1、ISSN 1674-8484CN 11-5904/U汽车安全与节能学报,第14 卷 第 4 期,2023 年J Automotive Safety and Energy,Vol.14 No.4,2023正面100%碰撞试验中后排小身材女性乘员损伤分析李海岩，胡静，贺丽娟*，吕文乐，崔世海，阮世捷（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，中国）摘 要：研究后排小身材女性乘员在正面100%碰撞试验中的损伤风险，为提升汽车约束系统的防护性能提供参考数据。应用已验证的符合中国人体特征的第五百分位女性乘员损伤仿生模型（TUST IBMs F05-O）搭载某款经验证的汽车有限元
2、模型，依据 C-NCAP（2021年版）正面100%重叠刚性壁障碰撞试验要求，着重对乘坐于后排的小身材女性乘员进行头部、颈部、胸腹部及腰椎损伤分析。结果表明：TUST IBMs F05-O 模型脊柱的高生物逼真度能充分表现头颈部围绕安全带的侧向屈曲运动；头部与前排座椅碰撞造成头颈部严重损伤，胸部黏性准则(VC)值为0.34，且压缩量较高，肺部受挤压而造成损伤，腰椎损伤指标(LSI)及腰椎损伤评定参数(Lfx)未超出相应的损伤阈值。应用具有高生物逼真度的第五百分位中国女性乘员损伤仿生模型进行汽车碰撞仿真试验，对智能座舱和零重力座椅开发、汽车主被动安全一体研究及未来数字测评方法等针对中国小身材女性
3、乘员的安全防护研究具有重要的应用价值。关键词：正面100%重叠刚性壁障碰撞试验；五百分位女性乘员；损伤仿生模型；损伤评价中图分类号：U 467.1+4 文献标识码：A DOI:10.3969/j.issn.1674-8484.2023.04.003Analysis on the rear passenger injuries of the 5th percentile Chinese female occupant in 100%frontal impactLI Haiyan,HU Jing,HE Lijuan*,LV Wenle,CUI Shihai,RUAN Shijie(Internat
4、ional Research Association on Emerging Automotive Safety Technology,Tianjin University of Science and Technology,Tianjin 300222,China)Abstract:The damage risk of small rear passenger in frontal 100%crash test was investigated to provide reference data for improving the protection performance of vehi
5、cle restraint system.The simulation was set up based on the 100%frontal impact as specified in the C-NCAP(2021)using the validated injury bionic model with the 5th percentile Chinese female anatomical characteristics and the validated car finite element model.The injuries of the small size female pa
6、ssenger sitting the second row were analyzed including the head,neck,thoracic-abdomen and lumbar.The results show that the TUST IBMs F05-O model presents a good kinematics response of occupants in the 100%frontal impact.The lateral flexion movement of the head and neck around the seat belt is obviou
7、sly observed because the spine of TUST IBMs F05-O model has high bio-fidelity.Head 收稿日期/Received：2022-12-08。修回日期/Revised：2023-06-04。基金项目/Supported by：国家重点研发计划（2018YFC0807203）；天津科技大学研究生科研创新项目（YJSKC2021S04）。第一作者/First author：李海岩(1971)，女(汉)，天津，教授。E-mail：。*通讯作者/Corresponding author：贺丽娟(1979)，女(汉)，河北，副教授
8、。E-mail：。3/14421 430汽车安全与节能学报422第 14 卷 第 4 期 2023 年and neck injuries are severed as a result of the head contacted with the frontal seat.The chest viscous criterion(VC)value is 0.34 with a higher chest compression so that the lungs are compressed and injured.The lumbar injury index(LSI)and lumbar in
