè)正向的加速度輸出，對(duì)假人頭頂部進(jìn)行敲擊將會(huì)產(chǎn)生在z向上產(chǎn)生一個(gè)正向的加速度輸出，對(duì)假人頭左側(cè)進(jìn)行敲擊將會(huì)產(chǎn)生在y向上產(chǎn)生一個(gè)正向的加速度輸出。

對(duì)于位移來(lái)說(shuō)，正向胸部壓縮量為胸骨相對(duì)于胸椎的移動(dòng)量，這種情況下，坐標(biāo)系固定于胸椎，胸骨相對(duì)于胸椎向后移動(dòng)，將產(chǎn)生負(fù)的-x向位移。胸部左側(cè)進(jìn)行撞擊時(shí)，肋骨相對(duì)于胸椎向右側(cè)移動(dòng)，將產(chǎn)生正的+y向位移。膝部位移為脛骨相對(duì)于膝蓋產(chǎn)生向后的位移，所以將產(chǎn)生負(fù)的-x位移曲線(xiàn)。胸部結(jié)構(gòu)及膝部結(jié)構(gòu)如下圖9[1]、圖10[1]所示：

2.1.3 外部載荷的極性

當(dāng)假人直接承受外部的載荷時(shí)，承受外部載荷的位置的傳感器所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)方向與該位置的標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系方向一致。例如，測(cè)量鎖骨處肩帶載荷Fx和Fz時(shí)，當(dāng)施加給假人向前和向下的載荷時(shí)應(yīng)產(chǎn)生正向的+Fx和+Fz。如下圖11[3]所示。

HYBRID Ⅲ3歲兒童假人肩部力傳感器正向定義。當(dāng)保持胸部不動(dòng)，肩膀或胳膊向前時(shí)，應(yīng)產(chǎn)生正向的+Fx，肩膀或胳膊向下時(shí)，應(yīng)產(chǎn)生正向的+Fz。對(duì)于BIORID假人來(lái)說(shuō)，F(xiàn)x和Fz的正向定義與HYBRID Ⅲ 3歲兒童假人肩部力傳感器正向定義相同，若保持胸部位置固定，當(dāng)假人左側(cè)肩膀受到擠壓時(shí)，應(yīng)產(chǎn)生正的+Fy，當(dāng)假人右側(cè)肩膀受擠壓時(shí)，應(yīng)產(chǎn)生負(fù)的-Fy，該方向定義與假人標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系一致。

2.1.4 內(nèi)部載荷的極性

內(nèi)部力載荷的測(cè)量必須明確假人上哪一部分是測(cè)量對(duì)象，因?yàn)閮?nèi)部的載荷通常成對(duì)產(chǎn)生且方向相反。將測(cè)量對(duì)象的某一部分假設(shè)為一個(gè)方形塊，測(cè)量當(dāng)該方形塊六個(gè)平面上受到拉壓力/剪切力/扭矩/彎矩等情況時(shí)，方形塊內(nèi)部載荷的輸出情況。當(dāng)在方形塊前面、右面和下面施加拉力時(shí)，傳感器輸出應(yīng)分別為+Fx、+Fy和+Fz，而彎矩則按照右手定則來(lái)確定方向。例如，上下頸部、腰椎、上下脛骨力載荷[3]。

以上頸部傳感器為例。從上文分析已知上頸部載荷傳感器為模擬頭部枕骨髁與頸部之間的連接關(guān)系，由于傳感器和頭部為剛性連接，所以，以傳感器上部為研究對(duì)象方形塊，研究頸部對(duì)其所施加的載荷情況。假設(shè)頸部固定，頭向后平移時(shí)，傳感器（方形塊）受到頸部給它的向前的力，按照假人正向定義，上部數(shù)據(jù)輸出應(yīng)為+Fx;頭向左平移時(shí)，傳感器受到下部給它向右的力，按照假人正向定義，上部數(shù)據(jù)輸出應(yīng)為+Fy;頭向上平移時(shí)，傳感器受到下部給它向下的力，按照假人正向定義，上部數(shù)據(jù)輸出應(yīng)為+Fz;當(dāng)頭部質(zhì)心受慣性力或其他力作用，向左側(cè)歪時(shí)，傳感器左側(cè)受到頸部給他向上的力，根據(jù)右手定則，傳感器受到下部x向向前的彎矩，按照假人正向定義，上部數(shù)據(jù)輸出應(yīng)為+Mx;頭向下低頭（屈曲）時(shí)，根據(jù)右手定則，傳感器受到下部y向向右的彎矩，按照假人正向定義，上部數(shù)據(jù)輸出應(yīng)為+My;頭向左側(cè)扭頭時(shí)，根據(jù)右手定則，傳感器受到下部z向向下的彎矩，按照假人正向定義，上部數(shù)據(jù)輸出應(yīng)為+Mz。

