中国体征3岁儿童乘员损伤仿生模型在C-NCAP正面碰撞测试仿真中的应用

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2022.12.016

摘要/Abstract

摘要：

本文中应用已验证的具有详细解剖学结构特征的中国3岁儿童乘员图斯特损伤仿生模型（TUST IBMs 3YO-O），参照C-NCAP（2021年版）两种正面碰撞乘员保护动态试验，建立仿真模型。通过分析3岁儿童乘员在不同工况下的头部、颈部、胸部的运动学和生物力学响应，研究正面碰撞测评试验中3岁儿童乘员的损伤机理和不同工况下损伤的差异。结果表明：在运动学响应方面，与正面100%重叠刚性壁障（FRB）碰撞试验相比，3岁儿童乘员在正面50%重叠移动渐进变形壁障（MPDB）碰撞试验中损伤风险更大，且远离碰撞侧的儿童损伤更严重；在生物力学响应方面，FRB碰撞中，3岁儿童乘员头部下颌与胸部接触可能出现轻微脑震荡。MPDB碰撞中，儿童出现向左的横向运动，头部下颌与右侧胸部接触，导致生物力学响应峰值较大，可能出现轻微脑震荡、肋骨骨折、肺部挫伤等损伤。

关键词: C-NCAP, 正面碰撞, 儿童乘员, 损伤机理, 生物力学响应

Abstract:

In this paper， the validated TUST injury bionic model of Chinese three-year-old child occupant （TUST IBMs 3YO-O） with detailed anatomical structure features is used to build a simulation model， according to two dynamic frontal crash test specifications specified in C-NCAP （2001 version）. A simulation is conducted to analyze the kinematic and biomechanical responses of the head， neck and chest and study the injury mechanism and the injury discrepancy of three-year-old child occupant in different conditions during frontal crash evaluation test. The results show that in the aspect of kinematic response， the injury risk of three-year-old child occupant in the frontal 50% overlap mobile progressive deformable barrier （MPDB） crash test is higher than that in the frontal 100% overlap rigid barrier （FRB） crash test， and the child farther away from the impact point has more serious injuries. In the aspect of biomechanical response， the three-year-old child occupant may suffer a mild concussion due to the lower jaw contacting the chest in the FRB crash test， while in the MPDB crash test， the child moves transversely toward left with the lower jaw contacting the right side of chest， leading to a larger peak biomechanical response， and may inducing minor concussion， rib fracture， lung contusion and other injuries.

Key words: C-NCAP, frontal crash, child occupant, injury mechanisms, biomechanical response

李海岩,苏航杰,祝贺,刘冲,王彦鑫,崔世海,贺丽娟,王一达,吕文乐. 中国体征3岁儿童乘员损伤仿生模型在C-NCAP正面碰撞测试仿真中的应用[J]. 汽车工程, 2022, 44(12): 1944-1953.

Haiyan Li,Hangjie Su,He Zhu,Chong Liu,Yanxin Wang,Shihai Cui,Lijuan He,Yida Wang,Lü Wenle. The Application of the Injury Bionic Model of Chinese Three-year-old Child Occupant to the Simulation of C-NCAP Frontal Crash Tests[J]. Automotive Engineering, 2022, 44(12): 1944-1953.

