正面碰撞中的老年駕駛員胸部響應研究*

武和全，彭金平，鄧曉順，金 鑫，胡 林

（1.長沙理工大學，工程車輛輕量化與可靠性技術湖南省高校重點實驗室，長沙 410004；2.韋恩州立大學生物工程中心，美國底特律 48201）

前言

根據(jù)我國統(tǒng)計局發(fā)布的數(shù)據(jù)，截止到2017年末，65歲以上的人口已經(jīng)達到了15 831萬，占總人口的11.4%，而到2018年末，則已經(jīng)達到16 658萬，老年人口僅僅一年就增加了5.2%［1］。過去幾年道路交通死亡人數(shù)中，老年人的比例穩(wěn)步上升［2］。根據(jù)2002年出版的美國老齡管理局報告，每10個交通事故死亡人口中就有一個為年齡60歲以上的女性，且未來幾十年將持續(xù)增加。女性老年人更多地被卷入交通事故中，她們在車禍安全事故中面臨的危險性更大。這些數(shù)據(jù)表明，老年女性在交通事故中是需要特別關注其安全性的人群。

在老年人機動車碰撞事故中，胸部損傷造成的死亡人數(shù)、傷害程度和總體經(jīng)濟成本僅次于頭部損傷［3］。胸骨是人體胸腔臟器在受到撞擊時的重要防護區(qū)域［4］，同時也是碰撞事故中最容易受傷害的部位之一。從20世紀60年代開始，人們就已經(jīng)針對人體胸部生物力學進行了大量的實驗研究，并獲得大量的相關數(shù)據(jù)。2000年以前，研究人員主要關注正面碰撞過程中轉向盤中心和轉向盤輪緣對駕駛員胸腹部碰撞下的損傷響應［5］；近年來的研究主要集中在乘員受到約束系統(tǒng)（如安全帶和安全氣囊）作用載荷時的胸部損傷響應［6-8］；而最新的焦點無疑是自動駕駛領域的相關研究［9］。

人體胸部損傷生物力學研究中所得到的數(shù)據(jù)已經(jīng)大量運用于碰撞實驗假人的開發(fā)和傷害風險評估模型的建立，并逐步運用到有限元人體模型（human body model，HBM）的構建中。隨著汽車安全氣囊和安全帶等被動安全裝置的大規(guī)模普及，乘員頭部和頸部都已得到很好的保護，而對于胸部的保護則相對不夠完善。典型的工況是，在發(fā)生碰撞事故時，即使配備先進的安全帶和安全氣囊等乘員約束系統(tǒng)，駕駛員胸部與轉向盤輪緣之間仍然會接觸而導致胸部損傷［10］。

人體尸體（post-mortem human subjects，PMHS）實驗經(jīng)常被用于評估人體生物力學響應和碰撞傷害耐受度。由于測試用的尸體往往與車禍主要受害者的年齡不符，且尸體大多是年邁的男性，幾乎沒有兒童，以及尸體來源變得越來越短缺，面臨的倫理道德壓力也越來越大等，尸體實驗一直受到限制。PMHS實驗并不能模擬出在碰撞瞬間駕駛員的肌肉硬度和身體反應，因此PMHS并不能精確地反映駕駛員胸部的響應［11］。如果將PMHS實驗與HBM仿真相結合將更有益于人體胸部碰撞響應的研究。

本研究通過分析老年HBM的損傷響應，結合相關尸體實驗驗證，評估受到轉向盤輪緣沖擊時老年人胸部損傷生物力學響應，并進行測試以確定老年人體胸部響應隨載荷分布和位置的變化規(guī)律。本研究是美國韋恩州立大學生物工程中心老年人體模型（代號為CHARM_70）開發(fā)項目的部分工作。

1 老年人體有限元模型的建立與驗證

1.1 有限元模型的建立

老年人體有限元模型的建立非常復雜。根據(jù)Gayzik等［12］的研究，隨著年齡增加，老年人肋骨更加垂直于脊柱，且肋骨角度（從肋骨的最上后點到肋骨的最上前點）隨著年齡而變化。肋骨角度取決于年齡、性別、體質量和BMI（體質指數(shù)，即體質量除以身高的平方）。隨著年齡的增加，胸部幾何形狀的變化變得更加突出，因此須考慮創(chuàng)建一個能代表50百分位70歲人體的有限元模型。

