作者简介: 赖兴华(1983—), 男(汉), 福建, 博士, 助理研究员。
针对现有假人仅限于有限的特定碰撞方向应用的不足,提出了一种可同时满足正向(0°)、 侧向(90°)和斜向(60°)动力响应生物力学逼真度的假人胸部概念模型,使用弹簧阻尼单元模拟人体胸部不同方向的粘弹性动态力学响应特性,对人体尸体(PMHS)胸部正向、侧向和斜向力学响应进行了1维集总参数动力学模拟,及2维3方向耦合假人胸部有限元模型构建及参数优化。结果表明: 满足多方向力学响应的概念假人胸部方案是可行的,所建立的多方向耦合胸部数字模型是可靠的,该模型能够用于包含斜向碰撞在内的多种碰撞工况下的乘员胸部伤害风险研究。
Existing crash test dummies are commonly designed to work in a specific loading direction. Without validation of their responses in other directions, say with oblique forces, the use of such dummies to evaluate injury risks of occupants in complex loading conditions is questionable. This paper describes a conceptual dummy thorax structure which can function in pure frontal, pure lateral and oblique 60˚ loading directions by properly positioning spring-damper modules inside the thorax structure. The dynamic behavior of the thorax to these three different directions is simulated using lumped-mass spring damper models and by building a simplified two-dimensional finite element dummy chest model that couples all three directions. The results show that the dummy thorax model can work in multiple loading directions. The validated mathematical model is reliable, with potential to be used in thorax injury studies for multiple/complex crash loading conditions, including oblique impact.
胸部伤害是交通事故中导致乘员重伤和死亡的主要原因之一[1]。碰撞假人是开展汽车碰撞下乘员伤害评估和安全防护研究的重要工具。现有假人一般设计为在单一方向(正向、侧向和后向)的碰撞工况下使用,然而实际事故中乘员胸部常受斜向加载等复杂载荷作用,且人体尸体(post mortem human subject, PMHS)胸部在斜向载荷作用下的损伤特征和机理与其他方向明显不同[2,3,4]。
迄今,尚不存在满足斜向力学响应生物逼真度要求的碰撞假人胸部结构。Hybrid III主要是参考PMHS胸部正面冲击响应数据而开发的[5]。下一代正撞假人THOR胸部结构虽然有较大改进,不过仍然仅适用于单一的正面碰撞工况[6]。侧撞假人种类较多(例如SID, BioSID, ES-2, WorldSID), 尽管它们都设计用于侧向碰撞耐撞性评估,但不同假人的胸部响应特征存在差异[7]。基于THOR开发的POLAR行人假人的胸部结构同时满足正面和侧面碰撞响应要求[6],但POLAR胸部结构也只有正向响应输出,而其斜向力学响应特性未经过验证。Q系列是迄今为止生物逼真度最好的儿童假人,能同时用于正面和侧面碰撞的(胸部)响应评估[8],但其斜向响应也未经过验证。
