中國體征第五百分位女性汽車乘員損傷仿生模型開發及驗證*

李海巖，胡 靜，賀麗娟，冉令華，呂文樂，崔世海，阮世捷

（1.天津科技大學，現代汽車安全技術國際聯合研究中心，天津 300222；2.中國標準化研究院，北京 100191）

前言

汽車安全技術的進步對減少機動車事故中乘員傷亡起到了顯著效果，但世界衛生組織統計報告指出，全球每年仍然有大約135 萬人在交通事故中喪生，有20萬～50萬人遭受非致命傷害，如何降低交通事故中傷亡人數仍是重要的課題［1］。有研究使用NASS-CDS（national automotive sampling systemcrashworthiness data system）（1998-2015）數據對汽車正面碰撞中乘員損傷分布和損傷風險進行詳細分析，發現女性遭受AIS 2+和AIS 3+的風險高于男性［2］。在低速碰撞下，女性汽車乘員受到揮鞭傷的風險也是男性乘員的兩倍［3］。由于身材較小，第五百分位女性汽車乘員在碰撞發生時易發生下潛，較大的腰帶力侵入腹部導致損傷，約束系統對其損傷防護效果也低于對第五十百分位男性乘員的保護［4］。因此對小身材女性乘員的安全防護研究應給予更多的關注。

為增強對女性乘員的保護，各國汽車安全法規和新車評價規程都引入第五百分位女性碰撞損傷評價。Humanetics 公司［5］開發了小身材女性人體測量測試設備（anthropometric test devices，ATDs）Hybrid III 5th假人，被廣泛應用于碰撞安全性能測試評價試驗中。THOR-5F 作為新近開發的女性假人在生物仿真度方面有很大提高［6］，隨著Euro NCAP 于2020年開始采用THOR-50M 男性假人進行MPDB 碰撞試驗［7］，未來THOR-5F 也將代替Hybrid III 5th女性假人應用于各國新車評價規程中對乘員保護測試評價。但是ATDs針對特定碰撞方向開發，因此重現人體運動學能力方面受到一定的限制，無法有效地評估人體碰撞響應和與損傷相關的局部物理變量，如定量預測與評估復雜的胸部變形和骨折模式［8］，因此以有限元理論為基礎的數值計算模型被開發用于研究人體碰撞損傷機理。

目前國外針對歐美人體測量尺寸已經開發出幾個版本的五百分位女性有限元模型。早期開發的五百分位女性模型大都通過比例縮放獲得新的形態模型，無法保證內部尺寸的準確性，此外無論在幾何還是材料屬性方面都沒有充分考慮性別差異。如歐洲人體安全模型（human model for safety，HUMOS）基于人體外部維度與內部維度的關系，通過縮放第五十百分位男性模型獲得了第五百分位女性模型［9-10］。類似的Happee 等［11］通過縮放中等身材男性的幾何形狀和關節特性開發了一種基于MADYMO 的小型女性人體模型，該模型大多數結構定義為剛體，只有胸部描述為可變形的柔性體。豐田整人安全模型（total human model for safety，THUMS）開發了美國五百分位女性乘員模型（AF05-O）。該模型的頭、頸、脊椎及四肢是按比例縮放THUMS-AM50開發，考慮到性別與解剖學差異對胸部和骨盆區域重新開發，不具備詳細的內臟結 構［12］。Kimpara 等［13］將THUMS-AF05（乘員1.0? 版）與韋恩州立大學人體胸部模型［14］整合并修改開發了五百分位女性胸部模型。該模型根據6 組小身材女性尸體試驗對胸部剛度進行了有效性驗證。如今THUMS AF05-O 發展更新到第六代，已具有可以模擬人體運動與損傷較詳細的內臟與腦組織結構，并具備主動肌肉。楊潔［15］基于THUMSD-F05 對不同的身體部位利用不同的縮放因子分別進行縮放，建立代表中國第五百分位女性人體測量尺寸的有限元人體模型，對比分析了東西方五百分位女性人體碰撞損傷差異。全球人體模型聯盟（global human body models consortium，GHBMC）一直致力于開發全球最詳細和準確的有限元模型。2015 年 Davis 等［16］基于志愿者在坐姿狀態的綜合醫學影像和人體測量數據建立了 F05-O 模型，該模型除腹部外大都采用六面體網格，材料定義是基于GHBMC M50，從局部剛性碰撞到全身滑車試驗10 個案例進行了有效性驗證。為提高仿真速度與研究乘員運動學，GHBMC開發了五百分位女性乘員簡易版模型（F05-OS），該模型簡化了部分軟組織結構，內臟結構由內腔組件填充代替，腦組織也由單個質量點替代［17］。上述兩種模型的解剖學結構表達還不夠詳細，如四肢肌肉并未單獨建模而是融合成具有均勻材料特性的連續體。

