用于儿童头部损伤生物力学研究的碰撞理论模型建立及验证

机动车事故和跌落等碰撞工况是造成儿童头部受伤的重要原因,研究碰撞过程中儿童头部的动力学响应对于头部损伤的预测具有重要意义。头部动力学模型能够快速预测不同碰撞场景下头部动态响应结果并进而预测头部损伤风险。首先,建立考虑颅骨及皮肤厚度和形态曲率的儿童头部碰撞理论模型用于预测儿童头部在碰撞工况下的响应。然后,通过儿童头部CT扫描提取颅骨及皮肤几何结构,对颅骨和皮肤三维重建后进行分割和定量离散,分别得到能描述颅骨内侧、颅骨外侧及皮肤形态的离散点集群,通过计算得到碰撞点周围的平均曲率与厚度,基于建立的头部碰撞理论模型可计算不同碰撞位置(不同厚度和曲率)的碰撞力。最后,通过碰撞试验对建立的碰撞理论模型进行验证,使用不同年龄的小型猪头部作为儿童头部的代替品进行碰撞试验,将试验结果与上述建立的理论模型对小型猪头部碰撞响应的预测结果(基于小型猪头部的真实的形态曲率、皮肤和颅骨厚度数据)进行对比。研究结果表明：建立的理论模型可以较为准确地预测碰撞脉宽和最大碰撞力;提出的儿童头部碰撞动力学理论模型能够快速预测头部不同碰撞位置的动力学响应,可以为儿童头部损伤的进一步研究提供参考和理论支撑。     

基于事故再现的行人头地二次碰撞损伤机理分析

由于多体动力学模型能够准确再现事故过程,获得头部落地时刻行人头部的碰撞参数,有限元分析方法能够准确分析行人头部的损伤情况。故文章结合多体动力学模型与有限元分析方法,采用事故再现的方法研究车辆行人碰撞事故中行人头部撞击地面的损伤机理,为行人保护和车辆外形改善提供理论依据。首先用PC-Crash再现汽车行人碰撞案例,仿真结果表明,多刚体模型能够准确地模拟事故现场,从而获得行人头部落地的速度和角度;接着建立了具有精细面部结构的人头有限元模型;最后将事故重建得到的碰撞参数作为边界条件,分析行人头部与地面的碰撞,确定颅内压力、von Mises应力等生物力学参数。结果表明,行人头部撞击地面后,应力波会在颅骨内外传播,并在颅骨和脑组织中产生不同程度的应力集中,当应力超过一定限度时,则会引起不同程度的脑损伤。     

行人与汽车碰撞中颅骨骨折损伤机理的虚拟实验研究

采用汽车-行人多刚体动力学模型,模拟行人与汽车碰撞中人体的动态响应过程,并计算头部与风挡玻璃碰撞接触瞬间的方位、速度和角速度等运动参数;然后将这些参数输入到先前建立并验证了的行人头部有限元模型HBM-head中,模拟头部与风挡玻璃和A立柱的碰撞过程,并分析与损伤相关的生物力学参数.结果表明,结合多刚体动力学和有限元分析的虚拟实验技术可进行碰撞事故重建和损伤机理分析,模拟颅骨骨折,计算分析颅骨在冲击载荷下的应力,并确立骨折损伤与应力参数之间的内在关系,从而为降低行人头部损伤风险,改进轿车安全设计提供依据.     

城市公交车内儿童乘员头部损伤的有限元分析

基于已验证的具有详细解剖学结构的头部模型和儿童假人身体有限元模型,构建了具有高计算效率的6岁儿童混合人体有限元模型,结合构建的城市公交车整车有限元模型,选取儿童乘坐公交车时的4个典型位置,对公交车紧急制动和正面碰撞工况下的儿童头部损伤进行了仿真。结果表明,公交车正常行驶紧急制动时头部不会损伤,但在有交通事故发生碰撞时可能会出现头部损伤,给出了容易发生碰撞损伤的乘坐位置,并对头部碰撞损伤的特点进行了分析,为公交车内儿童乘员的安全防护提供理论支撑。     

