基于THUMS人體模型的正撞乘員傷害研究

高繼東，祁志楠，謝書港，崔 東

(1.中國汽車技術研究中心，天津 300300； 2.河北工業大學機械工程學院，天津 300130)

2016149

基于THUMS人體模型的正撞乘員傷害研究

高繼東1,2，祁志楠1,2，謝書港1，崔 東1

(1.中國汽車技術研究中心，天津 300300； 2.河北工業大學機械工程學院，天津 300130)

通過標定后的50km/h正撞臺車模型，分析了THUMS人體模型和Hybrid III假人模型頭部和胸部的傷害指標，驗證了THUMS人體模型和Hybrid III假人在評估人體頭部和胸部損傷方面的一致性，得出了THUMS人體模型在評估正撞乘員頭部和胸部傷害方面具有較高精度的結論。通過優化后的臺車模型，進一步分析了兩種模型頭部與胸部的傷害指標。結果表明，THUMS人體模型在評估大腦、顱骨、肋骨和心臟與肺部等內臟器官的損傷方面明顯優于Hybrid III假人。總的來說，THUMS人體模型能更全面地評估和預測人體損傷，有利于約束系統和損傷評估標準的改進和完善。

正面碰撞；THUMS人體模型；Hybrid III假人;乘員損傷

前言

Hybrid III有限元假人是根據人體特征簡化的假人模型，它通過簡化的1D單元和配重來模擬人體很多的組織器官(見圖1)。Hybrid III假人內部裝有多個傳感器，這些傳感器分別安裝在假人的不同部位(頭部和胸部質心等)，通過分析處理傳感器采集到的數據，得到Hybrid III假人的傷害評價參數(如加速度、位移量等)。但是Hybrid III假人的傷害評價參數不能直接反映人體各組織器官的傷害情況，需要經過處理來實現人體損傷的評估和預測。

THUMS人體模型是在人體解剖學的基礎上，結合高分辨率醫學CT全方位地對人體內部結構組織進行模擬的生物力學有限元模型(圖2)。THUMS人體模型根據人體特征賦予真實的材料屬性和運動關系。將THUMS人體模型應用到汽車被動安全開發中，能將沖撞時的人體實際狀況最大限度地再現出來，同時還能準確預測人體各個部位的傷害情況[1]。因此，THUMS人體模型對改善汽車安全性能，減小汽車碰撞過程中人體的損傷具有十分重要的現實意義和工程應用價值。

本文中依據某車型標定后的50km/h正撞臺車模型，分析驗證了Hybrid III假人與THUMS人體模型在頭部與胸部傷害指標與機理的一致性。通過優化后的臺車模型，進一步分析了兩種模型頭部和胸部傷害的異同之處，得出了THUMS人體模型能夠更加全面地預測碰撞中的人體損傷情況的結論。

1 損傷機理與損傷評價標準

1.1 頭部和胸部的損傷機理

頭部損傷是交通事故中致死的主要原因，而動載荷是交通事故中引起頭部傷害的主要原因。動載荷分為接觸載荷和非接觸載荷，接觸載荷會引起頭部顱骨骨折甚至局部的腦損傷；非接觸載荷會引起頭部的慣性運動，頭部會產生平移加速度和旋轉加速度，平移加速度一般會導致局灶性損傷，而旋轉加速度會導致彌散性腦損傷[2]。

交通事故中，胸部致傷所占的比例僅次于頭部損傷。碰撞過程中沖擊力作用下駕駛員胸部會產生骨骼結構與軟組織的壓縮變形，導致骨骼和內部組織損傷，當壓縮變形量超過胸腔耐受極限時，會發生骨折和內部器官、血管等的挫傷或破裂。

1.2 損傷評定標準

由于交通事故具有不確定性，造成人體損傷的原因是多方面的，有些傷害評價指標沒有把致傷原因考慮周全，導致損傷預測的結果與人體真實的傷害不完全相符。

為量化人體損傷的嚴重程度和配合損傷標準的使用，美國汽車醫學協會制定了解剖學尺度的損傷評定標準(abbreviated injury scale, AIS)。AIS標準中按照傷情對生命威脅的大小，將每一個器官的每一處損傷評為0-6等級，如表1所示。AIS的等級越高說明該項損傷對生命的威脅程度越大，4級以上均威脅生命安全，第6級為死亡或者目前醫學上還無法救治的損傷[3]。