中國人體測量尺寸與歐美國家人體尺寸存在一定差異，使用代表歐美人體尺寸的模型評價中國乘員在汽車碰撞過程中的損傷是否可靠還需要進一步研究，因此十分必要開發一個具有自主知識產權的符合中國第五百分位女性體征的汽車乘員損傷仿生模型，應用于汽車碰撞仿真中以研究小身材女性乘員損傷機理和智能汽車座艙安全系統開發。

1 方法

1.1 模型開發

本研究旨在開發小身材女性汽車乘員生物力學模型，因此主要以身高和坐高為選擇參考，依據中國標準化研究院最新測量統計數據，選取符合中國第五百分位女性體征的身高153 cm、坐高83 cm、體質量62 kg 志愿者，依據如圖1 所示的流程進行模型開發。首先基于志愿者CT 醫學影像數據精確提取全身各組織器官的幾何輪廓，通過曲面化處理與網格劃分，構建具有詳細解剖學結構頭、頸、胸腹及四肢有限元模型。為避免單次長時間拍攝CT 可能給人體帶來的輻射，本研究影像數據分4 次掃描完成，因此存在坐標系不一致問題，需要將局部坐標系整合到全局坐標系。以胸腹部所在坐標系作為基準坐標系，分別將頭頸部、上肢及下肢由局部坐標系整合定位到基準坐標系。以上肢與胸腹部的整合定位為例，如圖2 所示：例如胸腹部與上肢CT 中都包含鎖骨的圖像信息，則從上肢CT 中提取鎖骨幾何模型G（E），利用Geomagic 軟件中的最佳擬合指令將胸腹部劃分好曲面片布局的鎖骨幾何模型G（T）移動到G（E）相同的位置，從而將此位置下G（T）作為上肢定位基準P（E）。此方法的運用是保證P（E）與G（T）有相同的曲面片布局，從而保證網格劃分的一致性。再將劃分好網格的P（E）有限元模型與上肢有限元模型導入胸腹部有限元模型所在坐標系，利用Hypermesh軟件中的position指令實現整合定位。

圖1 中國第五百分位女性汽車乘員損傷仿生模型開發

圖2 定位基準的獲取

參照小身材女性汽車乘員軀干舒適角范圍，以有限元模型的髖臼窩、膝關節、足關節、肩關節和肘關節處旋轉中心的水平軸線定義為旋轉軸，將五百分位女性有限元模型調整為乘員姿態?？紤]到人體由仰臥姿勢到坐立姿勢脊柱生理曲度與肌肉的形態變化，參考成人坐姿脊柱生理曲度，對五百分位女性脊柱生理曲度進行校正。按照肌學原理中人體在坐姿狀態下肌肉的拉伸或壓縮形態，對脊椎、臀部、膝關節及肘關節處的肌肉進行優化調整。對發生網格干涉穿透的骨骼、內臟與肌肉有限元模型進行微調。最后通過構建韌帶、肌腱、皮膚與脂肪等軟組織，完成具有高生物仿真度的中國第五百分位女性汽車乘員損傷仿生模型（TUST IBMs F05-O）的構建，模型身高153 cm、坐高83 cm、體質量58.4 kg，總計92.5萬個節點，111.1 萬個單元，其中實體單元 66.6 萬個，殼單元44.5萬個。

所構建的模型（Pamcrash 版本）由400 個部件組成，包含詳細的腦組織、內臟、肌肉、韌帶、骨骼、皮膚及脂肪等組織結構。為提高仿真度和運算穩定性，模型采用六面體單元與殼單元建模，組織結構間采用共節點與設置單面接觸的方式進行連接，網格大小及質量設置了嚴格閾值，網格邊緣長度控制在3-8 mm，雅克比大于0.3，翹曲度小于60°，扭曲度小于80°，長寬比小于10。天津科技大學現代汽車安全技術國際聯合研究中心已經在組件層面對頭部、頸部、胸腹部及下肢進行了詳細的驗證試驗［18-20］。

