基于數值生物力學模型的汽車正面碰撞中肥胖駕駛員頭頸部損傷研究

劉 明，趙清江

（1.汽車噪聲振動和安全技術國家重點實驗室，重慶 401122；2.中國汽車工程研究院，重慶 401122）

隨著居民生活條件的改善，世界各國正面臨著肥胖帶來的負面影響。肥胖不僅會使患糖尿病和心腦血管疾病的風險增大，且在汽車碰撞事故中，還有可能因為身體質量的增加而加劇乘員損傷。目前，BMI仍然是流行病學判斷肥胖水平的首選指標，但不同地區制定了各自的肥胖分級，例如，中國肥胖問題工作組的專家在研究了有關中國肥胖的數據基礎之后，建議將BMI=24.0～27.9 kg/m2定義為超重，BMI≥28.0 kg/m2定義為肥胖[1-2]。世界衛生組織結合全球各大洲的人口特點，將BMI=25.0～29.9 kg/m2視為超重，BMI≥30.0 kg/m2視為肥胖，應用范圍最廣，具體肥胖分級見表1。

表1 世界衛生組織BMI切點[3]

在過去的十多年里，美國的肥胖人群比例顯著增長。2009～2010年，美國的總體肥胖率達到了35.7%[4]。2007～2009年，加拿大的肥胖人群占比是24.1%。2008年，澳大利亞的肥胖人群占比是25.7%[5-6]。而2012年，我國成人超重率為30.1%，肥胖率為11.9%，比2002年超重率增加了32%，肥胖率增加了67.6%[7]。肥胖人口數量的增加會滋生越來越多的肥胖駕駛員。

然而，國內外研究肥胖乘員在汽車碰撞損傷的文獻并不多見。SHI Xiangnan等[8]和REED等[9]研究認為，在汽車碰撞中，肥胖乘員增加的體重和軟組織改變了安全帶的佩戴路徑，使肥胖乘員容易出現“下潛”現象，增大下肢損傷風險。KENT等[10]使用一組非肥胖體型尸體和一組肥胖體型尸體進行了臺車正面碰撞試驗，在對比了肥胖乘員與非肥胖乘員尸體的運動學響應特征后認為：肥胖乘員比非肥胖乘員產生更大的偏移量以及更小的軀干向前旋轉度。然而，極其有限的文獻也并未表現出汽車正面碰撞事故中，肥胖乘員與非肥胖乘員相比，因為頭部旋轉運動產生的腦組織剪切應變致使顱腦發生損傷的差異以及頸部的損傷差異。

為了減少乘員在道路交通事故中的損傷，汽車廠商不斷地通過使用汽車碰撞假人、數值人體模型和真實的人體來改進約束系統（包括氣囊、安全帶、座椅等）。由于各國法規和倫理的限制，研究人員很難進行尸體試驗。除此之外，汽車碰撞假人的力學性能與響應相比真實的人體響應有所差異，而且開發汽車碰撞假人耗時長、成本高。依托于計算機的仿真技術相比之下就很有優勢，計算機仿真技術具有成本低（僅需要高性能計算機與配套軟件）、可以重復使用等優點，已經被廣泛地應用在汽車安全領域中。目前，國內外在乘員安全研究中廣泛使用多剛體模型和有限元模型進行約束系統的仿真分析，但該模型不能模擬人體局部區域的變形過程，在人體組織的應力分析、描述車輛詳細結構特征等方面存在明顯不足。無論是碰撞測試假人還是有限元人體模型，一般都沒有考慮特殊體型例如肥胖等。并且，現有的車輛約束系統在開發時都是以現有測評體系的碰撞測試假人為主要研究對象（一般為50百分位的正常體型假人）。由此可見，在使正常體型乘員在汽車碰撞事故中得到良好保護的同時，研究肥胖乘員頭、頸部的損傷機制，以此來指導汽車廠商開發出更加先進、適應性更好的約束系統，顯然是當下汽車碰撞安全領域中一個十分有意義的研究方向。

