基于数值生物力学模型的汽车正面碰撞中肥胖驾驶员头颈部损伤研究

刘 明，赵清江

（1.汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室，重庆 401122；2.中国汽车工程研究院，重庆 401122）

随着居民生活条件的改善，世界各国正面临着肥胖带来的负面影响。肥胖不仅会使患糖尿病和心脑血管疾病的风险增大，且在汽车碰撞事故中，还有可能因为身体质量的增加而加剧乘员损伤。目前，BMI仍然是流行病学判断肥胖水平的首选指标，但不同地区制定了各自的肥胖分级，例如，中国肥胖问题工作组的专家在研究了有关中国肥胖的数据基础之后，建议将BMI=24.0～27.9 kg/m2定义为超重，BMI≥28.0 kg/m2定义为肥胖[1-2]。世界卫生组织结合全球各大洲的人口特点，将BMI=25.0～29.9 kg/m2视为超重，BMI≥30.0 kg/m2视为肥胖，应用范围最广，具体肥胖分级见表1。

表1 世界卫生组织BMI切点[3]

在过去的十多年里，美国的肥胖人群比例显著增长。2009～2010年，美国的总体肥胖率达到了35.7%[4]。2007～2009年，加拿大的肥胖人群占比是24.1%。2008年，澳大利亚的肥胖人群占比是25.7%[5-6]。而2012年，我国成人超重率为30.1%，肥胖率为11.9%，比2002年超重率增加了32%，肥胖率增加了67.6%[7]。肥胖人口数量的增加会滋生越来越多的肥胖驾驶员。

然而，国内外研究肥胖乘员在汽车碰撞损伤的文献并不多见。SHI Xiangnan等[8]和REED等[9]研究认为，在汽车碰撞中，肥胖乘员增加的体重和软组织改变了安全带的佩戴路径，使肥胖乘员容易出现“下潜”现象，增大下肢损伤风险。KENT等[10]使用一组非肥胖体型尸体和一组肥胖体型尸体进行了台车正面碰撞试验，在对比了肥胖乘员与非肥胖乘员尸体的运动学响应特征后认为：肥胖乘员比非肥胖乘员产生更大的偏移量以及更小的躯干向前旋转度。然而，极其有限的文献也并未表现出汽车正面碰撞事故中，肥胖乘员与非肥胖乘员相比，因为头部旋转运动产生的脑组织剪切应变致使颅脑发生损伤的差异以及颈部的损伤差异。

为了减少乘员在道路交通事故中的损伤，汽车厂商不断地通过使用汽车碰撞假人、数值人体模型和真实的人体来改进约束系统（包括气囊、安全带、座椅等）。由于各国法规和伦理的限制，研究人员很难进行尸体试验。除此之外，汽车碰撞假人的力学性能与响应相比真实的人体响应有所差异，而且开发汽车碰撞假人耗时长、成本高。依托于计算机的仿真技术相比之下就很有优势，计算机仿真技术具有成本低（仅需要高性能计算机与配套软件）、可以重复使用等优点，已经被广泛地应用在汽车安全领域中。目前，国内外在乘员安全研究中广泛使用多刚体模型和有限元模型进行约束系统的仿真分析，但该模型不能模拟人体局部区域的变形过程，在人体组织的应力分析、描述车辆详细结构特征等方面存在明显不足。无论是碰撞测试假人还是有限元人体模型，一般都没有考虑特殊体型例如肥胖等。并且，现有的车辆约束系统在开发时都是以现有测评体系的碰撞测试假人为主要研究对象（一般为50百分位的正常体型假人）。由此可见，在使正常体型乘员在汽车碰撞事故中得到良好保护的同时，研究肥胖乘员头、颈部的损伤机制，以此来指导汽车厂商开发出更加先进、适应性更好的约束系统，显然是当下汽车碰撞安全领域中一个十分有意义的研究方向。