1.2 模型驗證

應用所開發的TUST IBMs F05-O 模型重構胸腹部鈍性沖擊尸體試驗，表1 所示為尸體試驗加載條件。模擬4 種區域加載條件，分別進行一組胸部正面沖擊試驗及兩組不同速度下的胸部側面沖擊試驗，一組腹部正面棒擊試驗及一組腹部側面沖擊試驗，如圖3 所示。所開發的模型身高誤差在±10%內，在此身高范圍內的女性尸體樣本可視為具有五百分位女性人體測量尺寸［21］。

表1 胸腹部鈍性沖擊尸體試驗信息

圖3 胸腹部驗證試驗設計

1.2.1 胸部正面撞錘沖擊驗證試驗

參考Kroell 等［22-23］進行的胸部正面撞錘沖擊尸體試驗，在其中8 例未防腐的女性受試者中，試驗編號30FF 受試者可視為進行仿真驗證試驗加載條件參考的最優選擇。將五百分位模型放置在水平剛性平面上，構建直徑為152 mm、質量為1.59 kg 的剛性撞錘，其軸線對準胸骨中心約第4 肋骨間隙處，沖擊速度為13.23 m/s。設置沖擊體和剛性平面與人體之間的接觸，動摩擦與靜摩擦因數均設為0.3，見圖3（a）。

1.2.2 胸部側面撞錘沖擊驗證試驗

參考Vinao 等［24］進行的胸部側面撞錘沖擊尸體試驗，尸體編號008 的受試者在某種程度上可認為符合五百分位女性人體測量尺寸，首先進行了胸部右側面5.2 m/s的低速沖擊試驗（試驗編號29），見圖3（b）。在檢測到沒有任何骨損傷的情況下又進行了胸部左側面9.7 m/s的高速沖擊試驗（試驗編號33）。參照尸體試驗設置條件構建質量為23.4 kg，直徑為150 mm 的剛性撞錘，撞錘中心軸線與人體有限元模型正中矢狀面夾角為60°，撞擊中心位于胸骨劍突處，見圖3（c）。

1.2.3 腹部正面棒擊驗證試驗

參照 Cavanaugh 等［25］利用尸體樣本進行的腹部正面棒擊試驗，在其中4 例女性受試者中，尸體試驗編號19 可視為本次仿真驗證的參照。構建質量為31.24 kg、直徑25 mm、長381 mm 的剛性棒體，平行于體寬方向放置，以5 m/s 的速度沖擊第3 腰椎水平的腹部，見圖3（d）。

1.2.4 腹部側面撞錘沖擊驗證試驗

為驗證所開發模型腹部的損傷耐受性及腹部剛度，Vinao也進行了腹部側面撞錘沖擊尸體試驗。同樣選用尸體編號008 受試者，按照尸體試驗編號30的加載條件進行仿真驗證。構建質量為23.4 kg、直徑為150 mm 的剛性撞錘，撞錘軸線與人體模型正中矢狀面夾角為60°，并位于胸骨劍突下方7.5 cm 處，見圖3（e）。

2 仿真結果

2.1 胸腹部接觸力-壓縮量曲線

5 組驗證試驗胸腹部接觸力-壓縮量曲線如圖4所示。仿真結果總體趨勢與尸體試驗吻合較好，分別落在相應的尸體試驗通道內。與尸體試驗相比，仿真所得最大壓縮量均略小于尸體試驗，最大接觸力與尸體試驗數值相近，平均數值差異保持在10%以內，如表2 所示。從而驗證了所開發模型胸腹部剛度具有較高的有效性。在模型前期開發過程中，局部胸腹部模型已通過3 組鈍性沖擊試驗驗證了有效性［19］，如圖4（a）、圖4（c）和圖4（d）所示。與局部胸腹部模型3 組仿真試驗相比，整人模型與局部胸腹部模型有相似的曲線走勢，但整人模型的胸腹部剛度略大于局部胸腹部模型。

表2 胸腹部最大接觸力與最大變形量

圖4 胸腹部接觸力-壓縮量曲線

2.2 胸腹部生物力學響應

模型肋骨密質骨的材料失效應變設定為0.023 75，當肋骨密質骨單元超過失效應變值時，就會出現單元刪除現象來代表肋骨骨折［26］。如圖5 所示，在胸部正面撞錘沖擊試驗中，尸體試驗共檢測到3 處簡單肋骨骨折，仿真驗證所得肋骨最大第一主應變值為0.022 43，接近失效應變值，但沒有出現肋骨骨折現象；低速（5.2 m/s）胸部右側面撞錘沖擊仿真驗證中，肋骨最大塑性應變為0.023 43，沒有出現單元刪除現象，未發生肋骨骨折，與尸體試驗結果一致；高速（9.7 m/s）胸部左側面撞錘沖擊試驗中，尸體試驗在左側R4、R5、R6、R7與R8處共檢測出5 處肋骨骨折，仿真驗證所得肋骨最大塑性應變為0.023 75，左側R4、R5、R6、R7處出現了4處肋骨骨折現象。