表1 AIS損傷等級

2 THUMS人體模型驗證

2.1 兩種模型姿態的調整

基于對標完成后的Hybrid III假人臺車模型頭部和胸部仿真值與試驗基本一致，模型可靠，頭部和胸部的對標結果如圖3所示。用THUMS人體模型替換Hybrid III假人，并根據Hybrid III假人定位參數對THUMS人體模型進行調節，確保兩種模型姿態一致，如圖4所示。

兩種模型定位參數如表2所示，THUMS人體模型與Hybrid III假人模型頭部與胸部定位參數相差在2%以內，Hybrid III假人和THUMS人體模型姿態一致。

表2 姿態對比

2.2 兩種模型運動姿態的一致性驗證

用THUMS人體模型來替換臺車模型中的Hybrid III假人，對兩種模型進行CAE仿真分析，得到兩種模型的運動姿態圖，如圖5所示。兩種模型在0，50，75，100和120ms時的運動姿態基本一致。

通過對比分析Hybrid III假人和THUMS人體模型的定位參數和在碰撞中的運動姿態，確定了THUMS人體模型與Hybrid III假人在反映碰撞中車內乘員運動姿態方面具有較高的一致性。

2.3 兩種模型頭部傷害的一致性驗證

2.3.1 Hybrid III假人頭部傷害

通過仿真分析，Hybrid III假人模型頭部的3ms合成加速度最大值為53.4g，如圖3(a)所示，對應的頭部HIC值為480.2。

文獻[4]中將頭部傷害指標HIC與簡明損傷等級AIS進行關聯，得到關系如表3所示。

表3 HIC與AIS等級關系

由表3可知，HIC值為480.2可能造成的傷害介于AIS1和AIS2級別的傷害之間，說明該工況下駕駛員頭部可能會受到輕中度的損傷。

2.3.2 THUMS人體模型頭部傷害

仿真分析后的THUMS人體模型顱腦、顱骨的壓力和等效應力如圖6所示。

文獻[5]中的研究指出，當顱內的等效應力達到15～20kPa時，會造成腦震蕩，顱內等效應力達到38kPa，會導致嚴重的腦損傷；文獻[6]中在動物、人尸體試驗和有限元模型的基礎上得到，顱內壓力大于235kPa，會導致大腦嚴重損傷，顱內壓力介于173～235kPa之間，大腦會發生中等程度傷害，顱內壓力低于173kPa會發生輕微傷害或者無傷害；文獻[7]中通過大量的案例得出，顱骨的等效應力超過10.09MPa，會導致顱骨骨折。結合上述研究與THUMS人體模型仿真結果，THUMS人體模型的頭部各部位傷害結果如表4所示。

在50km/h正面碰撞工況下，THUMS人體模型的顱內最大等效應力為12.1kPa，接近顱內應力極限最小值15kPa，可能會引起頭部輕微腦震蕩；THUMS假人顱內最大壓力為153.8kPa，接近輕微傷害的極限173kPa，頭部可能受到AIS1級別的輕微傷害；顱骨最大等效應力為0.6MPa，遠小于顱骨的極限應力值，顱骨不會發生骨折。

表4 THUMS人體模型頭部損傷評價標準及傷害

綜上，通過Hybrid III假人的傷害指標可以推斷，在該工況下駕駛員頭部可能受到輕中度的損傷，通過對THUMS人體模型的分析，該工況可能會造成駕駛員輕微的腦震蕩，二者頭部的傷害情況基本一致，說明THUMS人體模型與Hybrid III假人在評價頭部傷害方面具有較高一致性。

2.4 兩種模型胸部傷害的一致性驗證

2.4.1 Hybrid III假人胸部傷害

通過仿真分析，Hybrid III假人模型胸部的3ms合成加速度最大值為46.1g，胸部的最大壓縮量為33.4mm，如圖3(b)和圖3(c)所示。

文獻[8]中通過側面撞擊試驗得出了胸部加速度對胸部造成的損傷概率關系；文獻[9]和文獻[10]中通過試驗得出了胸部壓縮量與損傷概率的關系，如圖7所示。

由圖7可見，胸部加速度46.1g可能造成AIS≥3等級損傷的概率接近70%，胸部壓縮量33.4mm可能造成AIS≥3等級損傷的概率大于40%，綜合以上兩種評判標準，可見該工況下駕駛員的胸部可能會受到AIS3級別的較嚴重損傷。