1 方法

本文使用Hypermorph[11]网格变形工具并以THUMS-AM50为基准建立了非肥胖乘员和表征不同肥胖程度的有限元人体模型，THUMS-AM50代表的是50百分位成年男性体型，在其初始建模时定义的身高体重分别为173 cm和77.3 kg。然后，基于文献中的肥胖尸体腹部安全带加载试验数据对所建立的肥胖有限元人体模型进行有效性验证，并针对汽车100%重叠率正面碰撞中肥胖与非肥胖乘员的运动学响应及头、颈部的损伤差异进行对比研究。

1.1 Hypermorph网格变形技术研究

本文使用的缩放工具是Hypermorph，在缩放过程中，程序会自动检查缩放后的单元质量，同时保持受影响的区域网格光顺，最大限度避免缩放后单元质量下降，保证了后续计算精度。由于THUMS有限元乘员模型复杂且形状不规则，为了保证缩放的质量，首先得清楚缩放因子、坐标系、缩放原点和变形区域对变形产生的影响。图1针对大臂模型对它们进行了单一变量的研究。通过对比可以得出结论：（1）区域变形工具中的变换原点、坐标系、缩放系数会影响缩放结果，而变形区域的形状不会对缩放结果产生影响。（2）当模型同时缩放x、y、z三个方向且缩放系数一致时，模型的变形效果将不受坐标系的影响。

图1 区域变形工具的影响因素（为变形原点）

1.2 基于Hypermorph的肥胖有限元乘员建模

本文使用的标准体型乘员模型是由日本丰田汽车公司与丰田中央研究所共同开发的第4版有限元人体模型（Total Human Model for Safety，THUMS）。丰田中央研究所的研究人员为了保证THUMS模型能够准确模拟人体在汽车碰撞事故中的损伤过程，参考尸体试验数据，对其头部、胸部以及下肢分别进行了大量验证试验[11-14]，试验表明THUMS-AM50模型生物仿真性能已达到准确预测乘员损伤风险的要求。

本研究利用CAESAR数据库[15]和REED等[16]的肥胖成人体表测量数据与THUMS-AM50基准模型的测量数据对比，可得到不同BMI乘员模型身体相应部位的缩放系数，见表2。随后，利用Hypermorph针对THUMS-AM50模型不同身体部位单独建立了总共9个局部坐标系，并针对每一个局部坐标系所代表的身体部位单独进行缩放、检查过程，确保缩放后的有限元人体模型的单元质量能够满足仿真精度。最终通过缩放产生的乘员有限元模型如图2所示。此外，由于本研究重点关注人体头部损伤，所以也列出了各个体型乘员头部的质量参数，见表3。

表3 各体型人体头部质量参数

图2 THUMS-AM50基准模型及缩放后的乘员有限元模型

表2 肥胖人体各部位缩放系数

图3 安全带腹部仿真验证示意图

采用FOSTER等[17]研究中的腹部-安全带加载试验数据验证了肥胖有限元乘员模型的有效性，验证选用BMI为27 kg/m2的肥胖有限元模型与BMI为27.3 kg/m2的肥胖尸体样本进行对比。按照FOSTER的试验建立刚性背部支架、底座和安全带模型，以及安全带模型织物刚度等材料特性曲线。

1.3 建立100%重叠率正面碰撞模型

本研究使用的有限元简化车辆模型以及约束系统的参数是基于国内某公司生产的一款四门轿车[18]，用于碰撞的基准有限元人体模型来自于丰田中央研究院，碰撞初始速度为50 km/h，碰撞波形来自该车型在C-NCAP正面碰撞时B柱的加速度波形。使用的求解器版本均为LS-DYNA 971，后处理软件为Hyperworks和LS-prepost。依据仿真结果计算出乘员模型头部的三向合成加速度、HIC36以及CSDM0.15，颈部黄韧带、棘间韧带以及前纵韧带伸长率。以此来分析肥胖乘员和非肥胖乘员在正面碰撞事故中的头、颈部损伤差异。