1 方法

本文使用Hypermorph[11]網格變形工具并以THUMS-AM50為基準建立了非肥胖乘員和表征不同肥胖程度的有限元人體模型，THUMS-AM50代表的是50百分位成年男性體型，在其初始建模時定義的身高體重分別為173 cm和77.3 kg。然后，基于文獻中的肥胖尸體腹部安全帶加載試驗數據對所建立的肥胖有限元人體模型進行有效性驗證，并針對汽車100%重疊率正面碰撞中肥胖與非肥胖乘員的運動學響應及頭、頸部的損傷差異進行對比研究。

1.1 Hypermorph網格變形技術研究

本文使用的縮放工具是Hypermorph，在縮放過程中，程序會自動檢查縮放后的單元質量，同時保持受影響的區域網格光順，最大限度避免縮放后單元質量下降，保證了后續計算精度。由于THUMS有限元乘員模型復雜且形狀不規則，為了保證縮放的質量，首先得清楚縮放因子、坐標系、縮放原點和變形區域對變形產生的影響。圖1針對大臂模型對它們進行了單一變量的研究。通過對比可以得出結論：（1）區域變形工具中的變換原點、坐標系、縮放系數會影響縮放結果，而變形區域的形狀不會對縮放結果產生影響。（2）當模型同時縮放x、y、z三個方向且縮放系數一致時，模型的變形效果將不受坐標系的影響。

圖1 區域變形工具的影響因素（為變形原點）

1.2 基于Hypermorph的肥胖有限元乘員建模

本文使用的標準體型乘員模型是由日本豐田汽車公司與豐田中央研究所共同開發的第4版有限元人體模型（Total Human Model for Safety，THUMS）。豐田中央研究所的研究人員為了保證THUMS模型能夠準確模擬人體在汽車碰撞事故中的損傷過程，參考尸體試驗數據，對其頭部、胸部以及下肢分別進行了大量驗證試驗[11-14]，試驗表明THUMS-AM50模型生物仿真性能已達到準確預測乘員損傷風險的要求。

本研究利用CAESAR數據庫[15]和REED等[16]的肥胖成人體表測量數據與THUMS-AM50基準模型的測量數據對比，可得到不同BMI乘員模型身體相應部位的縮放系數，見表2。隨后，利用Hypermorph針對THUMS-AM50模型不同身體部位單獨建立了總共9個局部坐標系，并針對每一個局部坐標系所代表的身體部位單獨進行縮放、檢查過程，確?？s放后的有限元人體模型的單元質量能夠滿足仿真精度。最終通過縮放產生的乘員有限元模型如圖2所示。此外，由于本研究重點關注人體頭部損傷，所以也列出了各個體型乘員頭部的質量參數，見表3。

表3 各體型人體頭部質量參數

圖2 THUMS-AM50基準模型及縮放后的乘員有限元模型

表2 肥胖人體各部位縮放系數

圖3 安全帶腹部仿真驗證示意圖

采用FOSTER等[17]研究中的腹部-安全帶加載試驗數據驗證了肥胖有限元乘員模型的有效性，驗證選用BMI為27 kg/m2的肥胖有限元模型與BMI為27.3 kg/m2的肥胖尸體樣本進行對比。按照FOSTER的試驗建立剛性背部支架、底座和安全帶模型，以及安全帶模型織物剛度等材料特性曲線。

1.3 建立100%重疊率正面碰撞模型

本研究使用的有限元簡化車輛模型以及約束系統的參數是基于國內某公司生產的一款四門轎車[18]，用于碰撞的基準有限元人體模型來自于豐田中央研究院，碰撞初始速度為50 km/h，碰撞波形來自該車型在C-NCAP正面碰撞時B柱的加速度波形。使用的求解器版本均為LS-DYNA 971，后處理軟件為Hyperworks和LS-prepost。依據仿真結果計算出乘員模型頭部的三向合成加速度、HIC36以及CSDM0.15，頸部黃韌帶、棘間韌帶以及前縱韌帶伸長率。以此來分析肥胖乘員和非肥胖乘員在正面碰撞事故中的頭、頸部損傷差異。