2.4.2 THUMS人體模型胸部傷害

仿真分析后的THUMS人體模型胸部肋骨和內臟組織的應力應變云圖如圖8所示。

研究表明，當肋骨應變率超過1.7%時，肋骨可能會發生骨折[11]，肋骨的應力應變曲線如圖9所示。文獻[12]中的研究指出，當胸部壓力達到16kPa時，會引起肺部損傷；當胸部壓力達到170kPa時，會造成心臟損傷；當胸部壓力達到251kPa時，會造成肝臟損傷。結合上述研究與仿真結果，THUMS人體模型胸腔各部位傷害結果如表5所示。

胸部評價指標損傷極限THUMS胸部傷害THUMS預估人體傷害肋骨應變率/%1.725.5肋骨骨折肺部壓力/kPa16242.8肺部嚴重損傷心臟壓力/kPa170534.9心臟嚴重損傷肝臟壓力/kPa251195.5肝臟輕微傷

THUMS人體模型肋骨的最大應變率為25.5%，遠大于肋骨的應變率極限，因此肋骨可能會發生骨折；肺部的最大壓力242.8kPa，遠大于16kPa，因此肺部會受到嚴重損傷；心臟受到的最大壓力為534.9kPa,遠大于170kPa，因此心臟會受到嚴重的損傷；肝臟受到的最大壓力為195.5kPa，小于251kPa，因此肝臟可能會受到輕微損傷或者沒有受到傷害。

綜上可知，根據THUMS人體模型與Hybrid III假人的胸部損傷指標都可以推斷駕駛員的胸部受到了嚴重的損傷(AIS≥3)，說明THUMS人體模型與Hybrid III假人在評價胸部傷害方面具有較高的一致性。

通過對比THUMS人體模型與經過試驗對標的Hybrid III假人頭部和胸部的傷害，說明了THUMS人體模型與Hybrid III假人在評估人體的頭部、胸部的損傷方面具有較高的一致性，因此THUMS人體模型可以用來進一步評估人體的損傷。

3 模型傷害優化分析

通過修改約束系統參數，如安全氣囊的泄氣孔直徑從21mm增大到25mm，安全帶的限力從3 240N降到2 850N等，優化兩種臺車模型，使Hybrid III假人和THUMS人體模型頭部與胸部受到的傷害最小。

3.1 優化后模型的頭部傷害

3.1.1 Hybrid III假人頭部傷害

經過優化之后的Hybrid III假人模型頭部的合成加速度曲線見圖10，其頭部合成加速度最大值為27.9g，相應的頭部HIC值為96.9。

根據HIC與AIS等級關系(表3)可知，優化后的Hybrid III假人的頭部基本沒有受到傷害。

3.1.2 THUMS人體模型頭部傷害

經過優化之后的THUMS人體模型頭部各部位損傷如圖11所示，面部皮膚的最大應變率為10.9%，顱內最大等效應力為6.1kPa，顱內最大壓力為82.3kPa，顱骨最大等效應力為173.3kPa。

根據表4可知，THUMS人體模型大腦的傷害值均小于損傷極限，預測駕駛員顱腦沒有受到傷害。

根據文獻[13]中的人造組織工程皮膚試驗得到，當皮膚的應變率達到3.5%左右會達到皮膚的抗拉強度極限，皮膚會發生撕裂。該工況下THUMS人體模型的面部皮膚應變率為10.9%，大于皮膚撕裂的極限應變率，因此駕駛員面部皮膚會發生撕裂。

3.2 優化后模型的胸部傷害

3.2.1 Hybrid III假人胸部傷害

經過優化之后的Hybrid III假人模型的胸部傷害指標見圖12，Hybrid III假人胸部的最大合成加速度為22.8g，胸部的最大壓縮量為21.2mm。

根據圖7可知，在該胸部加速度與胸部壓縮量下，能造成AIS≥3等級損傷的概率分別為35%與30%，因此車內乘員胸部受到嚴重傷害的可能性很低。

根據C-NCAP胸部損傷評分標準，胸部加速度與胸部壓縮量的高性能指標分別為38g、22mm[14]。Hybrid III假人胸部傷害值均小于高性能指標，在測試中胸部能夠獲得滿分的成績，因此，推測駕駛員胸部所受傷害很小。