圖5 肋骨最大塑性應變云圖

胸腹部內臟器官最大第一主應變值如圖6 和表3 所示。超過相應損傷閾值表明發生損傷的概率較大，設定肺部損傷閾值為28.4%［27］，心臟、肝、腎、脾的損傷閾值為30%［28-29］，大腸、小腸與胃的損傷閾值為130%［30］。胸部正面撞錘沖擊尸體試驗中并未對內臟損傷進行檢測，驗證試驗中通過觀察左肺與右肺的最大第一主應變云圖可知，左肺與右肺有較高的損傷風險，同時還可觀察到肺部最大第一主應變出現位置及相應的時間，其中左肺與右肺均在12 ms達到最大第一主應變，而仿真所得曲線峰值出現在6 ms左右，這驗證了尸體試驗中所述，低質量與高速度沖擊下，產生短時間高峰值力與人體損傷無關。在低速5.2 m/s的胸部右側面撞錘沖擊仿真驗證中，肺部、心臟、肝與腎部最大第一主應變小于相應的損傷閾值，表示發生損傷的概率較小，與之相對應的尸體試驗也并未檢測到內臟損傷。在高速（9.7 m/s）胸部左側面撞錘沖擊試驗中，雖然出現5 處肋骨骨折，但并未檢測到內臟損傷，在仿真試驗中左肺的最大第一主應變為31.8%，表明有發生損傷的風險，其中多根肋骨連續性骨折也增加了肺部發生損傷的風險。腹部正面棒擊沖擊試驗中，沖擊處的內臟器官最大第一主應變并未超過相應的損傷閾值，與尸體試驗結果一致，小腸最大第一主應變的產生主要是因為軀干彎曲受到脊柱的擠壓力而產生。腹部側面撞錘沖擊仿真試驗內臟器官最大第一主應變并未超過相應的損傷閾值，與尸體試驗結果一致。

表3 胸腹部鈍性沖擊仿真驗證內臟最大第一主應變

3 討論

如圖4 所示，仿真驗證中模型開始受到沖擊力產生變形時，接觸力-壓縮量曲線斜率接近尸體試驗通道的上邊界，分析原因有兩方面。其一，接觸力-壓縮量曲線所覆蓋的面積為人體吸收的沖擊能量，模型與尸體試驗受試者存在個體差異，相較于尸體試驗受試者脂肪組織層較厚，吸收的沖擊能量相對較大。同時體質量差異造成的影響在卸載階段也相對明顯，當剛度恒定上升達到峰值后，尸體試驗的接觸力-變形量曲線以較大的幅度卸載，而模型首先經過一段平緩的過渡期，即接觸力逐漸減小而壓縮量會繼續增大到最大值后才會進入較快的卸載階段。其二，相比于尸體試驗，仿真試驗對參數變化更為敏感，尸體試驗是通過高速攝像機記錄軀干偏移數據，而仿真驗證所得壓縮量是由沖擊器軸線所穿過的人體前后皮膚兩個點的位移差獲得，在模型開始受到沖擊力，接觸力逐漸增大，測量壓縮量的點受到沖擊力延遲所以壓縮量變化較小，因此曲線斜率在碰撞開始時較高。

整人模型的接觸力-壓縮量曲線表現出與局部胸腹部模型相似的趨勢，但整人模型的胸腹部剛度表現出略高于局部胸腹部模型的特征，產生該差異的原因主要有兩點。其一，連接方式的不同，整人模型脂肪組織與內部軟組織為共節點連接，而局部胸腹部模型采用面面接觸關鍵字實現脂肪與內部軟組織連接，因此脂肪組織與軟組織之間留有空隙，影響力的傳遞。其二，局部胸腹部模型只在第1 胸椎上增加了5 kg 的質量點代表頭頸部，并未考慮四肢質量對模型運動響應的影響，無四肢力的阻礙，局部胸腹部模型表現的剛度相對較小。

