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。     

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。     

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.     

6岁儿童骨盆有限元模型的构建和验证

采用儿童骨盆有限元模型是预测汽车侧面碰撞时儿童骨盆生物力学响应的重要方法。基于6岁儿童CT图像构建了含有真实肌肉形状的6岁儿童骨盆有限元模型,利用该模型重构了儿童尸体骨盆侧面碰撞试验,仿真计算得到的力位移曲线位于尸体试验数据通道内,吻合较好。仿真得到的粘性指数VC值曲线与6岁儿童尸体试验曲线趋势一致,说明了该模型的有效性。进一步研究了不同厚度缓冲材料对骨盆损伤的影响,发现缓冲材料确实能有效降低骨盆的损伤概率。所构建的模型具有较高的生物仿真度,可为儿童骨盆碰撞损伤的仿真研究提供可靠的工具。     

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。     

儿童安全座椅侧面碰撞头部保护研究

根据欧洲儿童乘员约束系统法规(ECE R129)要求,建立台车座椅约束系统模型,施加法规中规定的速度曲线,以模拟汽车在侧面碰撞事故中后排儿童乘员的头部损伤情况。通过台车侧撞试验,验证了所建有限元仿真模型的有效性。通过压缩试验,对30倍发泡率EPP材料力学性能进行测定,确定采用包含应变率效应的MAT83材料卡片,以模拟EPP材料头枕在碰撞工况下的力学响应。以儿童乘员头部3 ms加速度和HPC作为评价指标,对比分析EPP材料和普通材料对儿童乘员头部的保护效果。结果表明:与普通材料相比,采用EPP材料后,Q3假人模型HPC降低24.9%,头部3 ms加速度降低8.1%,有效降低了汽车侧面碰撞对儿童头部的损伤。     

头颅撞击发动机罩板的危害性研究

根据赫兹接触定律和头皮的粘弹性特性对撞击吸能的影响，建立了由各向同性材料组成的球壳模型撞击四边简支的矩形板的动态响应模型，该模型仿真结果与试验结果吻合的较好，同时依据头部损伤的评价标准，分析了碰撞速度，碰撞角度，撞击质量，头部的直径，被撞结构的厚度以及撞击的位置等对头部损伤的影响，对有保护行人头部功能的车身结构设计将会起到一定的指导作用。     

碰撞位置对行人头部生物力学模型损伤影响

利用人体头部生物力学模型研究了行人与车辆前端碰撞时头部损伤。结果表明,在同一目标点进行碰撞时,由于颅骨碰撞位置不同,产生的颅骨损伤也不同,当碰撞位置为额骨和颞骨时存在骨折风险;对于颅脑损伤,随着碰撞位置不同,存在不同脑挫裂伤及脑振荡风险;与EEVC头部碰撞模型对比头部合成加速度曲线趋势一致,发动机罩外板变形接近,HIC15值随着碰撞位置不同,存在较大差异。     

汽车碰撞安全与轻量化研发中的若干挑战性课题

汽车结构与动力电池的碰撞安全性是开发轻量化、电动化汽车的强制性要求和关键基础性支撑技术。通过3个方面的10个典型课题及研究结果,介绍并综述了汽车碰撞安全性研发的技术挑战。第一,采用夹层式汽车前舱罩盖技术,提升罩盖结构力学特性的横向均匀性以及冲击响应历程的均匀性,满足汽车吸能位移限定下的行人头部碰撞响应控制;采用精细人体有限元模型解析复杂工况下行人下肢损伤机理和影响参数,基于人体组织损伤层面的虚拟评估改进汽车结构的人体碰撞保护设计;面向复杂道路交通事故工况和多样化人体特征,解决强非线性条件下的自适应乘员智能保护系统优化设计难题,通过在时间和空间上对乘员约束载荷的均衡化实现针对工况可调的碰撞保护。第二,揭示材料冲击测试中系统共振导致信号振荡和材料屈服放大振荡的机理,开发抑制信号振荡的轻质动态力传感器;精细表征材料在碰撞载荷和复杂应力状态下的力学行为,针对高强钢、塑料、胶粘和焊点等轻质高强材料及复合连接接头建立大变形失效断裂预报方法及仿真模型。第三,基于动力电池多工况挤压试验,建立电池在外载荷作用下的材料失效、电压陡降与温度上升的响应特征关联性,提出用力学响应特征预测电池内部损伤起始和短路发生的判据,解决电池在机械滥用载荷下的短路预测问题,建立能准确预测电池变形响应的数值模型及碰撞安全评估方法,并应用于电池包和电动车的轻量化与碰撞安全性设计。     