根據(jù)美國疾病控制和預防中心的統(tǒng)計結果，50百分位70歲女性身高為1.6 m，體質量為73 kg。通過收集志愿者的醫(yī)學掃描數(shù)據(jù)，并結合Gayzik等［12］發(fā)表的數(shù)據(jù)，建立了一個70歲的老年女性人體幾何模型。由于幾何模型缺乏人體的三維細節(jié)，因此創(chuàng)建了一個70歲人體胸部三維有限元模型。在尸體實驗方面找到一個完全符合疾病控制和預防中心數(shù)據(jù)所描述的尸體并非易事。在韋恩州立大學生物工程實驗中心找到最接近的是編號為938的PMHS（年齡73歲，身高1.6 m，體質量62 kg）。在韋恩州立大學的機構審查委員會/人類調(diào)查委員會的批準下，此PMHS被選中用于計算機CT掃描，以提取胸部骨骼幾何圖形。

尸體在密歇根州的醫(yī)院放射科進行掃描。掃描分辨率設置為全身1.0 mm×1.0 mm×5.0 mm。收集醫(yī)學圖像后，使用Mimics12.0完成掃描的3D渲染，并對肋骨進行光滑處理，從www.cancerarchieve.net上的在線數(shù)據(jù)庫中檢索到65歲的女性CT掃描數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)用于提取心臟、肺、肝臟、腎臟、胰腺、脾臟、膽囊、主動脈、腔靜脈和其他腹部組織的幾何形狀。通過3D圖像渲染得到軟組織的3D表面數(shù)據(jù)。除內(nèi)部器官和血管外，還通過個人通信從密歇根大學交通研究所的豐田證監(jiān)會（協(xié)作安全研究中心）項目數(shù)據(jù)庫中檢索出人體形狀的外部輪廓。在確定了胸廓的詳細幾何模型后，進行初步的網(wǎng)格劃分。一旦生成初步網(wǎng)格，將在Hypermesh 10.0的幫助下，根據(jù)某些元素質量檢查參數(shù)進行精煉。進行必要的質量檢查，同時修改網(wǎng)格參數(shù)的屬性，如雅可比值＜0.4，翹曲＜50，縱橫比＜5，傾斜角＜60°，平均單元尺寸約3 mm等。最后在Ls-dyan上進行材料和屬性的定義，完成模型的建立。圖1示出開發(fā)老年人體模型的主要過程。此外，目前的研究還采用了數(shù)據(jù)統(tǒng)計的方法，以確保最終的有限元模型代表50百分位70歲人體模型。

圖1 開發(fā)有限元老年人體模型的示意圖

圖2 示出老年人體軀干骨骼的組成與軟組織器官的位置，該模型由大約600 000個實體元素、200 000個殼元素和300個一維元素組成。開發(fā)的老年駕駛員胸部模型的部分材料屬性數(shù)據(jù)如表1所示。它直接取自GHBMC模型。然而，軟組織損傷預測的閾值基于THUMS 4.0版中規(guī)定的Shigeta等［13］使用的閾值，見表2。盡管報道了與年齡有關的特性，但文獻中沒有報道軟組織與年齡相關閾值的變化。因此，在本研究中，Shigeta所使用的基于可用測試數(shù)據(jù)的值被作為70歲模型中軟組織損傷預測的閾值進行調(diào)整。

1.2 老年人體胸部有限元模型的驗證

圖2 老年軀干模型

模型建立后須經(jīng)驗證，才能進行仿真。據(jù)了解，Kroell等［14-15］在40多年前對37個尸體標本的胸部進行了碰撞，其中有8個年齡不同的女性樣本。表3列出了這些樣品的特征和不同的碰撞邊界條件。碰撞設置如圖3所示。為對有限元模型進行驗證，須分析每個樣本的受力和胸部壓縮量。其中，6號尸體實驗所使用的擺錘質量明顯低于其他實驗，6號和8號尸體實驗的碰撞速度明顯高于其他實驗，因此排除這兩個樣本進行力和胸部壓縮量的響應比較。 對CHARM_70老年人體模型的驗證，仿真設置如圖3所示。圓盤邊緣直徑為152 mm、質量為19.5 kg的無襯墊擺錘以7 m/s的速度撞擊在模型的中間胸骨位置。然后進行力和胸部壓縮量的對比來驗證模型的準確性。選用由Kroell等在表3中編號分別為1、2、3、4、5、7號尸體實驗中的碰撞數(shù)據(jù)，圖4中將力和胸部壓縮量響應與仿真數(shù)據(jù)進行比較。對尸體實驗數(shù)據(jù)進行縮放，以使實驗與模擬結果的慣性效應相當。由圖可見，仿真與實驗的力和胸部壓縮量趨勢相同，仿真的數(shù)據(jù)在實驗的范圍內(nèi)，即仿真數(shù)據(jù)與尸體實驗數(shù)據(jù)匹配度較高。