9、jury evaluation parameter(Lfx)are less than the corresponding injury threshold.The application of the fifth percentile Chinese female occupant injury bionic model with high biological fidelity to car crash simulation test has important application value for the development of intelligent cockpit and
10、 zero gravity seat,the study of vehicle active and passive safety integration,and the future digital evaluation method.Key words:100%overlap rigid barrier crash test;the 5th percentile female occupant;injury bionic model;injury assessment研究表明在同等的物理伤害下小身材女性交通事故死亡或伤害风险高于男性乘员1。对国家汽车抽样系统耐撞性数据系统（National
11、 Automotive Sampling System Crashworthiness Data System，NASS-CDS）（19982015 年）数据分析发现：在大多数损伤类型中，女性患 AIS 2+和 AIS 3+损伤的风险高于男性2。近年来，关于小身材女性汽车乘员安全保护的研究逐渐得到关注。ZHANG Yaohui 等利用 MADYMO 软件分析了4 种车型中车辆加速度、后空间、安全带 3 个因素对后排女性假人损伤的影响3。周华等研究了正面碰撞中约束系统对不同体型女性驾驶员的保护效果，结果表明体型越高大的女性，整体损伤（weighted injury criterion，WIC）值
12、越低4。张雄等分析了正面碰撞工况中降低加速度峰值并前移波形重心，能够降低后排女性乘员头部、颈部与胸部的伤害5。目前各国新车评估规程（New car assessment pro-grame，NCAP）主要应用 Hybrid III 5th女性假人来评定小身材女性乘员保护效果。随着 NHTSA下一代全新正面碰撞假人 THOR-5F6推出，未来将替代 Hybrid III 5th假人应用到各国 NCAP 中。由于碰撞试验假人（anthropomorphic test device，ATD）针对特定碰撞方向开发，且生物组织特征简化，在重现人体运动学能力和组织器官损伤预测方面受到一定的限制。相反，人体
13、有限元模型可以避免这些局限且能有效地评估人体反应和与损伤相关的局部物理变量，如预测骨折、内脏损伤与脑组织损伤等生物力学参数。日趋成熟的计算机辅助工程（computer aided eng-ineering，CAE）技术为乘员保护虚拟测评提供了条件。Euro NCAP 规程预计 2025 年有 10%左右的试验采用虚拟测评，中国新车评估规程（China new car assessment program，C-NCAP）规程计划在 2025 年版乘员保护加入虚拟测评前排远端乘员伤害以及虚拟测评离位乘员碰撞伤害，预计 2028 年版研究项目中采用虚拟测评生物力学人体模型进行应用研究，但目前还未确定
14、女性乘员评价指标，未公布评价准则及损伤阈值的统一标准。国外针对欧美人体测量尺寸已经开发了几个版本的第五百分位女性生物力学人体模型。其中丰田研究所通过缩放虚拟人体模型（total human model for safety，THUMS）美国第五十百分位男性（American M50，AM50）开发了美国第五百分位女性乘员模型（AF05-O）7，最新版本的 THUMS AF05-O（Version 6）已具有较详细的解剖学结构，并配备主动肌肉。杨洁基于 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，建立具有中国第五百分位女性人体测量尺寸的有限元模型，对比分析了东西方五百分
15、位女性人体碰撞损伤差异8。全球人体模型联盟（Global Human Body Models Consortium，GHBMC）基于第五百分位女性坐姿医学图像数据集开发了F05-O模型，基于 GHBMC M50 定义了材料属性，从局部刚性碰撞到全身滑车试验 10 个案例验证了模型的有效性9。上述 2 种模型都是基于欧美人体测量尺寸开发，且模型解剖学结构表达不够详细，如四肢肌肉并未单独建模而是融合成有均匀材料特性的连续体。黎和俊等研究对比了混 III 假人、GHBMC人体模型以及中国人体模型的正碰损伤差异10，结果表明东西方人体测量尺寸存在的差异可能会对乘员动态响应及损伤产生 影响。本研究将符合
16、中国人体测量尺寸的第五百分位女性乘员损伤仿生模型与 Hybrid III 5th假人模型应用于某款汽车正面100%碰撞仿真试验中，对仿真运动学响应与实车碰撞实验中假人的运动姿态进行对比分析，着重从头部、颈部、胸腹部 3 个方面来评价具有中国小身材女性体征的乘员在此款汽车约束系统保护下的损伤情况，以期为小身材女性乘员损伤机理的研究及评估约束系统的性能优化提供参考数据。423李海岩，等：正面 100%碰撞试验中后排小身材女性乘员损伤分析1 研究方法1.1 人体模型本研究采用现代汽车安全技术国际联合研究中心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）。该模型基于一位符合中国标准化研究院最新统计数据的中国第五百分位女性志愿者 CT数据，分别建立了头、颈、胸腹及四肢有限元模型，通过躯干角度调整及连接工作，完成整人乘员模型的开发，并进行了局部及全身水平的有效性验证11-14。模型身高153 cm，坐高 83 cm，体质量 58.4 kg，包含详细的脑组织、内脏器官、骨骼、肌肉、韧带、皮肤与脂肪等软组织结构。总计 92.5万个节点，111.1万个单元，其中实体单
