側面碰撞遠端老年乘員損傷研究*

武和全 張凱 胡林

（1.長沙理工大學，工程車輛安全性設計與可靠性技術湖南省重點實驗室，長沙 410114；2.韋恩州立大學，生物工程中心，底特律MI48201，美國）

主題詞：遠端乘員損傷 有限元方法 老年乘員 歐洲新車評價規程 AE-MDB 側面斜柱碰撞

1 前言

在側面碰撞中，靠近碰撞沖擊位置一側的乘員稱為近端（Near-end）乘員，遠離碰撞沖擊位置一側的乘員稱為遠端（Far-end）乘員。針對側面碰撞中近端乘員的保護，研究人員已經開展了大量的研究，包括汽車側面安全氣囊、氣簾等被動安全系統優化[1-2]和汽車側圍結構優化等。然而，針對遠端乘員的保護卻長期未能引起足夠重視，現行的側面碰撞法規和除歐洲外的各國新車評價規程試驗中，均只針對近端乘員的損傷進行評價。

歐洲新車評價規程（European New Car Assessment Programme，Euro-NCAP）從2020 年起針對遠端乘員保護進行評估，在整車側面碰撞試驗中副駕駛座椅位置布置假人以驗證乘員保護策略的有效性，且從2023年起，試驗中遠端乘員頭部與近端乘員身體任何部位的接觸都將被評估[3]。目前，側面碰撞遠端乘員保護研究遠不及其他碰撞形式的乘員保護研究多樣和深入。因此，針對側面碰撞遠端乘員保護的研究具有重要的意義和現實需要。

截至2016 年，中國老年人口達到2.3 億人，占總人口的16.7%[4]，預計到2050 年，中國65 歲以上老年人占比將超過30%[5]。相比青年人，老年人在車輛碰撞事故中更容易受到損傷甚至危及生命安全，但目前針對老年駕乘人員保護的研究很少，故老年人在車輛碰撞事故中的損傷機理研究具有一定的現實意義。

因此，本文首先使用美國韋恩州立大學老年人體模型CHARM-70 建立單乘員和雙乘員臺車模型，并利用尸體試驗對老年人體模型進行側面碰撞驗證，然后根據Euro-NCAP 側面碰撞協議，將整車側面碰撞加速度曲線轉換為臺車加速度曲線，最后利用LS_DYNA 軟件研究Euro-NCAP 側面碰撞工況下遠端老年乘員的運動學響應和損傷機理。

2 研究方法

2.1 人體有限元模型

本文使用的老年人體模型為CHARM-70，其基于美國疾病控制和預防中心的統計數據，參考70～79歲老年人體的平均測量數據建立，身高160 cm，體重73 kg。其身體骨骼和內臟的計算機斷層掃描（Computed Tomography，CT）數據來自美國韋恩州立大學生物工程中心實驗室的73 歲女性尸體樣本（編號938），人體、骨骼和內臟CT 結果如圖1 所示。為了確保骨骼CT 數據能代表該年齡人群的平均值，研究者開發了一種統計模型，考慮了年齡、性別和身高等不同因素[6]。

圖1 人體、骨骼和內臟CT結果

老年人體有限元模型擁有詳細的組織結構特征，如圖2所示。其頭部、頸部、胸部、腰椎、腹部、骨盆和股骨等主要部位通過尸體試驗得到驗證，進行了整車正面碰撞和臺車側面碰撞仿真，并與尸體試驗結果進行對比[7-8]，老年人體模型反映出較好的生物逼真度。該模型坐姿高度為0.95 m，共含單元網格1 507 211個，能較好地反映老年人體特征和模擬人體損傷。

圖2 老年人體有限元模型

THUMS（Total Human Model for Safety）是由豐田汽車公司和豐田中心研發實驗室共同開發的人體有限元模型，旨在模擬汽車碰撞事故中的人體運動學響應和開展損傷分析。本文使用的THUMS_AM50_V4.0 人體模型如圖3 所示，為第50 百分位男性人體模型，身高175 cm，質量77 kg，具有詳細的人體組織結構特征。