Kroell等進行的實驗報道了與肋骨骨折和軟組織有關的損傷。在所有的實驗中肋骨骨折是常見的。CHARM_70模型實驗中能預測到7處肋骨骨折（圖5），肋骨骨折用單元缺失表示。由此進一步驗證了CHARM_70模型的準確性。老年人體模型胸部碰撞的運動學響應如圖6所示，隨著時間的推移，胸部變形越來越大。

表1 CHARM_70胸部模型的部分材料屬性

表2 70歲女性模型器官損傷預測閾值

由圖6可見，該老年人體能真實模擬人體胸部在受到正面鈍性沖擊時的反應，人體受力變形曲線在尸體實驗響應的范圍內(nèi)，因此認為該老年人體整體模型在該工況下的驗證有效。

1.3 整車尸體正面碰撞實驗

參考Petitjean等［16］的尸體實驗研究，進行了老年人體模型胸部整體正面碰撞實驗研究。美國韋恩州立大學使用尸體樣本進行了正面臺車碰撞實驗，其碰撞運動學響應和仿真碰撞對比如圖7所示。

表3 擺錘碰撞實驗數(shù)據(jù)與CHARM_70的對比

圖3 圓盤擺錘沖擊實驗裝置（左）和圓盤擺錘沖擊仿真設置（右）

圖4 圓盤擺錘碰撞力 胸部壓縮量對比

圖5 CHARM_70模型胸部肋骨骨折示意圖

圖6 老年人體模型胸部正面碰撞運動力學響應

圖7 尸體實驗與CHARM_70模型正面碰撞運動學響應對比

在仿真中，設置與尸體實驗相同的加速度曲線，該加速度曲線由歐洲新車評價規(guī)程（EURONCAP）認定，代表車體以64 km/h速度撞擊可變形壁障的加速度響應。本文中為與尸體實驗樣本對比，利用LS-Prepost軟件設置安全帶限力4 kN。座椅剛性結構與車體進行剛性連接。調(diào)節(jié)人體姿態(tài)使其處于標準駕駛姿態(tài)，手臂置于汽車轉向盤上。使用LS-DYNA有限元求解器進行計算，人體模型在該工況下的響應如圖7所示。由圖可見，人體在受到車體的減速度時由于慣性向前傾斜，但在安全帶的約束下并未發(fā)生很大的前傾情況，符合人體在車輛前撞中的運動學響應。尸體樣本響應與模型仿真具有相同的趨勢，從而驗證了CHARM_70模型的有效性。

2 老年人體胸部碰撞響應研究

2.1 碰撞邊界條件定義

參考Holmqvist等［17］的尸體實驗，對兩個老年PMHS（PMHS1-80歲和PMHS2-65歲）進行了5次擺錘碰撞實驗。碰撞擺錘裝置如圖8所示，碰撞用的擺錘前端裝有一個邊緣直徑為152 mm的圓盤B，或橫著安裝一根長400 mm、直徑30 mm的可拆卸的圓鋼桿A，用于模擬轉向盤輪緣的載荷分布。后面是兩個可拆卸的擺錘配重C，用以調(diào)整撞擊質量。設置了3種不同的碰撞高度，如圖9所示。其中中間位置表示第4與第5肋骨中間位置，高處位置和低處位置分別為中間位置上移50 mm 和下移50 mm。灰色表示圓盤碰撞，黑色表示圓桿碰撞。中間位置的圓盤擺錘碰撞被作為參考，與其它設置下的損傷標準（例如胸部最大壓縮量Cmax和最大黏性響應系數(shù)VCmax）相比較。