假人的多样性造成汽车碰撞试验复杂,成本高昂。设计适用于多种碰撞工况的假人是未来的发展趋势,但却存在较大的技术挑战性[9]。作为概念研究,本论文尝试性设计了一种适用于多种碰撞载荷工况(正向、侧向以及斜向60°)的概念假人胸部集总参数动力学模型。
图1为本文提出的满足正向、斜向60°和侧向动力响应生物逼真度的概念假人胸部结构。通过在3个设计方向布置弹簧阻尼器,实现胸部不同方向的力学响应特性。
 | 图1 胸部肋骨平面多方向响应机制概念设计 |
首先,分别进行PMHS胸部侧向、正向和斜向的集总参数动力学仿真分析,获得表征PMHS胸部各方向力学响应的主要参数值。接着,建立胸部3方向耦合2维简化有限元模型,将上述参数值代入模型进行多工况同步优化与参数调整,最终完成模型验证。
图2为胸部集总参数动力学模型。在该模型中,冲击块、肋骨及脊柱的等效质量分别为 m1, m2,
m3。其中,脊柱的等效质量考虑了头部和四肢的惯性对胸部动力学响应的约束作用。弹簧阻尼参数 K1、 C1表征冲击块与肋骨之间的皮肤肌肉组织的粘性作用。另一组弹簧阻尼参数 K2、 C2表征动态载荷作用下肋骨的弹性形变和胸内部器官的粘性响应。
在Matlab/SimMechanics平台上建立胸部1维动力学模型,模拟人体胸部结构受钝型冲击的动力学响应,如图3所示。
 | 图3 胸部1维冲击动力学仿真模型 |
参考Hybrid III硬件及法规[10]试验要求设定模型中冲击锤、肋骨及脊柱质量。 m1为23.4 kg, m2为6根肋骨的质量加上胸骨和部分胸部位移传感器机械结构的质量,约5 kg。考虑假人头部、下躯干和四肢的质量,定义脊柱的等效质量 m3为60 kg。
约束脊柱相对地面沿加载方向自由平动。定义冲击块初速度4.3 m/s,输出为冲击块的加速度,乘以质量获得载荷大小。
图4为仿真结果与ISO/TR9790[11]对侧撞假人胸部冲击响应要求的对比,对应弹簧阻尼参数值见表1。
 | 图4 胸部侧向冲击试验与仿真结果 |
 | 表1 胸部侧向、正向、斜向动力学模型标定的参数值 |
基于验证过的胸部1维动力学模型,进行胸部正面碰撞仿真分析。参考Hybrid III胸部标定试验规范[10]设置模型的边界条件。冲击锤质量23.4 kg,初始速度6.7 m/s,约束条件为沿加载方向1维平动。模型的输出为冲击锤受到的作用力-时间曲线和胸压缩-时间曲线,冲击载荷计算方法同胸部侧向动力学仿真分析,通过计算肋骨和脊柱相对位移获得胸压缩曲线。图5和6分别为参数调整后的模型载荷-时间曲线和胸压缩量-时间曲线与试验结果的比对,对应的模型参数见表1。
 | 图5 仿真载荷时间曲线与试验比对(冲击速度6.7 m/s) |
 | 图6 仿真胸压缩时间曲线与试验比对(冲击速度6.7 m/s) |
基于验证过的胸部侧向动力学模型,进行胸部斜向冲击动力学仿真分析。模型的等效质量的设置同胸部侧向动力学模型。给冲击块施加4.5 m/s初始速度,输出冲击载荷和胸部压缩量。验证后的仿真模型的力学响应与PMHS试验数据比对如图7所示。对应的模型参数值见表1。
 | 图7 胸部斜向冲击仿真结果(初始速度4.5 m/s) |
建立2维概念胸部有限元(finite element, FE)模型,如图8所示。在模型中,用一根肋骨代替胸部整体,肋骨组件由一根椭圆形弹性肋骨基体和串接在肋骨基体上的多个离散的阻尼材料构成。在肋骨组件(代表胸腔)内部沿3个主要工作方向布置了5组弹簧阻尼器,即侧向和斜向各两组、正向一组。弹簧阻尼器外端和肋骨阻尼材料内表面通过球铰连接,弹簧阻尼器内端共同与脊柱固连。在脊柱上方头部质心和脊柱下方的骨盆质心处,分别定义假人头部和下躯干及下肢的等效质量块,以考虑和胸部相连的身体惯性对胸部动态响应的影响。