圖3 THUMS_AM50_V4.0人體模型

2.2 Euro-NCAP整車側面碰撞仿真模型建立

2.2.1 AE-MDB側面碰撞整車模型

根據2020 年版Euro-NCAP 規范，移動壁障質量為1 400 kg，碰撞初速度為60 km/h，撞擊點位置為R點向后250 mm。本文使用的AE-MDB（Advanced European Mobile Deformable Barrier）和豐田雅力士（Yaris）車輛模型均來喬治華盛頓大學國家碰撞分析中心，并通過正面碰撞仿真與試驗數據的對比驗證了其有效性[9]，如圖4所示。

圖4 AE-MDB側面碰撞模型

2.2.2 側面斜柱碰撞整車模型

建立直徑為254 mm 的剛性柱模型，車輛模型碰撞初始速度為32 km/h，碰撞角度為75°，如圖5所示。

圖5 側面斜柱碰撞模型

2.2.3 AE-MDB 側面碰撞和側面斜柱碰撞加速度波形的選取

遠端乘員評估進行2次臺車試驗，包括AE-MDB側面碰撞和側面斜柱碰撞工況，碰撞沖擊角度為75°，加速度波形選取60 km/h AE-MDB 側面碰撞和75°斜柱碰撞中非碰撞側B 柱底部加速度脈沖，并經CFC-60 數字濾波算法進行濾波。

根據Euro-NCAP 側面碰撞協議，將整車碰撞加速度曲線轉換為臺車加速度曲線，如圖6所示，由于75°傾斜臺車的設置，需對原始加速度曲線進行一定系數縮放，縮放系數為1.035[10]：

圖6 加速度曲線縮放系數

式中，AX,SLED1、AX,SLED2分別為AE-MDB 側面碰撞和側面斜柱碰撞臺車加速度；AY,VEHICLE(AE-MDB)、AY,VEHICLE(POLE)分別為AE-MDB 側面碰撞和側面斜柱碰撞試驗整車橫向加速度。

2.3 遠端碰撞臺車模型

根據2020 年版Euro-NCAP 規范，基于本文所用的車輛模型建立簡化的臺車模型。臺車模型包括前排乘員座椅、中控臺、車門、安全帶和部分白車身等，簡化的臺車車身設定為剛性材料以保持足夠的強度。

針對老年人體模型與座椅模型之間的定位關系，首先建立老年人體和座椅系統模型，并對該模型系統施加重力場，運算結束時刻即為老年人體模型與座椅模型在重力的作用下達到的平衡狀態，將求解得到的座墊節點信息和初始應力重新映射到原始模型中，即可模擬老年人體與座椅實際接觸的狀態。

本文臺車模型包含單乘員臺車模型和雙乘員臺車模型，如圖7所示。

圖7 單乘員和雙乘員臺車模型

2.4 老年乘員模型側面碰撞驗證

Forman 等通過死亡后人體標本（Post Mortem Human Subject，PMHS）試驗研究了遠端橫向和傾斜臺車碰撞試驗中乘員的運動學響應[11]，測試內容包括D環的位置、手臂的位置、骨盆約束、有無安全帶預緊和撞擊嚴重程度，試驗結果表明：撞擊角度為60°時較90°時造成的頭部橫向偏移更大；安全帶預緊可顯著減小頭部偏移量；雙手的不同擺放位置（放在膝蓋上、大腿上，甚至膝蓋上方280 mm 處接近駕駛位置）對頭部橫向運動的影響可忽略不計。因此，參考Forman等尸體試驗（試驗編號089，見圖8a）對老年人體模型進行側面碰撞驗證，本文設定仿真邊界條件為：臺車加速度為6.6g，撞擊角度為橫向90°，無安全帶預緊，無骨盆擋板，D 環位于H點后約400 mm處，座椅為常規汽車座椅，手臂為駕駛姿態。老年人體仿真模型如圖8b所示。

圖8 尸體試驗和老年人體仿真模型

2.5 仿真乘員損傷評價

臺車側面碰撞仿真過程中，記錄乘員頭部質心（Center of Gravity，CG）處合成加速度曲線，計算頭部損傷指標（Head Injure Criterion，HIC）SHIC：

式中，t1、t2為三軸合成加速度波形的任意時刻（t1＜t2）；a為頭部重心的三軸合成加速度；t為時間。

記錄乘員頭部質心處的響應數據，計算頭部旋轉損傷指標（Brain Injury Criterion，BrIC）SBrIC，設頭部質心繞x軸、y軸、z軸方向的角速度分別為wx、wy、wz，則有[12]：