在腹部正面棒擊試驗中，四肢對響應的影響相對明顯，隨著沖擊棒逐漸深入，沖擊力由軀干逐漸傳遞到四肢，在這個力傳遞過程中四肢運動遲后使脊柱逐漸彎曲抵抗腹部受到的壓縮力，同時腹部脂肪組織聚集于沖擊處阻礙沖擊棒繼續前向運動，如圖7 所示，因而造成整人模型的接觸力大，而壓縮量小的現象，從而表現出略大的腹部剛度。若無下肢的牽制力，脊柱的彎曲變化很小，下腹部在沖擊力的作用下將繼續運動，因而腹部剛度較小。

驗證試驗中模型預測的肋骨骨折數與尸體試驗略有差異，分析有幾方面原因。其一，仿真驗證所得胸腹部變形量略小于尸體試驗，模型的脂肪層較厚緩沖了部分沖擊能量，對肋骨起到一定的保護作用。其二，相關研究表明肋骨和胸椎之間的角度，肋骨剛度均與年齡相關［31］，所開發模型的幾何數據來自健康的40 歲女性志愿者，而尸體試驗志愿者年齡在50 歲，胸椎角度隨年齡增長的變化及骨質的力學屬性的變化都會影響肋骨的受力。其三，根據Mohr等［32］的研究，肋骨密質骨后端厚度大于前端，內側厚度明顯大于外側。Li等［33］也指出相比于厚度恒定的皮質骨模型，可變厚度的四邊形皮質骨殼體模型雖然對模擬骨折位置影響不大，但能夠更準確地匹配骨折力-失效位移關系。本研究所開發的模型肋骨皮質骨厚度恒定，因此可能會影響肋骨骨折響應?？傮w來講，所開發的模型能夠預測復雜的胸部變形與肋骨骨折形式，在仿真驗證中也精確再現了尸體試驗肋骨出現骨折的位置，但模型與受試者的個體差異也使預測的肋骨骨折數略有不同。為更加準確地預測肋骨骨折，今后模型須更準確地模擬皮質骨幾何形狀及厚度變化。

本研究分別提取了5 組仿真試驗中內臟器官最大第一主應變，并與相應尸體試驗檢測的內臟損傷相比較。結果表明，所開發的模型能較為準確地預測內臟損傷。盡管胸部側面撞錘沖擊尸體試驗（9.7 m/s）并未檢測到肺部損傷，但仿真試驗所得肺部最大第一主應變已超出損傷閾值，說明肺部發生損傷的風險較高。究其原因：仿真試驗中4 根肋骨發生連續性骨折，這種多發性肋骨骨折會降低胸廓的強度，因此肺部受到的壓迫力更大，增大了肺部發生損傷的風險。

4 結論

首次基于符合中國第五百分位女性特征的志愿者醫學影像，開發了具有中國第五百分位女性體征的汽車乘員損傷仿生模型，相較于在國外模型基礎上更改的模型，該模型具有自主知識產權，可為我國汽車行業自主研發汽車全域安全系統及汽車安全測評提供基礎數據。在頭、頸、胸腹和下肢局部模型有效性驗證的基礎上，參照小身材女性尸體試驗加載條件，模擬了4 種區域加載條件，共進行5 組正面與側面鈍性沖擊試驗，驗證整人模型的有效性，得出以下結論。

（1）仿真驗證所得接觸力-壓縮量曲線與尸體試驗趨于一致，最大接觸力與最大壓縮量和尸體試驗平均差異在10%以內，驗證了模型的有效性。仿真驗證所得內臟器官生物力學響應與尸體試驗檢測結果基本一致，從應力應變云圖能較直觀地觀察并分析損傷發生的位置以及造成損傷的原因。因此，該損傷仿生模型具有較高可靠性，可以用于人體損傷仿真計算分析。

（2）整人模型的接觸力-壓縮量曲線表現出與局部胸腹部模型相似的趨勢，但在四肢運動響應的作用下，整人模型的胸腹部剛度略高于局部胸腹部模型，因此整人模型更能準確地反映人體的運動學響應。

本研究所開發的中國第五百分位女性體征汽車乘員損傷仿生模型（TUST IBMs F05-O）具有詳細的解剖學結構特征，且通過再現尸體試驗驗證模型具有較高的生物仿真度，可用于汽車碰撞中小身材女性乘員損傷機理研究，能夠為汽車數字化測評技術、汽車主被動安全一體化研究和智能汽車安全防護裝置的研發提供基礎數據和技術支撐。