图/表 10

图1

图2

图3

图4

图5

图6

图7

图8

图9

表1

参考文献 23

1	World Health Organization. Global status report on road safety 2018：Summary ［EB/OL］. WHO，2018. （2020-08-01）.
2	National Highway Traffic Safety Administration. Traffic safety facts 2012［EB/OL］. http// www-fars. nhtsa. dot. gov，2014-03-01.
3	BERFENSTAM R. Sweden's pioneering child accident programme： 40 years later［J］. Injury Prevention，1995，1（2）：68-69.
4	C-NCAP管理中心. C-NCAP管理规则（2021版）［S］. 天津：中国汽车技术研究中心，2020.
	C-NCAP Management Center. C-NCAP management regulation（2021 version）［S］. Tianjin：China Automotive Technology and Research Center Co. ，2020
5	张金换，李志刚，胡敬文，等. 汽车儿童安全保护的欧美法规对比及未来研究方向［J］. 汽车安全与节能学报，2011（3）：5-11.
	ZHANG J H，LI Z G，HU J W，et al. Child passenger safety regulation comparison between Europe and United States and the developing trends［J］. Journal of Automotive Safety and Energy，2011（3）：5-11.
6	KING A I. 加快中国汽车安全发展的建议［J］. 汽车安全与节能学报，2010，1（1）：1-5.
	KING A I. Suggestion for making rapid advances in automotive safety in China［J］. Journal of Automotive Safety and Energy，2010，1（1）：1-5.
7	Toyota Motor Corporation. Total human model for safety （THUMS），AM50 pedestrian/occupant model［G］. Academic Version 4. 0_20111003，October 2011.
8	李海岩，李琨，黄永强，等. 轿车与6岁儿童行人不同方位碰撞中下肢损伤分析［J］. 汽车工程，2021，43（2）：262-268.
	LI H Y，LI K，HUAGN Y Q，et al. Analysis of lower extremity injury of six-year-old child pedestrian in different orientation collisions with car［J］. Automotive Engineering，2021，43（2）：262-268.
9	李海岩，李健，崔世海，等. 儿童安全座椅中填充吸能泡沫对头部的保护效果分析［J］. 汽车工程，2020，42（2）： 228-233，269.
	LI H Y，LI J，CUI S H，et al. Analysis on child-head protection effects of energy-absorbing foam filled in safety seat［J］. Automotive Engineering，2020，42（2）：228-233，269.
10	阮世捷，苏航杰，李海岩，等. 正面100%重叠刚性壁障碰撞试验仿真中三岁儿童乘员的损伤评价［J］. 汽车工程，2022，44（3）：403-411.
	RUAN S J，SU H J，LI H Y，et al. Injury assessment of three-year-old child occupant in frontal 100% overlap rigid barrier crash test simulation［J］. Automotive Engineering，2022，44（3）：403-411.
11	崔世海，陈越，李海岩，等. 儿童头部有限元模型的构建及验证［J］. 医用生物力学，2015，30（5）：452-457.
	CUI S H，CHEN Y，LI H Y，et al. Development and validation for the finite element model of child head［J］. Journal of Medical Biomechanics，2015，30（5）：452-457.
12	杜治青. 三岁儿童颈部有限元模型的构建及损伤分析［D］. 天津：天津科技大学，2016.
	DU Z Q. Development of a three-year-old child FE neck model and injury analysis［D］. Tianjin：Tianjin University of Science & Technology，2016.
13	梁云飞. 三岁儿童乘员胸部有限元模型的构建及损伤分析［D］. 天津：天津科技大学，2016.
	LIANG Y F. Development and injury analysis of a three-year-old child occupant thoracic finite element model［D］. Tianjin：Tianjin University of Science & Technology，2016.
14	芦瑞瑞，李海岩. 基于三岁儿童腹部有限元模型的对比仿真研究［C］. China：Proceedings of the 12th International Forum of Automotive Traffic Safety，2015：414-419.
	LU R R，LI H Y. Comparative simulation study based on finite element model of three-year-old children’s abdomen［C］. China：Proceedings of the 12th International Forum of Automotive Traffic Safety，2015：414-419.
15	贺丽娟，李海岩，朱小菊，等. 基于3岁儿童乘员下肢有限元模型的生长板损伤机理研究［J］. 汽车工程学报，2017，7（3）：182-187.
	HE L J，LI H Y，ZHU X J，et al. Mechanism study of the injured growth plate using a lower extremity finite element model of a 3-year-old occupant［J］. Chinese Journal of Automotive Engineering，2017，7（3）：182-187.
16	MONTOYA D，THOLLON L，LLARI M，et al. Head injury criteria in child pedestrian accidents［J］. International Journal of Crashworthiness，2018，23（5）.
17	水野幸治，韩勇，陈一唯. 汽车碰撞安全［M］. 北京：人民交通出版社，2016：18-19.
	MIZUNO Koji，HAN Yong，CHEN Yiwei. Automobile crash safety［M］. Beijing：China Communications Press，2016：18-19.
18	BAUMGARTNER D，WILLINGER R，SHEWCHENKO N，et al. Tolerance limits for mild traumatic brain injury derived from numerical head impact replication［C］. Proc of International IRCOBI Conference on the Biomechanics of Impacts. Isle of Man，UK：IRCOBI，2001：353-355.
19	WARD C. The development of a detailed finite element brain model［C］. Stapp Car Crash Conference， 1975.
20	ZHANG L，YANG K H，KING A. A proposed injury threshold for mild traumatic brain injury［J］. Journal of Biomechanical Engineering，2004，126 （2）：226-236.
21	TAKHOUNTS E G，CRAIG M J，MOORHOUSE K，et al. Development of brain injury criteria （BrIC）［J］. Stapp Car Crash Journal，2013，57：243-266.
22	STITZEL J D，GAYZIK F S，HOTH J J，et al. Development of a finite element-based injury metric for pulmonary contusion part I：model development and validation［J］. Stapp Car Crash Journal，2005，49（49）：271-289.
23	崔世海，单蕾蕾，李海岩，等. 6岁儿童乘员胸部有限元模型验证及损伤分析［J］. 汽车工程学报，2016，6（6）：418-424.
	CUI S H，SHAN L L，LI H Y，et al. Development and validation of a 6-year-old occupant thorax finite element model and impact injury analysis［J］. Chinese Journal of Automotive Engineering，2016，6（6）：418-424.