车辆乘员眼部损伤风险仿真评估

基于中国50百分位成年男性人体测量学参数,开发了具有眼组织生物力学响应的中国体征安全假人头部模型。在LS-DYNA软件中验证了跌落标定试验中头部模型的加速度响应,探究了正面碰撞工况下气囊对眼组织损伤的影响。并利用仿真数据建立了归一化能量与眼组织损伤概率的损伤风险曲线。结果表明,在头部跌落仿真试验中,中国体征碰撞假人头部加速度响应高于HybridⅢ假人;在正面碰撞工况下乘员约束系统仿真试验结果表明,当碰撞速度高于55 km/h时,视网膜脱落风险将增大,巩膜von Mises应力、变形量均达到引发眼球破裂损伤的阈值。     

汽车低速追尾碰撞中人体颈部伤害及保护系统研究

在MADYMO软件中使用BioRIDⅡ后碰撞假人建立追尾碰撞模型,分析了头枕位置和倾角参数对汽车发生追尾碰撞时头颈部动力学的影响,并使用颈部损伤准则值NIC和Nkm来评估颈部损伤的风险。仿真结果表明这些因素对颈部的动力学响应有着重要影响,高而且靠近头部,并且有适当增大倾角的头枕,有助于减小颈部的损伤。     

基于轿车-行人事故重建的行人颅脑损伤研究

通过深入的轿车-行人事故调查研究建立了行人事故数据库,挑选了其中12例轿车-行人碰撞事故,运用轿车-行人碰撞多体模型进行了事故重建.根据其结果,采用回归分析方法建立了运动学参数与行人颅脑损伤的相关回归模型,求得各参数之间的相关性.研究结果表明,轿车-行人碰撞速度与头部碰撞时间、头部碰撞相对速度、行人抛出距离以及头部损伤HIC值之间有着显著的相关性;速度限制和改进汽车前部结构可在一定程度上降低行人头部损伤风险.     

行人碰撞事故中颈部肌肉主动力对头部损伤的影响

本文旨在研究不同碰撞速度和行人步态条件下颈部肌肉主动力对行人头部损伤的影响。首先，采用湖南大学头颈HHNM-Ⅲ模型，取代LSTC假人模型头颈部分，构成行人混合假人模型并运用尸体实验数据验证该混合模型的有效性。然后运用该模型进行仿真，以分析不同碰撞速度下，撞击侧腿后摆和撞击侧腿前迈两种行人步态对行人头部损伤的影响。结果表明：在低速碰撞下，颈部肌肉会降低头部的运动幅度，但会使头部损伤风险增大；撞击侧腿后摆步态下的行人头部损伤比撞击侧腿前迈的步态严重；在高速碰撞条件下，颈肌对头部损伤的影响较小。     

行人头型撞击前风挡玻璃区域的损伤风险分析

针对行人头部防护开展研究,建立了符合GTR要求的4.5kg成人头部模型.通过虚拟试验方法使用成人头部模型对轿车前风挡玻璃进行冲击分析,比较不同碰撞部位及相关结构对人体头部损伤评价指标的影响.结果表明,头部损伤风险表现出明显的区域分布趋势,针对特定结构进行设计,可以有效降低风挡玻璃导致头部损伤的风险.     

独立平行进近模式的双跑道碰撞风险分析

跑道间距对独立平行进近时的飞行安全有较大影响,研究独立平行进近时碰撞风险随跑道间距变化的规律可以评估在不同跑道间距下实施该运行模式的飞行安全.针对现有方法在碰撞风险计算中存在的不足,提出基于碰撞盒理论的二维位置误差模型,对飞机进近阶段的位置误差进行二维正态拟合,得出用于计算碰撞风险的二维位置分布的概率密度函数,构建了碰撞风险与跑道间距的关系曲线.为了验证该方法的合理性,分别运用一维位置误差模型、CRM模型、二维位置误差模型对跑道间距1035 m时的碰撞风险进行了对比计算.结果显示,二维位置误差模型计算所得的碰撞风险更加接近国际民航组织制定的安全目标水平.      