2 結果

2.1 仿真驗證結果

BMI-27.0的肥胖有限元乘員模型仿真曲線與FOSTER試驗中BMI-27.3試驗曲線變化趨勢一致，仿真產生安全帶峰值力的時刻比試驗晚4 ms，兩者的安全帶峰值力相差8.4%。對于腹部侵入量時間歷程曲線，在22 ms前，仿真的腹部侵入量比試驗增長速度快，22 ms后，仿真時的侵入量整體略小于試驗，兩者的峰值相差6.3%，在10%的誤差限度之內。結果表明，使用Hypermorph網格變形工具以THUMS-AM50為基準開發的有限元乘員模型具有較高的生物逼真度。

圖4 腹部侵入量-時間對比曲線

圖5 安全帶載荷-時間對比曲線

2.2 頭部損傷差異

為了直觀地表示出模型頭部三向合成加速度的大小，補充了表4。由圖6和表4可知，非肥胖與肥胖有限元乘員模型的頭部質心三向合成加速度波形基本一致，隨著BMI從24 kg/m2增加到36 kg/m2，頭部質心三向合成加速度峰值明顯增加，且肥胖有限元乘員模型頭部承受峰值區域的加速度持續時長較非肥胖有限元乘員模型明顯更長，這也是導致肥胖有限元乘員模型的頭部HIC36值變大的原因。雖然HIC36也呈增加趨勢，但是最肥胖乘員的頭部HIC36值卻不是最大，這說明BMI并未對HIC36產生顯著性影響。

圖6 肥胖與非肥胖有限元乘員頭部質心合成加速度

表4 肥胖與非肥胖有限元乘員HIC對比

當汽車發生正面碰撞事故時，乘員頭部可能同時發生平移運動和旋轉運動，而HIC損傷指標無法表征因旋轉運動產生的腦組織剪切應變而導致的顱腦損傷，如彌漫性軸索損傷（Diffuse Axonal Injury，DAI），因此，本研究采用TAKHOUNTS等[19]提出的CSDM指標來彌補HIC的不足，從而更加全面地統計腦部損傷。通過后處理軟件統計出有限元乘員模型的腦部在整個碰撞過程中因拉伸過度而失效的單元，計算出所有失效單元的體積占腦部體積之比，即，CSDM能表征整個大腦的損傷比例。這其中，判斷腦部單元是否失效就要參考單元的最大主應變是否超過閾值，超過閾值的單元就判為失效單元。當最大主應變的閾值為15%時，記作CSDM0.15。

非肥胖與肥胖有限元乘員模型的腦部應力云圖如圖7所示。BMI為24 kg/m2的應力云圖顯示，非肥胖有限元乘員模型腦部的絕大部分單元的最大主應變很小，僅小部分單元的最大主應變超過閾值，但隨著BMI的增大，肥胖乘員腦部超過最大主應變閾值的單元數目越多，在應力云圖上表現為暖色調區域變大。表5是詳細的非肥胖與肥胖有限元乘員模型腦部CSDM0.15損傷情況，從中可以看出，BMI沒有對最大主應變產生顯著影響，但失效單元的數目明顯隨BMI的增加而增加，由此可見，BMI對CSDM0.15產生顯著性影響。與此同時，肥胖有限元乘員模型比非肥胖有限元乘員模型更晚達到最大主應變，這和乘員頭部三向合成加速度動態響應的區別一致。

圖7 非肥胖與肥胖有限元乘員腦部應力云圖

表5 非肥胖與肥胖有限元腦部CSDM損傷情況

2.3 頸部損傷差異

有限元人體模型例如THUMS等比傳統的機械假人模型有著更完整的解剖學結構，可以將事故中所受的損傷直觀地表現出來，通過后處理可以直接看到結構變形、斷裂，也可以測量應力應變等。裴元津等[20]通過分析得到了頸部部分軟組織的耐受限度，見表6，如測量值超過限值，則該部位有可能受到損傷。