2 结果

2.1 仿真验证结果

BMI-27.0的肥胖有限元乘员模型仿真曲线与FOSTER试验中BMI-27.3试验曲线变化趋势一致，仿真产生安全带峰值力的时刻比试验晚4 ms，两者的安全带峰值力相差8.4%。对于腹部侵入量时间历程曲线，在22 ms前，仿真的腹部侵入量比试验增长速度快，22 ms后，仿真时的侵入量整体略小于试验，两者的峰值相差6.3%，在10%的误差限度之内。结果表明，使用Hypermorph网格变形工具以THUMS-AM50为基准开发的有限元乘员模型具有较高的生物逼真度。

图4 腹部侵入量-时间对比曲线

图5 安全带载荷-时间对比曲线

2.2 头部损伤差异

为了直观地表示出模型头部三向合成加速度的大小，补充了表4。由图6和表4可知，非肥胖与肥胖有限元乘员模型的头部质心三向合成加速度波形基本一致，随着BMI从24 kg/m2增加到36 kg/m2，头部质心三向合成加速度峰值明显增加，且肥胖有限元乘员模型头部承受峰值区域的加速度持续时长较非肥胖有限元乘员模型明显更长，这也是导致肥胖有限元乘员模型的头部HIC36值变大的原因。虽然HIC36也呈增加趋势，但是最肥胖乘员的头部HIC36值却不是最大，这说明BMI并未对HIC36产生显著性影响。

图6 肥胖与非肥胖有限元乘员头部质心合成加速度

表4 肥胖与非肥胖有限元乘员HIC对比

当汽车发生正面碰撞事故时，乘员头部可能同时发生平移运动和旋转运动，而HIC损伤指标无法表征因旋转运动产生的脑组织剪切应变而导致的颅脑损伤，如弥漫性轴索损伤（Diffuse Axonal Injury，DAI），因此，本研究采用TAKHOUNTS等[19]提出的CSDM指标来弥补HIC的不足，从而更加全面地统计脑部损伤。通过后处理软件统计出有限元乘员模型的脑部在整个碰撞过程中因拉伸过度而失效的单元，计算出所有失效单元的体积占脑部体积之比，即，CSDM能表征整个大脑的损伤比例。这其中，判断脑部单元是否失效就要参考单元的最大主应变是否超过阈值，超过阈值的单元就判为失效单元。当最大主应变的阈值为15%时，记作CSDM0.15。

非肥胖与肥胖有限元乘员模型的脑部应力云图如图7所示。BMI为24 kg/m2的应力云图显示，非肥胖有限元乘员模型脑部的绝大部分单元的最大主应变很小，仅小部分单元的最大主应变超过阈值，但随着BMI的增大，肥胖乘员脑部超过最大主应变阈值的单元数目越多，在应力云图上表现为暖色调区域变大。表5是详细的非肥胖与肥胖有限元乘员模型脑部CSDM0.15损伤情况，从中可以看出，BMI没有对最大主应变产生显著影响，但失效单元的数目明显随BMI的增加而增加，由此可见，BMI对CSDM0.15产生显著性影响。与此同时，肥胖有限元乘员模型比非肥胖有限元乘员模型更晚达到最大主应变，这和乘员头部三向合成加速度动态响应的区别一致。

图7 非肥胖与肥胖有限元乘员脑部应力云图

表5 非肥胖与肥胖有限元脑部CSDM损伤情况

2.3 颈部损伤差异

有限元人体模型例如THUMS等比传统的机械假人模型有着更完整的解剖学结构，可以将事故中所受的损伤直观地表现出来，通过后处理可以直接看到结构变形、断裂，也可以测量应力应变等。裴元津等[20]通过分析得到了颈部部分软组织的耐受限度，见表6，如测量值超过限值，则该部位有可能受到损伤。