以枕骨髁為研究對(duì)象，載荷傳感器下部與上頸部連接處實(shí)際模擬的是寰枕關(guān)節(jié)處的枕骨髁關(guān)節(jié)，載荷傳感器輸出的值為頸部傳感器與頭部連接平面處的受載荷情況，然而由于載荷傳感器坐標(biāo)軸中心與與實(shí)際枕骨髁的位移存在偏離，因此，頸部對(duì)Y軸在伸張方向的彎矩需要傳感器直接測(cè)量得到的數(shù)值經(jīng)過(guò)公式進(jìn)行修正才能更確切的反應(yīng)出枕骨髁處的載荷情況。如下公式1所示：

其中My和Mx為頸部傳感器的輸出值，D為載荷傳感器的坐標(biāo)軸中心（傳感器與頭骨接觸面）與枕骨髁關(guān)節(jié)間（傳感器與上頸部連接處的橫軸位置）的距離，使用Hybrid Ⅲ AM50假人時(shí)為0.0178m。如下圖12[3]所示。

2.2 傳感器極性核查

為保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程中假人數(shù)據(jù)的正確性，需要核查假人內(nèi)安裝的傳感器是否符合假人的符號(hào)法則，而這個(gè)核查需要通過(guò)對(duì)假人相關(guān)部位進(jìn)行操作，觀(guān)看輸出的曲線(xiàn)進(jìn)行判斷。判斷方法如下：

+Fx：頭部向后，胸部向前

+Fy：頭部向左，胸部向右

+Fz：頭部向上，胸部向下

+Mx：從左耳到左肩（向左歪頭）

+My：從下頜到胸骨的方向（屈曲）

+Mz：從下頜到左肩的方向（向左扭頭）

由此可得，頸部屈曲時(shí)，彎矩My的方向?yàn)檎较?，伸展時(shí)為負(fù)方向。

3 頸部損傷的考核指標(biāo)

依據(jù)SAE J1733[3]，上頸部載荷傳感器適用于Hybrid Ⅲ 5th、50th、95th、P6、P10、BIOSID、SID-Ⅱs假人。

3.1 頸部損傷的考核指標(biāo)

頸部損傷的考核指標(biāo)有三個(gè)[1]，分別為：

（1）彎矩。將枕髁關(guān)節(jié)作為研究基點(diǎn)，求得的該處力矩的耐限值為前方屈曲狀態(tài)下190N·m、伸展?fàn)顟B(tài)下為57N·m。

（2）拉伸、壓縮及剪切力。頸部拉伸和壓縮姿勢(shì)通過(guò)軸向壓縮力、拉伸力和剪切力耐限值曲線(xiàn)進(jìn)行考核，耐限值曲線(xiàn)是關(guān)于載荷持續(xù)時(shí)間的函數(shù)，超過(guò)耐限值曲線(xiàn)就有頸部軸壓縮、拉伸或剪切載荷引起頸部重癥的可能。

（3）損傷基準(zhǔn)Nij。損傷基準(zhǔn)Nij是為了評(píng)估正面碰撞中（包括安全氣囊打開(kāi)的情況下）AIS2（損傷分級(jí)2級(jí)）[1]以上的頸部損傷而被提出的指標(biāo)，被應(yīng)用于美標(biāo)FMVSS 208中。計(jì)算公式如下公式2：

上式中，F(xiàn)z是軸向力，My是屈曲/伸展的彎矩。其中頸部載荷狀況分四種，分別為NTE：拉伸伸展; NTF：拉伸屈曲; NCE：壓縮伸展;NCF：壓縮屈曲。下標(biāo)int表示荷重和力矩分別與軸相交的“截距”。其中，Nij的損傷閾值為 1。