表6 頸部韌帶耐受值[20]

根據仿真結果，非肥胖和肥胖乘員頸部黃韌帶達到最大伸長率的區域均在C5～C6之間，如圖8a所示，BMI為27 kg/m2的肥胖乘員頸部黃韌帶伸長率最大，為48.8%，BMI為31 kg/m2的肥胖乘員頸部黃韌帶伸長率最小，為28.3%。非肥胖和肥胖乘員頸部棘間韌帶達到最大伸長率的區域均出現在C5～C6之間，如圖8b所示，BMI為27 kg/m2的肥胖乘員頸部棘間韌帶伸長率最大，為136.7%，BMI為31 kg/m2的肥胖乘員頸部棘間韌帶伸長率最小，為81.2%，均有較大的損傷風險。非肥胖和肥胖乘員頸部前縱韌帶達到最大伸長率的區域均在C3～C4之間，如圖8c所示，BMI為27 kg/m2的肥胖乘員頸部前縱韌帶伸長率最大，為37.1%，BMI為31 kg/m2的肥胖乘員頸部前縱韌帶伸長率最小，為28.8%。綜上所述，可以得出如下結論：（1）無論是非肥胖乘員還是肥胖乘員，三條韌帶都在同一區域出現最大伸長率，換而言之，隨著肥胖程度的增加，頸部可能出現損傷的位置并未明顯偏移。（2）肥胖程度越高并不意味著頸部發生損傷的幾率越大。

圖8 非肥胖與肥胖乘員模型頸部韌帶損傷情況（從上至下分別為24 kg/m2，27 kg/m2，31 kg/m2，36 kg/m2）

圖9 頸部韌帶損傷柱狀圖

3 討論

由于各國法規和倫理的限制，可用的肥胖尸體樣本數據太少，本研究已進行肥胖乘員模型的腹部和臺車試驗驗證分析，基準模型也已用大量尸體樣本驗證，但尚未驗證肥胖乘員腹部臟器的生物仿真性能，因此，本文建立的肥胖有限元乘員模型需更進一步驗證。

本研究獲得的肥胖人體尺寸參數主要是體表尺寸，尚缺乏人體內部骨骼、內臟數據，使用有限元變形工具時也是基于體表尺寸，這可能導致肥胖有限元乘員模型的內部結構與實際人體有所偏差。因此，在未來的研究工作中需要用到高精度的人體3D掃描技術獲取體內各器官和組織的數字信息，從而為建立更高生物力學性能的非標準體型有限元人體模型打下基礎。

4 結論

本文對Hypermorph網格變形技術進行了單一變量研究，通過對比變形前后的大臂模型可以得出結論：

（1）區域變形工具中的變換原點、坐標系、縮放系數會影響縮放結果，而變形區域的形狀不會對縮放結果產生影響。

（2）當模型同時縮放x、y、z三個方向且縮放系數一致時，模型的變形效果將不受坐標系的影響。

同時，本文使用國內某款中級轎車的有限元簡化乘員艙對非肥胖和肥胖男性有限元乘員模型進行了初始速度為50 km/h的正面碰撞仿真分析，并根據仿真后處理數據計算出有限元乘員頭部、頸部的損傷指標，對比了非肥胖和肥胖乘員這些部位的損傷情況。研究表明：

（1）隨著BMI從24 kg/m2增加到36 kg/m2，肥胖乘員頭部質心的三向合成加速度、HIC36以及腦部CSDM0.15越大。其中，加速度峰值從673.26 m/s2增加到了737.94 m/s2，HIC36從632.9增加到了771.8，CSDM0.15從0.502‰增加到了4.04%，并且BMI對CSDM0.15表現出了顯著性影響，說明頭部損傷風險增大，這與REED等[16]研究BMI對乘員頭部潛在損傷風險影響的結果一致。

（2）頸部發生損傷的位置并未隨著BMI的增加而發生改變，而且BMI未對頸部發生損傷的風險產生明顯影響。