乘用车前端结构几何参数对行人头部动力学响应和损伤风险的影响

通过深入的事故数据分析,研究行人在与不同类型乘用车碰撞中的AIS 3+伤亡风险,采用仿真分析研究乘用车前部结构对行人损伤和致伤因素的影响。以市场上的128款乘用车作为样本,比较了轿车、运动型多功能车和微型厢式车前部结构的主要几何尺寸;基于详尽的行人事故数据,统计分析了各类乘用车-行人事故中的损伤分布和严重性,确定了车辆碰撞速度与行人伤亡风险的关系;利用多体动力学模型,分别在20、40和60km/h的碰撞速度下比较了不同车型的行人头部碰撞条件。结果表明:乘用车前部几何形状对行人头部动力学响应和损伤风险都有显著影响。研究结果可为不同类型乘用车更好地制定行人保护措施提供一定的理论依据。     

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EI北大核心CSCD

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 IBMs3YO-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。     

乘员与安全气囊初始距离对轻度脑损伤的影响

基于已构建且经验证的成人第50百分位头部有限元模型,在LS-DYNA软件中模拟头部与安全气囊不同初始距离的碰撞过程,探究汽车碰撞中安全气囊与头部不同初始距离对乘员轻度脑损伤的影响。仿真中测得颅脑响应参数如HIC_(15)值、脑灰质处压力、脑组织von Mises应力、脑剪切应力等。对结果的分析表明:当乘员头部与安全气囊的距离大于等于290 mm时,引发轻度创伤性脑损伤的概率均低于50%;随着头部与安全气囊的距离减小,颅脑响应参数值会增大,造成颅脑损伤的概率增大。因此汽车碰撞过程中,尽管乘员合理使用安全带,但当乘员头部与安全气囊距离过近时也会引发轻度创伤性脑损伤,建议两者距离应大于290 mm。     

中国50百分位人体与标准试验假人正面碰撞响应差异的研究

根据中国人体尺寸参数,在国外标准假人HybridⅢ50 th假人模型的基础上,使用MADYMO软件中的缩放方法建立了符合中国50百分位身材的假人模型;加上另行建立的乘员约束系统模型,分别进行了正面碰撞仿真。结果表明,中国成年男性50百分位身材的假人模型的头部和颈部的损伤参数明显大于HybridⅢ50 th假人模型的相应参数。另外,志愿者和HybridⅢ假人的低速碰撞试验结果也表明,志愿者头部和颈部受到损伤的风险大于HybridⅢ假人的相应损伤风险。由此可见,采用HybridⅢ50 th假人进行碰撞试验不能准确反映中国人体的头部和颈部损伤情况。     

货车-两轮车前碰撞事故中骑行者运动学响应及损伤分析

为探究货车-两轮车前部碰撞事故中参与双方速度对骑行者运动学响应与损伤的影响,基于MADYMO软件开展事故重建并进行了分析。建立了货车和两轮车的多体碰撞模型,对一起货车前部碰撞两轮车事故进行了事故重建;使用验证后的模型进行了25组不同速度下的全因子仿真试验;分析了不同碰撞速度和骑行速度对骑行者运动学响应和损伤的影响。研究结果表明,骑行者身体旋转幅度会随着两轮车及货车车速的升高而增加;当货车速度超过 20 km/h时,骑行者头部损伤指标 （Head Injury Criterion,HIC） 与胸部3 ms加速度将超过阈值;而当货车速度超过25 km/h时,骑行者下肢接触力也超过阈值;货车速度处于 30～40 km/h时,相同货车速度下,骑行者头部 HIC值出现随着两轮车速度的增加而升高的趋势,而胸部加速度出现相反的趋势。     