汽车碰撞中颈部肌肉组织神经兴奋性对乘员损伤影响的研究

为研究汽车碰撞中神经兴奋性引起颈部肌肉力的变化对乘员损伤的影响,建立了低速正面碰撞与追尾碰撞模型,对乘员运动响应进行了仿真分析。然后使用汽车驾驶模拟器采集真实驾驶员颈部主要肌肉的肌电信号,验证了仿真结果的有效性。结果表明,在低速工况下,颈部肌肉紧张会约束头颈部的运动,头部有后倾上扬趋势,颈部受力大小有所增加。考虑颈部肌肉组织的神经兴奋性,能更真实地再现碰撞中乘员头部和颈部的运动响应,为颈部损伤评价准则的修正和乘员心理和生理变化对人体损伤影响的研究提供参考。     

电动二轮车驾驶人头部损伤再现不确定性方法

为了减少交通事故中不确定性信息在受伤害者损伤再现中造成的不利影响,采用拉丁超立方(LHS)试验设计和响应面蒙特卡洛相结合的方法对电动二轮车驾驶人头部损伤再现进行损伤不确定性分析。首先采用多体系统动力学方法对具有详细事故信息(含视频信息)和损伤记录的2起电动二轮车事故中的汽车碰撞速度进行再现和不确定性分析,并对比事故信息(视频信息、最终位置、电动二轮车驾驶人的运动学),进而验证事故再现结果的有效性。在此基础上,应用有限元方法将获得的电动二轮车驾驶人头部碰撞的边界条件加载至THUMS人体头部有限元模型,分析电动二轮车驾驶人头部损伤参数的不确定性与简明损伤准则AIS累计频率的分布关系,并对比电动二轮车事故案例中电动二轮车驾驶人的头部损伤法医鉴定记录。研究结果表明:蒙特卡洛不确定性分析方法能够较准确地预测电动二轮车事故中的汽车碰撞车速,采用该分析方法获得的电动二轮车驾驶人头部损伤等级与法医鉴定的脑部损伤记录高度吻合;蒙特卡洛不确定性分析方法可以适用于评估电动二轮车事故中电动二轮车驾驶人的头部损伤等级,研究结果可为电动二轮车驾驶人头部损伤研究提供理论依据和实证方法。     

混合Ⅲ型50百分位假人头部有限元模型建模与对比研究

针对已公开的HybridⅢ第50百分位假人头部有限元模型过于简陋和网格尺寸过大的问题,建立了5种不同网格尺寸的Hybrid Ⅲ 50百分位假人头部有限元模型.通过模型有效性验证发现,当网格尺寸大于10mm时由于沙漏能过大而导致模型仿真失效;等于4mm时模型接近于可能仿真失效;小到2mm时模型沙漏能得到了较好的控制且整个头部模型有很好的细节表现.具有该网格尺寸的头部模型较适用于头部接触碰撞的仿真,且可用来建立整体碰撞假人模型.在对头部皮肤与头盖骨之间接触特性的研究中发现,定义了头部皮肤与头盖骨之间的接触使仿真HIC值非常接近于试验值,消除了未定义接触时产生的约20%的误差.     