响应类型	损伤评价指标	FRB	MPDB 后排右侧	MPDB 后排左侧	阈值
运动学响应	HIC₁₅	257	691	677	高性能限值500 低性能限值700
	头部累积3 ms合成加速度	54g	89g	79g	高性能限值60g 低性能限值80g
	BrIC	1.19	1.97	1.77	1，45%概率AIS 4级脑损伤
	颈部张力	435 N	331 N	314 N	高性能限值1 555 N 低性能限值2 840 N
	胸部累积3 ms合成加速度	58g	54g	58g	高性能限值41g 低性能限值55g
	胸部最大变形量	29 mm	30 mm	29 mm	40 mm
	胸部最大压缩比	23.3%	23.5%	23.3%	35%
生物力学响应	脑组织Von Mises应力	5 kPa	8 kPa	7 kPa	6-11 kPa，脑挫伤大于15 kPa，轻微脑震荡大于38 kPa，重度脑损伤^［18］
	脑组织颅内压	184 kPa	374 kPa	277 kPa	大于173 kPa，轻度脑损伤大于235 kPa，致命脑损伤^［19］
	脑组织剪切应力	6.0 kPa	8.8 kPa	8.2 kPa	6 kPa，25%概率轻度脑损伤 7.8 kPa，50%概率轻度脑损伤 10 kPa，80%概率轻度脑损伤 25 kPa，100%概率中度脑损伤^［20］
	脑组织最大主应变MPS	0.34	0.41	0.42	0.45，50%概率轻微脑震荡^［21］
	肺部第一主应变	0.17	0.29	0.28	大于0.35，肺挫伤^［22］
	心脏第一主应变	0.11	0.10	0.09	大于0.3，心脏挫伤^［23］

[1]	王彦鑫,李海岩,崔世海,贺丽娟,吕文乐. 基于BP神经网络的儿童乘员头部损伤预测模型及评估参数研究[J]. 汽车工程, 2024, 46(2): 329-336.
[2]	李海岩,胡静,贺丽娟,冉令华,吕文乐,崔世海,阮世捷. 中国体征第五百分位女性汽车乘员损伤仿生模型开发及验证[J]. 汽车工程, 2023, 45(10): 1965-1974.
[3]	唐洪斌,张君媛,刘国军. 正面碰撞等级预估方法[J]. 汽车工程, 2022, 44(3): 392-398.
[4]	阮世捷,苏航杰,李海岩,崔世海,贺丽娟,吕文乐. 正面100%重叠刚性壁障碰撞试验仿真中三岁儿童乘员的损伤评价[J]. 汽车工程, 2022, 44(3): 403-411.
[5]	刘刚,洪亮,葛如海. 面向“离位”儿童乘员的常开式安全气囊优化设计[J]. 汽车工程, 2022, 44(1): 94-104.
[6]	武和全,张家飞,任启凡,胡林. 不同角度正面碰撞中老年驾驶员下肢模型的响应研究[J]. 汽车工程, 2021, 43(5): 739-745.
[7]	崔世海,马伟盛,李海岩,贺丽娟,吕文乐. 城市公交车内儿童乘员头部损伤的有限元分析[J]. 汽车工程, 2021, 43(3): 414-420.
[8]	武和全,张家飞,胡林. 自动驾驶中座椅旋转速度对乘员的影响[J]. 汽车工程, 2021, 43(2): 226-231.
[9]	宋祥文,邹猛,许述财,黄彬兵. 误使用工况下儿童安全座椅安全性的开发与验证[J]. 汽车工程, 2021, 43(12): 1780-1786.
[10]	李海岩,王彦鑫,贺丽娟,吕文乐,崔世海. 不同坐姿的6岁儿童乘员在MPDB碰撞测试中头颈部损伤评价[J]. 汽车工程, 2021, 43(12): 1793-1799.
[11]	武和全, 彭金平, 邓晓顺, 金鑫, 胡林. 正面碰撞中的老年驾驶员胸部响应研究^*[J]. 汽车工程, 2020, 42(8): 1050-1059.
[12]	葛如海, 崔义忠, 洪亮, 肖轩. 针对12岁儿童的主动式安全气囊的优化^*[J]. 汽车工程, 2020, 42(6): 771-777.
[13]	王琼, 黄志亮. 含概率区间混合不确定性的汽车正面碰撞可靠性优化设计^*[J]. 汽车工程, 2019, 41(5): 545-549.
[14]	葛如海, 顾瑶芝, 蔡朝阳, 黄可鑫, 陈宇航. 正面碰撞前后双气室气囊的设计与优化^*[J]. 汽车工程, 2019, 41(4): 411-416.
[15]	颜凌波,解文娜,许伟,曹立波,戴宏亮,张恺. 正面碰撞中基于中国人体尺寸的假人损伤响应研究^*[J]. 汽车工程, 2019, 41(3): 289-297.