基于潜类别Logit模型的两轮车骑行者头部损伤影响因素研究

为研究汽车-两轮车碰撞事故中骑行者头部伤害的影响机理,探究头部损伤致因关系中存在的模式差异与异质性,基于中国交通事故深入研究（CIDAS）数据库中的2 806起两轮车事故,建立潜类别Logit模型。以骑行者头部伤害严重程度为因变量,将驾驶人、车辆、道路、环境和事故碰撞特征的相关因素作为自变量,取显著水平为0.05,建立多项式Logit模型,在此基础上根据拟合优度指标确定最优分组数并构建出潜类别Logit模型。研究结果表明:模型将事故样本划分为2个类别群体,2个群体在参数、变量分布特征和预测概率上存在显著差异,当事故样本具有“两轮车初始速度>30 km/h”、“骑行者碰撞后抛出距离>10 m”等特征时易被归类到类别1,且类别1对应于更严重的头部伤害;骑行者年龄>50岁、汽车类型为商用货车、两轮车类型为摩托车、事故发生在市区外、两轮车初始速度>30 km/h、头部碰撞玻璃和抛出距离>5 m都会增加头部损伤的严重程度;汽车驾驶人行驶意图为停车或变道时,存在造成严重两轮车事故的风险;佩戴头盔会减弱骑行者头部受到的伤害。      

基于交通事故深度调查数据的行人头部损伤特征研究

基于未来出行交通事故场景研究 （Future Mobile Traffic Accident Scenario Study,FASS） 数据库中135例人车碰 撞事故深度调查数据,对造成行人头部损伤的来源及车速对头部损伤来源的影响进行了统计分析。采用Spearman相关系 数检验法,建立了车辆速度区间与头部平均 MAIS 的回归模型。结果表明,行人头部致伤物主要来源于车辆,占比约 58%,其次为地面,占比约40%。行人事故中,碰撞车速对行人头部损伤来源的分布情况有一定的影响,当车速低于30 km/h时,行人头部损伤主要来源为地面,当车速为 ［30,50］ km/h时,车辆和地面对行人头部造成的损伤风险相近,当 车速高于 50 km/h时,行人头部损伤主要致伤物来源为车辆。因此,在进行交通损伤流行病学研究、交通损伤事故数据 库构建时,特别是在中低速碰撞中,应重视地面对头部造成损伤的风险。     

基于C-NCAP中MPDB试验对HybridⅢ5百分位假人的伤害分析

正面50%重叠移动渐进变形壁障（MPDB）工况是源于不同类型车辆碰撞相容性的研究,本文针对MPDB试验中的Hybrid Ⅲ 5百分位假人在碰撞试验中受到的损伤进行研究。通过对比汽车副驾位置的Hybrid Ⅲ 5百分位假人和驾驶员后排位置的Hybrid Ⅲ 5百分位假人的头颈,胸腹部,大腿、骨盆等身体部位的伤害值,分析Hybrid Ⅲ 5假人在车辆不同位置的损伤情况。结果表明,Hybrid Ⅲ 5假人在副驾位置时比在主驾后排位置时受到的损伤较小,尤其是其头部HIC值和头部合成加速度方面。     

乘用车座椅靠背角对乘员碰撞安全性的影响分析

为探讨副驾驶员座椅靠背角度对乘员碰撞安全性的影响,建立了某乘用车副驾驶员约束系统模型,采用LS-DYNA软件分析了该车型在正面碰撞时对应于不同座椅靠背角度的副驾驶员损伤情况。结果表明,随着靠背角度的增加,乘员的损伤加重,尤其是头部和颈部损伤。因此,在正面碰撞中,将副驾驶员靠背角度适当调小有利于对副驾驶员保护。     

基于SAE J2114翻滚试验的THUMS人体模型损伤研究CSCD

研究了台车翻滚试验中驾驶员侧人体动态响应,再现无约束状态下人体头部、颈部真实损伤情况。基于THUMS人体模型进行人体损伤模拟,运用LS-DYNA有限元仿真方法,在Ford Explorer有限元模型的基础上建立整车翻滚模型,将仿真结果与碰撞测试数据库中SAE J2114某台车翻滚试验结果进行对比。结果表明:前1.1 s内,驾驶员颅骨和颈椎骨折风险较小,但是颅脑有损伤的可能性。因此,该模型能反映实际翻滚事故中的乘员损伤趋势和车辆碰撞特性。而且利用THUMS人体模型能模拟乘员的运动响应,可直观地描述人体的受伤部位,但是HybridⅢ50%男性假人颈部不能如实反映人体在翻滚中动态响应。