用壳单元和弹性壳材料模拟肋骨基体。用实体单元和线粘弹性材料模拟离散的橡胶块。使用粘接方式将离散橡胶材料固连在肋骨上。给肋骨和离散阻尼块定义附加质量,使得肋骨组件整体质量达到11 kg,以近似胸部多根肋骨的质量。脊柱、头颈部等效质量块和下躯干及下肢的等效质量块均定义为刚体,分别附加2 kg、 6 kg和46 kg的质量。考虑到PMHS胸部受载荷冲击时手臂不起作用,可以不考虑手臂的质量。最终建立的简化胸部模型的总质量为66 kg,较好地代表整体假人的特性。使用非线性6自由度弹簧材料模拟弹簧阻尼器,定义弹簧阻尼器的长度方向为工作方向( X), 参考表1设置各方向的线弹性系数 K2和阻尼系数 C2。
对模型参数进行多方向摆锤冲击工况同步优化,验证胸部模型的正向、侧向和斜向60°钝性冲击的力学响应。图9为不同载荷工况的仿真设置。摆锤截面直径为150 mm, 质量为23.4 kg。用刚体模拟摆锤,并约束其沿加载方向平动。调整摆锤和胸部的相对位置,模拟不同方向冲击加载对胸部的作用。模型输入为摆锤的初速度,胸部正向与侧向冲击工况下的摆锤初速度为6.7 m/s,斜向冲击摆锤初速度为4.5 m/s。仿真输出摆锤与胸部的作用力及胸部的压缩变形。胸部载荷由摆锤的接触输出,用CFC180滤波。胸部压缩量由受载方向的弹簧沿局部坐标 X轴的变形输出。
经过参数优化调整,最终获得同时满足胸部3方向动态力学响应的参数值组合,如表2所示。
| 表2 验证后的2维简化胸部FE模型参数 |
验证后的胸部模型在不同冲击方向下的动态力学响应和法规或物理假人的响应比对分别如图10—12所示。
 | 图10 2维简化胸部FE模型正面碰撞验证 |
 | 图11 2维简化胸部FE模型斜向碰撞验证 |
 | 图12 2维简化胸部FE模型侧面碰撞验证 |
观察图4发现,胸部数学模型在侧面碰撞下的载荷-时间曲线较好地落在法规要求的范围内,标定得到的参数值同Shi等[12]的研究结果具有可比性,验证了本文胸部动力学模型的有效性。图5和6表明,经过参数优化的胸部模型在正面碰撞载荷作用下的载荷-时间曲线和胸压缩-时间曲线与Hybrid III吻合较好。
观察表1,发现胸部模型正面冲击验证确定的参数值比胸部侧向碰撞大,这意味着胸部正向响应比侧向更刚硬,这与真实人体的生物力学响应特性是相符的。
对比胸部斜向和侧向碰撞工况标定获得的弹簧阻尼参数值,发现胸部斜向60°的力学等效弹簧系数约为侧向的28%~64%,但斜向的阻尼参数值是侧向的1.4~1.8倍。这可能是因为侧向冲击时, PMHS胸部主要发生整体的刚体运动,胸部变形较小,因此胸部侧向等效刚度大。另外,胸部斜向区域在发生大变形时,内部器官和软组织参与了承载,导致该方向的等效阻尼比侧向大。
图10a显示, CFC60滤波得到的载荷-时间曲线和假人响应吻合。本文模型的峰值载荷略高于法规要求,初始刚度偏大。
图10b表明,本文模型最大胸压缩量满足法规要求,但在加载阶段的响应比硬件假人快,这是因为简化胸部模型没有考虑硬件假人外表皮肤的缓冲变形影响。从图11可以看出,斜向冲击下胸部模型的载荷-时间曲线(CFC60滤波)和胸压缩-时间曲线与 PMHS 试验数据吻合较好。图12表明,胸部模型侧向冲击载荷-时间曲线(CFC60滤波)和生物力学数据吻合。
和集总参数动力学仿真标定的参数结果相比,2维简化胸部有限元模型仿真标定得到的弹簧系数和阻尼系数偏小。这可能是因为: 1) 集总参数动力学模型耦合了PMHS的肋骨结构和胸内器官的承载作用,而2维简化胸部有限元模型的肋骨结构在冲击过程中参与了承载,为弹簧阻尼器分担了一部分冲击能量。2) 正向、侧向和斜向弹簧阻尼器相互耦合,互为影响,因此分担了一部分冲击能量。
另外,相比阻尼参数,模型的力学响应对弹簧参数更敏感。表2表明,使用相同的阻尼参数,在不同方向设置合理的弹簧系数值,基本能满足胸部各方向的力学响应要求。这也为概念胸部的结构设计和样机制作提供了指导。
本文结合交通损伤和生物力学研究最新进展,参考现有假人胸部结构,提出了具有多方向(正向、斜向60°、侧向)动力响应生物逼真度的概念假人胸部结构,通过动力学仿真分析初步验证了概念胸部方案的可行性,为后续的精细概念假人胸部模型建立和结构设计提供参考。本文建立了2维3方向耦合假人胸部集总参数动力学模型,并通过了多个方向的碰撞工况验证,为复杂碰撞工况下的乘员胸部损伤研究提供了快速设计与评估工具。
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