表6 颈部韧带耐受值[20]

根据仿真结果，非肥胖和肥胖乘员颈部黄韧带达到最大伸长率的区域均在C5～C6之间，如图8a所示，BMI为27 kg/m2的肥胖乘员颈部黄韧带伸长率最大，为48.8%，BMI为31 kg/m2的肥胖乘员颈部黄韧带伸长率最小，为28.3%。非肥胖和肥胖乘员颈部棘间韧带达到最大伸长率的区域均出现在C5～C6之间，如图8b所示，BMI为27 kg/m2的肥胖乘员颈部棘间韧带伸长率最大，为136.7%，BMI为31 kg/m2的肥胖乘员颈部棘间韧带伸长率最小，为81.2%，均有较大的损伤风险。非肥胖和肥胖乘员颈部前纵韧带达到最大伸长率的区域均在C3～C4之间，如图8c所示，BMI为27 kg/m2的肥胖乘员颈部前纵韧带伸长率最大，为37.1%，BMI为31 kg/m2的肥胖乘员颈部前纵韧带伸长率最小，为28.8%。综上所述，可以得出如下结论：（1）无论是非肥胖乘员还是肥胖乘员，三条韧带都在同一区域出现最大伸长率，换而言之，随着肥胖程度的增加，颈部可能出现损伤的位置并未明显偏移。（2）肥胖程度越高并不意味着颈部发生损伤的几率越大。

图8 非肥胖与肥胖乘员模型颈部韧带损伤情况（从上至下分别为24 kg/m2，27 kg/m2，31 kg/m2，36 kg/m2）

图9 颈部韧带损伤柱状图

3 讨论

由于各国法规和伦理的限制，可用的肥胖尸体样本数据太少，本研究已进行肥胖乘员模型的腹部和台车试验验证分析，基准模型也已用大量尸体样本验证，但尚未验证肥胖乘员腹部脏器的生物仿真性能，因此，本文建立的肥胖有限元乘员模型需更进一步验证。

本研究获得的肥胖人体尺寸参数主要是体表尺寸，尚缺乏人体内部骨骼、内脏数据，使用有限元变形工具时也是基于体表尺寸，这可能导致肥胖有限元乘员模型的内部结构与实际人体有所偏差。因此，在未来的研究工作中需要用到高精度的人体3D扫描技术获取体内各器官和组织的数字信息，从而为建立更高生物力学性能的非标准体型有限元人体模型打下基础。

4 结论

本文对Hypermorph网格变形技术进行了单一变量研究，通过对比变形前后的大臂模型可以得出结论：

（1）区域变形工具中的变换原点、坐标系、缩放系数会影响缩放结果，而变形区域的形状不会对缩放结果产生影响。

（2）当模型同时缩放x、y、z三个方向且缩放系数一致时，模型的变形效果将不受坐标系的影响。

同时，本文使用国内某款中级轿车的有限元简化乘员舱对非肥胖和肥胖男性有限元乘员模型进行了初始速度为50 km/h的正面碰撞仿真分析，并根据仿真后处理数据计算出有限元乘员头部、颈部的损伤指标，对比了非肥胖和肥胖乘员这些部位的损伤情况。研究表明：

（1）随着BMI从24 kg/m2增加到36 kg/m2，肥胖乘员头部质心的三向合成加速度、HIC36以及脑部CSDM0.15越大。其中，加速度峰值从673.26 m/s2增加到了737.94 m/s2，HIC36从632.9增加到了771.8，CSDM0.15从0.502‰增加到了4.04%，并且BMI对CSDM0.15表现出了显著性影响，说明头部损伤风险增大，这与REED等[16]研究BMI对乘员头部潜在损伤风险影响的结果一致。

（2）颈部发生损伤的位置并未随着BMI的增加而发生改变，而且BMI未对颈部发生损伤的风险产生明显影响。