3.2 國(guó)標(biāo)正面碰撞試驗(yàn)中對(duì)假人頸部的傷害要求

法規(guī)GB11551-2014《汽車(chē)正面碰撞的乘員保護(hù)》對(duì)假人頸部的傷害要求為：

（1）頸部傷害指標(biāo)（NIC）應(yīng)不大于圖13和圖14限值曲線(xiàn)，由在頭頸連接處測(cè)量的軸向力（Fz）和剪切力（Fx）確定。具體為軸向拉力應(yīng)不大于圖13所示限值曲線(xiàn)，前后向剪切力應(yīng)不大于圖14所示限值曲線(xiàn)。當(dāng)超過(guò)限值曲線(xiàn)時(shí)，該載荷有引起頸部重癥的可能性，當(dāng)未超過(guò)該限值曲線(xiàn)時(shí)，該載荷引起頸部重癥的的可能性較小。

（2）頸部對(duì)Y 軸彎矩在伸張方向應(yīng)不大于57N·m。從前文可知，頸部彎矩在伸張方向上輸出值為負(fù)，所以，對(duì)假人頸部My的考核取曲線(xiàn)中的負(fù)值進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4 試驗(yàn)曲線(xiàn)實(shí)例分析

當(dāng)車(chē)輛進(jìn)行正面碰撞試驗(yàn)后，假人因慣性作用向前移動(dòng)，假人肢體受到安全帶向后的作用力，假人頭部因未受約束因慣性力作用向前移動(dòng)。對(duì)于未配置安全氣囊的車(chē)輛，假人頭部在撞擊到方向盤(pán)之前，頸部為伸展?fàn)顟B(tài)，撞擊到方向盤(pán)之后為假人頭部受到?jīng)_擊力作用，頸部變?yōu)榍鸂顟B(tài)。未配置安全氣囊的情況假人上頸部姿態(tài)變化比較明顯，如下圖15所示。

同理，對(duì)于配備了安全氣囊的車(chē)輛，其運(yùn)動(dòng)姿態(tài)因受安全氣囊的作用，頸部伸展過(guò)程縮短，屈曲狀態(tài)增加。下圖16為配置安全氣囊情況下的正面碰撞試驗(yàn)假人頭部姿態(tài)變化示例。

結(jié)合假人頭頸部運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，對(duì)頸部試驗(yàn)曲線(xiàn)進(jìn)行分析。試驗(yàn)曲線(xiàn)如下圖17至圖20所示。

假人頭部在前向運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，頭部相對(duì)于頸部向前，產(chǎn)生-x向剪切力數(shù)據(jù)輸出，在點(diǎn)A時(shí)刻頭部接觸氣囊后，頭部受到向后的作用力，曲線(xiàn)開(kāi)始反彈。對(duì)前后向剪切力數(shù)據(jù)按照 SAE J1727[4]傷害值計(jì)算規(guī)范中第3.9所描述的規(guī)則進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到正向和負(fù)向的剪切力評(píng)價(jià)曲線(xiàn)。圖中所示傷害值曲線(xiàn)均位于限值曲線(xiàn)下方，表示該載荷引起頸部重癥的的可能性較小。同理可以得到，頸部軸向拉力的評(píng)價(jià)曲線(xiàn)，如下圖18所示。從頸部軸向拉伸力曲線(xiàn)可以看出曲線(xiàn)始終為正值輸出，在假人碰撞的過(guò)程中假人頭部始終受到頸部給他向下的拉力。

頸部對(duì)Y 軸彎矩曲線(xiàn)如下圖19所示，假人在接觸氣囊

之前為伸展?fàn)顟B(tài)，數(shù)值輸出為負(fù)，撞擊到氣囊之后從點(diǎn)A處逐漸轉(zhuǎn)換為屈曲狀態(tài)，數(shù)值輸出也逐漸轉(zhuǎn)換為正值輸出。隨著氣囊作用結(jié)束，頭部向前位移持續(xù)，頸部逐漸從屈曲恢復(fù)為伸展?fàn)顟B(tài)，到達(dá)點(diǎn)B之后t頭部撞擊到方向盤(pán)，頸部狀態(tài)又重新逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榍鸂顟B(tài)。由于考核的為假人頸部對(duì)Y軸在伸張方向的彎矩，所以關(guān)注的為曲線(xiàn)的負(fù)值輸出，取A點(diǎn)和B點(diǎn)絕對(duì)值較大的一處作為傷害值進(jìn)行考核，傷害值應(yīng)不大于57N·m。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)人體頸部解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的介紹，頸部載荷的受力原理分析，頸部損傷的考核指標(biāo)的介紹，和試驗(yàn)曲線(xiàn)示例分析，完整的研究了假人頸部評(píng)價(jià)的相關(guān)知識(shí)，為碰撞試驗(yàn)假人評(píng)價(jià)研究提供了理論和技術(shù)支持。

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