式中，wxc=66.3 rad/s、wyc=53.8 rad/s、wzc=41.5 rad/s 分別為頭部質心繞x軸、y軸、z軸方向的標準角速度。

頭部達到簡明損傷定級（Abbreviated Injury Scale，AIS）4級及以上損傷的概率為：

當BrIC為1時，AIS 4級腦損傷發生的概率為45%。

Mertz[13]等人公布了成人人群顱骨骨折的風險曲線，第50 百分位HYBRID Ⅲ假人的損傷基準值（Injury Assessment Reference Value，IARV）選擇180g，相應的顱骨骨折風險不到5%，并根據頭部大小和組織強度的差異進行縮放，以獲得其他假人的IARV，這些IARV 對應的顱骨骨折風險也低于5%，其中第5 百分位女性假人的IARV值選擇193g。

Mertz 等人公布了第5 百分位女性假人15 ms 頭部損傷指標HIC15為779，大約相當于5%的AIS 4 級的傷害風險，頸部剪切力極限為1 950 N，拉伸極限為2 520 N。

測量胸部第1～12根肋骨（見圖9）峰值壓縮量，通過應力云圖判斷肋骨骨折位置和數量，根據胸腔內壓力判斷肺部、心臟和肝臟器官的損傷狀況。

圖9 肋骨

3 仿真結果

3.1 Euro-NCAP整車側面碰撞仿真

3.1.1 AE-MDB側面碰撞

AE-MDB 以60 km/h 的初速度，90°側面撞擊車輛，非撞擊側B 柱底部系數縮放后加速度曲線如圖10 所示。圖11所示為AE-MDB側面碰撞仿真模型。

圖10 AE-MDB碰撞仿真曲線

圖11 AE-MDB側面碰撞仿真模型

3.1.2 側面斜柱碰撞

車輛以32 km/h的初速度、75°的碰撞角度撞擊直徑為254 mm 剛性柱，非撞擊側B 柱底部加速度曲線如圖12所示。圖13為側面斜柱碰撞仿真模型。

圖12 側面斜柱碰撞仿真曲線

圖13 側面斜柱碰撞仿真模型

3.2 老年人體模型側面碰撞驗證結果

本文側面碰撞驗證中，老年人體模型與Forman 等的研究中PMHS 樣本（年齡60 歲，身高175 cm，質量75 kg）每50 ms運動學響應對比如圖14和圖15所示。

圖14 PMHS（編號559）樣本側面碰撞運動學響應

圖15 老年人體模型側面碰撞運動學響應

在仿真中，老年人體模型在50 ms內處于側向滑移階段。在第100 ms時，身體和頭部出現傾斜，安全帶未完全脫離左肩。在第150 ms 時，身體和頭部進一步向沖擊側傾斜，同時右臂被拉伸，安全帶開始從乘員肩部滑落，老年人體模型的運動學響應與尸體試驗表現了一致性。老年人體模型手臂初始姿態與PMHS試驗不同，導致手臂拉伸后姿態存在區別。老年人體模型頭部質心的位移-時間曲線與尸體試驗數據對比如圖16所示，仿真頭部質心位移曲線在尸體試驗上、下限范圍內，因此，本文的老年人體模型側面碰撞仿真與尸體試驗結果有較高的相似度，因此逼真度得以驗證。

圖16 頭部CG位移-時間曲線

3.3 單乘員臺車側面碰撞仿真

3.3.1 AE-MDB側面碰撞和側面斜柱碰撞仿真

AE-MDB 側面碰撞和側面斜柱碰撞仿真老年乘員運動學響應如圖17 和圖18 所示。在AE-MDB 側面碰撞和側面斜柱碰撞中，老年人體模型分別在30 ms 和45 ms內處于側面滑移階段，直到骨盆與中控臺接觸，之后身體開始向碰撞側傾斜；分別在第55 ms 和第75 ms時刻，乘員身體出現明顯傾斜，安全帶肩帶開始脫離肩部；第140 ms 時刻，乘員頭部均達到最大側向位移，其中AE-MDB 側面碰撞中的老年人體模型身體傾斜程度較側面斜柱碰撞大，臀部、腹部和手臂與內飾件接觸，頭部未與內飾件接觸。