圖8 碰撞擺錘裝置

圖9 實驗與仿真胸部碰撞位置

兩種撞擊頭，3種碰撞高度，加上沖擊速度和質量的變化，共設置5種撞擊工況：1-3為圓桿以2.4 m/s的速度和25.8 kg的撞擊質量進行中、高、低位3次碰撞，分別用BM（bar_middle location）、BH（bar high location）和BL（bar，low location）表示。4為圓盤以2.4 m/s的速度和23.4 kg的撞擊質量對中間位置進行一次碰撞，用DM（disk，middle location）表示。5為圓桿以3.73 m/s的速度和9.6 kg的撞擊質量對中間位置進行一次碰撞，用BM*（bar，middle location with higher speed and smaller mass）表示。選擇擺錘的質量和速度時，保持低于會引發(fā)肋骨骨折的水平［18］。

另一方面，采用CHARM_70老年人體模型，參照PMHS1和PMHS2擺錘撞擊實驗的設置，進行同樣5種工況的HBM仿真碰撞，并對胸部響應結果進行對比分析。

2.2 胸部響應的評價方法

胸部損傷有多種形式，如胸腔內(nèi)部心臟、肺部、血管的損傷和肋骨的骨折等。雖然肋骨骨折是很嚴重的傷害，但一兩根肋骨的損傷對整個胸部損傷影響較小。然而當使用尸體來評估胸部損傷時，肋骨骨折是唯一的評價方法，因為心臟和肺部的損傷通常在尸體中無法準確評估。由于人體傷害耐受度不同，肋骨骨折的數(shù)量與胸部器官損傷的嚴重程度并沒有很大的差別。

在本研究中，碰撞載荷設置較小，因此在不會引起骨折的范圍內(nèi)，使用兩種最常用的損傷標準，胸部最大壓縮量Cmax和最大黏性響應系數(shù)VCmax來評估胸部響應。胸部壓縮量C定義為碰撞前后胸部厚度之差。而胸部厚度則隨碰撞高度，即隨撞擊頭與胸部接觸部位而變化，定義為在碰撞高度的橫截面上，胸部后背皮膚中點至撞擊頭前端線的距離，以D（t）表示。t為時間，說明在碰撞過程中，胸部厚度隨時間而變。設碰撞初始時刻t=0，碰撞持續(xù)時間為t1，即碰撞終了時刻t=t1，則胸部壓縮量C=D（0）-D（t1）。為衡量胸部壓縮的程度，需要引入另一個指標，即胸部壓縮率Cr，定義為胸部壓縮量與胸部初始厚度的比值，即

圖10示出胸部壓縮率與碰撞速度的關系［19］，而不同的壓縮率又往往代表不同的胸部損傷類型。

黏性響應系數(shù)VC主要用于高速碰撞下的軟組織損傷評估，它表明損傷是瞬時胸部速度和胸部壓縮百分比的乘積：

圖10 速度與胸部損傷類型的關系

式中：D（t）為隨時間t變化的胸腔厚度，m；D（0）為胸腔的初始厚度，m。

2.3 胸部響應分析

Holmqvist等［17］在實驗中已對兩個PMHS進行了縮放。CHARM_70代表50百分位的70歲老人，本次實驗無需再進行縮放。PMHS的縮放程序完成后，對響應進行分析。繪制力胸部壓縮量圖，并對碰撞條件的響應進行比較。CHARM_70模型與縮放后PMHS響應的力 胸部壓縮量的關系如圖11所示。CHARM_70模型碰撞過程中的最大受力范圍為0.72～1.94 kN，最大胸部壓縮量范圍為31～67 mm。PMHS1碰撞過程中的最大受力范圍為0.94～1.86 kN，最大胸部壓縮量范圍為43～65 mm。PMHS2碰撞過程中的最大受力范圍為0.84～1.84 kN，最大胸部壓縮量范圍為42～63 mm。從圖11還可以看出，在圓桿碰撞CHARM_70模型的4種工況中，碰撞胸部高處位置時（BH），胸部壓縮量最小，但胸部受力的峰值最大。