3.2.2 THUMS人體模型胸部傷害

經過優化之后的THUMS人體模型胸部傷害指標見圖13，THUMS人體模型胸部肋骨的最大應變率為2.2%，肺部的最大壓力為171.3kPa，心臟的最大壓力為317.5kPa，肝臟的最大壓力為154.4kPa。

根據表5可知，THUMS人體模型肋骨的最大應變率2.2%超過肋骨的應變率極限1.7%，因此肋骨可能會發生骨折；肺部受到的最大壓力171.3kPa遠大于肺部的壓力極限16kPa，因此肺部會受到嚴重損傷；心臟受到的最大壓力為317.5kPa，大于其壓力極限170kPa，因此心臟會受到比較嚴重的損傷；肝臟受到的最大壓力為154.4kPa，小于其壓力極限251kPa，因此肝臟不會受到損傷。

通過對比優化之后的Hybrid III假人模型和THUMS人體模型在相同邊界條件下的傷害情況，可知Hybrid III假人的頭部和胸部受到傷害很小。THUMS人體模型的顱腦沒有受到損傷，但會造成面部皮膚撕裂，胸部的肋骨可能會發生骨折，肺部和心臟會受到較嚴重的傷害。綜上分析可知，THUMS人體模型相比Hybrid III假人在評估人體損傷方面更加全面，精度更高。

4 結論

通過對比Hybrid III假人和THUMS人體模型優化前的50km/h正撞臺車模型，分析了兩種模型頭部和胸部的傷害情況。THUMS人體模型能夠準確反映碰撞中車內乘員頭部、胸部的傷害指標；相比Hybrid III假人，THUMS人體模型對于大腦、顱骨、肋骨以及心臟、肺部等內臟的損傷評價更為直觀，也更為全面。具體結論如下。

(1) Hybrid III假人與THUMS人體模型在反映車內乘員碰撞中的運動姿態方面具有較高的一致性。

(2) 通過分析Hybrid III假人與THUMS人體模型的頭部傷害指標，Hybrid III假人頭部會受到輕中度的損傷，THUMS人體模型會受到輕微的腦震蕩，二者頭部的傷害情況基本一致。

(3) 通過分析Hybrid III假人與THUMS人體模型的胸部傷害指標，兩種模型的評價結果都顯示駕駛員的胸部受到了嚴重損傷，說明Hybrid III假人與THUMS人體模型在評價胸部傷害方面具有較高一致性。

(4) 優化后Hybrid III假人為輕微傷害或者無傷害；但相同邊界條件下，THUMS人體模型的面部皮膚會發生撕裂，胸部肋骨可能會發生骨折，肺部和心臟受到較嚴重的損傷。反映出Hybrid III假人在評估人體損傷方面具有局限性。

(5) THUMS人體模型能夠精準地模擬出碰撞中車內乘員大腦、顱骨、肋骨和心臟與肺部等內臟的損傷情況，相比Hybrid III假人更加直觀，也更加全面。利于約束系統和損傷評估標準的改進和完善。

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A Study on Occupant Injury in Frontal Crash Based on THUMS Human Model

Gao Jidong1,2, Qi Zhinan1,2, Xie Shugang1& Cui Dong1

1.ChinaAutomotiveTechnologyandResearchCenter,Tianjin300300;2.SchoolofMechanicalEngineering,HebeiUniversityofTechnology,Tianjin300130

With the frontal crash sled model calibrated at 50km/h, the head and chest injury indices of THUMS human model and Hybrid III dummy model are analyzed, verifying the consistency between THUMS model and Hybrid III dummy in assessing head and chest injury indices and drawing a conclusion that THUMS model has higher accuracy by comparison. Furthermore, the head and chest injury indices with two models are analyzed again with optimized sled model. The results show that THUMS model is obviously superior to Hybrid III dummy in assessing the injuries of brain, skull, ribs and internal organs like heart and lung. On the whole, THUMS model can more comprehensively assess and predict the injuries of human body, conducive to the improvement and perfection of occupant restraint system and injury assessment standard.

frontal crash; THUMS human model; Hybrid III dummy; occupant injury

原稿收到日期為2015年6月4日，修改稿收到日期為2015年9月2日。