圖17 單乘員AE-MDB側面碰撞老年人體模型運動學響應

圖18 單乘員側面斜柱碰撞老年人體模型運動學響應

仿真結果顯示，傳統的三點式安全帶系統無法有效抑制乘員胸部的橫向位移，肩帶均從肩部滑落，但肩帶通過與乘員手臂的作用固定住乘員。乘員與中控臺的相互作用導致乘員下半身的移動速度減慢，但乘員上半身繼續向撞擊側移動，導致頭部重心不再與頸部中心線和身體重心對齊，因此會產生力矩，這是側面碰撞中頭部產生旋轉加速度的主要原因。

如圖19所示，在單乘員側面碰撞工況下，AE-MDB側面碰撞中的老年人模型的頭部質心、第1 胸椎（T1）骨盆運動位移均較斜柱碰撞大。其中，AE-MDB 側面碰撞遠端老年人體模型頭部質心的Z向最大位移約為562 mm，Y向最大位移約為803 mm，側面斜柱碰撞老年人體模型頭部質心的Z向最大位移約為175 mm，Y向最大位移約為664 mm。這是由于AE-MDB側面碰撞中的初始速度和動能遠大于側面斜柱碰撞，從而導致遠端乘員產生更大的慣性。

圖19 單乘員臺車側面碰撞中老年乘員頭部質心、T1和骨盆運動軌跡

3.3.2 頭部損傷分析

表1所示為側面碰撞老年乘員頭部平移加速度，其中，ax、ay、az分別為加速度在x、y和z方向的分量。在單乘員側面碰撞工況下，AE-MDB側面碰撞和側面斜柱碰撞遠端老年人頭部平移加速度均遠小于Mertz等人公布的第5百分位女性IARV值193g。表2所示為單乘員臺車側面碰撞中老年乘員頭部損傷預測結果，頭部損傷HIC15和36 ms 頭部損傷指標HIC36均遠小過Mertz 等人公布的第5 百分位女性損傷閾值779 和1 000，根據Mertz 等人公布的基于HIC15的AIS≥4 級的成年人群腦損傷風險曲線，AE-MDB側面碰撞和側面斜柱碰撞遠端老年人頭部AIS≥4 級損傷風險較小。BrIC 小于損傷閾值，乘員腦損傷的風險較小。

表1 單乘員臺車側面碰撞中老年乘員頭部平移加速度 g

表2 單乘員臺車側面碰撞中老年乘員頭部損傷預測結果

3.3.3 頸部損傷分析

表3 和表4 所示為單乘員AE-MDB 側面碰撞和側面斜柱碰撞中乘員的上、下頸部在x、y和z方向的載荷，其中，fx、fy、fz分別為載荷力在x、y和z方向的分量。AE-MDB 側面碰撞老年乘員頸部載荷較側面斜柱碰撞大，但其載荷值均遠小于Mertz 等人公布的第5 百分位女性頸部剪切力極限1 950 N、拉伸極限2 520 N。

表3 單乘員臺車側面碰撞中老年乘員上頸部載荷 N

表4 單乘員臺車側面碰撞中老年乘員下頸部載荷 N

3.3.4 胸部損傷分析

圖20 所示為單乘員臺車側面碰撞中，遠端老年乘員的第1 根肋骨Rib1～第12 根肋骨Rib12 的峰值變形量。遠端老年乘員第1～10 根肋骨峰值變形量逐漸遞增，第11根和第12根肋骨變形量相對變小，AE-MDB側面碰撞和側面斜柱碰撞肋骨變形量趨勢相同，AE-MDB側面碰撞肋骨整體變形量峰值較側面斜柱碰撞大，2種碰撞工況下峰值變形量均出現在第9 根肋骨。值得注意的是，第7 根～第10 根肋骨的變形量最大，這主要是側面碰撞中乘員與中控臺相互作用的結果。