圖12和圖13分別示出仿真（CHARM_70）和實驗（PMHSs）結果的胸部最大壓縮率Cr，max和胸部最大黏性響應系數(shù)VCmax。由圖可見，相對于PMHSs，CHARM_70模型的胸部最大壓縮率較小。當使用圓盤碰撞中間位置（DM）時，CHARM_70模型的胸部最大壓縮率為23.4%，比圓桿碰撞中間位置（BM）時，多了約3個百分點。當使用圓桿碰撞低處位置（BL）時，CHARM_70模型胸部最大壓縮率最大，為22.3%，比中間位置（BM）和更高位置（BH）都大。從圖12還可以看出，PMHS1、PMHS2與CHARM_70模型的胸部最大壓縮率差別很小。

圖11 在5種不同條件下的力胸部壓縮量曲線

縮放后PMHS1和PMHS2的最大黏性響應系數(shù)VCmax與CHARM_70模型VCmax的對比如圖13所示。CHARM_70模型相同位置的碰撞中，與圓桿碰撞相比，圓盤碰撞的胸部最大黏性系數(shù)約大38%。對比圓桿碰撞不同位置的VCmax發(fā)現(xiàn)，碰撞位置越高，胸部最大黏性系數(shù)就越小，低處位置圓桿碰撞（BL）的胸部最大黏性系數(shù)比高處位置圓桿碰撞（BH）大70%；碰撞高度對PMHS1和PMHS2胸部最大黏性系數(shù)的影響趨勢與CHARM_70模型相似。

由圖12和圖13對比可見，各工況之間Cr，max的差別比各工況之間VCmax的差別小。

2.4 胸部初始厚度的計算

本次研究主要是了解不同的撞擊頭和不同的碰撞位置、速度與質量對老年人胸部損傷的影響。相對于Kroell等的胸部圓盤碰撞實驗，本次實驗一直保持碰撞能量在一個較低的水平，目的是避免胸部肋骨骨折，以保持胸腔的完整度，且可研究在較低傷害情況下的胸部響應。

圖12 仿真和實驗的胸部最大壓縮率C r，max

圖13 仿真和實驗的胸部最大黏性系數(shù)VC max

前面提及，評估胸部響應的兩個最常用的損傷標準是胸部最大壓縮量Cmax和最大黏性響應系數(shù)VCmax。它們的確定都需要計算胸腔初始厚度D（0）。但D（0）受不同因素的影響，首先是碰撞高度的影響，由于人體胸部的空間外廓在不同高度上的截面不同，D（0）自然隨高度而變化；其次是撞擊頭的影響，即使在同一高度上，由于圓盤和橫向圓桿的形狀不同，它們與胸部的接觸部位也不同。

由于胸部突起，圓桿會首先與胸部兩邊接觸，圓盤則與胸部正中部位接觸，即圓盤的位置會比圓桿更靠近胸部后背，因而使D（0）較小，這點應該引起注意。

3 結論

對CHARM_70老年人體有限元胸部模型進行驗證，從圓盤擺錘胸部碰撞仿真可以看出，胸部的受力大小和壓縮量落在實驗數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，肋骨骨折數(shù)量為7，與尸體實驗一致。對整車胸部正面碰撞仿真的結果表明，CHARM_70模型與尸體實驗具有相似的運動學響應，CHARM_70胸部模型具有良好的逼真度。

從CHARM_70模型與尸體實驗對比可以得出結論：老年人在胸部受到碰撞時，圓桿碰撞的受力比圓盤擺錘的受力更小，當碰撞載荷由圓盤改為圓桿時導致載荷分散，胸部受力減小；圓桿碰撞的響應取決于其與胸部的碰撞位置，高處位置圓桿碰撞的胸部平均響應為中部圓桿碰撞的82%，低處位置圓桿碰撞的胸部平均響應為中部圓桿碰撞的111%；即當碰撞點的位置降低時，胸部的最大壓縮量逐漸增加，胸部最大黏性響應增大，但是胸部接觸力會隨之減??；當碰撞點的位置升高時，胸部受力將會增加，但胸部的壓縮量和胸部黏性響應系數(shù)都會降低。當碰撞載荷改變時，胸部響應也會改變。

雖然研究中并沒有足夠多的數(shù)據(jù)來驗證老年人在轉向盤輪緣碰撞胸部時的響應，但通過與尸體實驗的對比，確認了胸部響應變化的規(guī)律，可以用于老年駕駛員安全系統(tǒng)的研發(fā)，并對降低老年駕駛員在碰撞過程中的胸部損傷提供指導作用。