圖20 單乘員臺車側面碰撞中老年乘員肋骨變形量

表5 所示為單乘員臺車側面碰撞中遠端老年乘員胸部肋骨骨折情況預測。在單乘員AE-MDB 側面碰撞和側面斜柱碰撞工況下，老年乘員肋骨均出現大規模嚴重骨折損傷。

表5 單乘員臺車中老年乘員胸部肋骨骨折情況預測

在單乘員AE-MDB 側面碰撞和側面斜柱碰撞工況下，頭部和頸部損傷值遠小于閾值，但肋骨均出現大面積嚴重骨折。這是由于遠端老年乘員頭部未與其他內飾沖擊接觸，因此，其頭部損傷HIC15和HIC36均較小，但由于慣性作用導致骨盆與中控臺沖擊接觸，遠端乘員身體向碰撞側傾斜，在中控臺和安全帶的共同作用下，遠端乘員胸部壓縮量增大，肋骨出現嚴重骨折。

3.4 雙乘員臺車側面碰撞仿真

3.4.1 AE-MDB側面碰撞和側面斜柱碰撞仿真

雙乘員AE-MDB 側面碰撞和側面斜柱碰撞臺車仿真中老年乘員和THUMS乘員運動學響應如圖21、圖22所示。老年人體模型分別在30 ms和45 ms內處于側面滑移階段，直到骨盆與中控臺接觸，之后身體開始向碰撞側傾斜；分別在第50 ms和第70 ms時，身體出現明顯傾斜，安全帶肩帶開始脫離肩部；第85 ms 時，AE-MDB側面碰撞中遠端老年乘員手臂開始與近端乘員接觸，第98 ms 時其頭部開始與近端乘員沖擊接觸；側面斜柱碰撞中老年乘員在第104 ms 時手臂與近端乘員沖擊接觸，在第130 ms 時，頭部位移達到最大，但未與近端乘員接觸。

圖21 雙乘員AE-MDB側面碰撞遠端老年乘員和THUMS乘員運動學響應

圖22 雙乘員側面斜柱碰撞遠端老年乘員和THUMS乘員運動學響應

仿真結果顯示，在雙乘員側面碰撞中，傳統三點式安全帶無法有效抑制乘員身體的橫向移動，肩帶均從肩部滑落，但肩帶始終與乘員手臂相互作用，并且，遠端老年乘員均與近端乘員沖擊接觸，與單乘員工況相比，雙乘員工況下遠端老年乘員的頭部位移偏小。

進一步研究發現，在雙乘員側面碰撞工況下，遠端老年乘員右側手臂均首先與近端乘員沖擊接觸，之后，AE-MDB 碰撞工況遠端老年乘員身體進一步傾斜導致其頭部與近端乘員沖擊接觸，而側面斜柱碰撞中遠端老年乘員頭部始終未與近端乘員接觸，這是由于相比于側面斜柱碰撞，AE-MDB側面碰撞中壁障具有更大的初始速度和動能，從而導致遠端乘員產生更大的慣性，其手臂的支撐力無法阻礙身體的進一步傾斜。

圖23所示為雙乘員臺車側面碰撞仿真中老年乘員的頭部質心、T1和骨盆的運動軌跡。AE-MDB側面碰撞遠端老年人體模型的頭部質心、T1和骨盆的運動幅度均較側面斜柱碰撞大，其中，AE-MDB 側面碰撞工況遠端老年人體模型頭部質心的Z向最大位移約為273 mm，Y向最大位移約為618 mm，側面斜柱碰撞工況老年人體模型頭部質心的Z向最大位移約為159 mm，Y向最大位移約為520 mm。

圖23 雙乘員臺車中遠端老年乘員頭部質心、T1和骨盆運動軌跡

相比單乘員側面碰撞工況，雙乘員側面碰撞工況下頭部質心、T1和骨盆運動軌跡較小，這是由于老年乘員的手臂和頭部與近端乘員沖擊接觸，減小了身體的傾倒幅度。

3.4.2 頭部損傷分析

表6 所示為雙乘員臺車側面碰撞中老年乘員頭部平移加速度。AE-MDB 側面碰撞和側面斜柱碰撞遠端老年人頭部平移加速度均小于Mertz 等人公布的第5百分位女性IARV 值193g；頭部損傷HIC15和HIC36均超過了Mertz 等人公布的第5 百分位女性損傷閾值779 和1 000，老年乘員顱骨骨折的風險較大，根據Mertz 等人公布的基于HIC15的AIS≥4 級的成年人群腦損傷風險曲線，AE-MDB 側面碰撞和側面斜柱碰撞遠端老年人頭部AIS≥4 級損傷風險分別為約45%和約10%。表7所示為雙乘員臺車側面碰撞中老年乘員頭部損傷預測結果，老年乘員BrIC均小于損傷閾值，腦損傷的風險相對較小。

表6 雙乘員臺車側面碰撞中遠端老年乘員頭部平移加速度 g

表7 雙乘員臺車側面碰撞中遠端老年乘員頭部損傷預測

相比側面斜柱碰撞，AE-MDB側面碰撞遠端老年人頭部更易受到嚴重損傷，這是由于AE-MDB 側面碰撞遠端老年人頭部與近端乘員沖擊接觸，而側面斜柱碰撞遠端老年人由于手臂的支撐作用導致頭部未與近端乘員沖擊接觸。

3.4.3 頸部損傷分析

表8和表9所示為雙乘員臺車側面碰撞中遠端老年乘員的上、下頸部在x、y和z方向的載荷。在雙乘員側面工況下，AE-MDB 側面碰撞老年乘員頸部載荷較側面斜柱碰撞大，但其載荷值均遠小于Mertz 等人公布的第5 百分位女性頸部剪切力極限1 950 N 和拉伸極限2 520 N。

表8 雙乘員臺車側面碰撞中遠端老年乘員上頸部載荷 N

表9 雙乘員臺車側面碰撞中遠端老年乘員下頸部載荷 N

3.4.4 胸部損傷分析

圖24所示為雙乘員臺車側面碰撞中遠端老年乘員第1根～第12根肋骨的峰值變形量。遠端老年乘員第1根～第12根肋骨峰值變形量逐漸遞增，AE-MDB側面碰撞和側面斜柱碰撞肋骨變形量趨勢相同，AE-MDB側面碰撞肋骨整體變形量峰值較側面斜柱碰撞大，2種碰撞工況下變形量峰值均出現在第12根肋骨。

圖24 雙乘員臺車側面碰撞中遠端老年乘員肋骨變形量

表10所示為雙乘員臺車側面碰撞中遠端老年乘員胸部肋骨骨折情況預測結果。在雙乘員AE-MDB 側面碰撞和側面斜柱碰撞工況下，老年乘員肋骨均出現大規模嚴重骨折損傷。

表10 雙乘員臺車側面碰撞中遠端老年乘員胸部肋骨骨折情況預測

在雙乘員AE-MDB 側面碰撞和側面斜柱碰撞工況下，老年乘員肋骨均出現大規模嚴重骨折損傷，但雙乘員側面斜柱碰撞工況相比單乘員工況，老年人肋骨骨折數量明顯減少，這是由于在雙乘員工況下，遠端老年乘員手臂與近端乘員沖擊接觸而產生支撐作用，導致身體傾斜程度減小，老年乘員胸部與中央扶手的相互作用力減小。

4 結束語

本文利用THUMS_AM50_V4.0 人體模型和老年人體模型CHARM-70，分別研究了前排單乘員和雙乘員AE-MDB 側面碰撞和側面斜柱碰撞工況下遠端老年乘員的運動學響應和損傷機理，具體結論如下：

a.在單乘員和雙乘員AE-MDB 側面碰撞和側面斜柱碰撞臺車仿真中，標準三點式安全帶均從遠端乘員肩部滑落，并且由于慣性的作用，遠端乘員身體向碰撞側偏移和傾倒，安全帶無法有效限制乘員的側向偏移。

b.在單乘員AE-MDB側面碰撞仿真中，遠端乘員頭部未與內飾沖擊接觸，因此頭部和頸部損傷值遠小于閾值，但肋部均出現大面積嚴重骨折；在雙乘員AEMDB側面碰撞工況下，遠端乘員與近端乘員沖擊接觸，導致頭部損傷值高于閾值，同時肋部也出現嚴重骨折損傷。

c.在雙乘員AE-MDB 側面碰撞和側面斜柱碰撞仿真中，遠端老年乘員右側手臂均首先與近端乘員沖擊接觸，之后，AE-MDB 側面碰撞遠端老年乘員身體進一步傾斜，導致其頭部與近端乘員接觸，但側面斜柱碰撞遠端老年乘員頭部始終未與近端乘員接觸。