基于车桥耦合振动的RC系杆拱桥加固效果评价

为了对采用吊拉主动加固方法的钢筋混凝土系杆拱桥进行基于车桥耦合振动分析的加固效果评价,首先,利用ANSYS软件建立空间梁、板和杆单元的桥梁结构有限元梁格模型,并选取三轴9自由度的车辆模型及路面不平度等级B分别模拟实际车辆及桥面状态,将梁格模型调入BDANS软件,通过数值模拟车、桥动力响应,计算得到桥梁动位移、加速度响应,研究加固前后桥梁控制截面所受到的动力冲击作用;然后,分析桥梁加固前后不同位置加速度响应的频谱特征;最后,对依托工程动力特征、动态响应及车桥耦合作用的实测值与理论值进行比较分析。结果表明：通过该方法加固后结构的竖向自振频率较加固前均有提升,但提升幅度较小;加固前后结构不同位置的动力响应随车速增加呈逐渐增大的趋势,且车速在60～80 km·h^-1时,加固后结构跨中截面的动力响应降幅最大;加固后结构控制截面的加速度均方根值小于加固前,根据其变化幅值建议车辆通过加固后桥梁结构的速度为60 km·h^-1,以保证行人过桥时的体感舒适度、通行效率及行车安全;通过理论值与实测值的对比分析,验证了基于车桥耦合振动分析方法对桥梁结构加固后行车性能评价的有效性。     

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.     

复合材料车身对头部撞击损伤的模拟

利用三维有限元分析方法模拟了人体头部与复合材料层板发生柔性撞击时的整个动态响应过程。采用复合材料层板模拟了汽车的发动机罩板。分析了石墨环氧As-3501-6两种铺设类型的复合材料层板与人体头部撞击的动态响应特性，得到了铺设角度对头部HIC值、撞击速度和位移的影响。文中的模型为设计具有保护行人头部功能的复合材料车身结构提供了参考。     

Impact of Dynamic Fluid Slosh Loads on the Directional Response of Tank Vehicles

SUMMARY

A comprehensive directional dynamics model of a tractor-tank trailer is developed by integrating a non-linear dynamic fluid slosh model to the three-dimensional vehicle dynamics model. The nonlinear fluid slosh equations are solved in an Eulerian mesh to determine dynamic fluid slosh loads caused by the dynamic motion of the vehicle. The dynamic fluid slosh forces and moments are coupled with the vehicle dynamics model to study the directional response characteristics of tank vehicles. The directional response characteristics of partially filled tank vehicles employing dynamic slosh model are compared to those employing quasi-dynamic vehicle model, for steady as well as transient directional maneuvers. Simulation results reveal that during a steady steer maneuver, the dynamic fluid slosh loads introduce oscillatory directional response about a steady-state value calculated from the quasi-dynamic vehicle model. The directional response characteristics obtained using the quasi-dynamic and dynamic fluid slosh models during transient steer inputs show good correlation. Based on this study, it can be concluded that the quasi-dynamic model can predict the directional response characteristics of tank vehicles quite close to that evaluated using the comprehensive fluid slosh model.     

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...     

Prevention of head trauma and death in patients with head injuries: A forensic autopsy study

This forensic study investigated patients with head injury to find methods of preventing head trauma and death of patients with head injuries. Autopsy information of patients who died after experiencing blunt force trauma in the head owing to different causes was reviewed. In addition, the manners of the death of patients who had mild to moderate head injuries on admission were analyzed. The records of 68 adult patients (2008–2015) with skull fractures or traumatic intracranial lesions due to blunt force trauma were assessed in this study. These patients were divided into four groups according to the causes of trauma: traffic accidents (n = 20), simple fall (n = 18), fall from height (n = 23), and blow (n = 7). The demographic information (Glasgow coma scale [GCS] score on admission and current medication and fall histories), autopsy findings, and severity of the injury, as indicated by the Abbreviated Injury Scale and Injury Severity Score, were compared among the different groups. The causes of death of seven patients with mild (GCS score of 13–15) or moderate (GCS score of 9–12) head injuries on admission were analyzed. The numbers of patients with current medication, fall history, subdural hematoma, and head injury alone as the cause of death were significantly higher in the simple fall group. The incidence of skull fractures and the number of deaths from multiple head and trunk injuries were significantly higher in the traffic accident group. Of the seven patients with mild or moderate head injuries on admission, four and three died from the acute onset of a pre-existing condition and exacerbation of traumatic brain injury, respectively. These results indicate that preventions of simple falls in individuals with current medication or fall history may decrease the number of deaths due to simple falls, and patients with head injuries due to traffic accidents should be examined for coexisting trunk injuries; in addition, those with mild or moderate head injuries must be cautiously monitored for the onset of a pre-existing condition and exacerbation of traumatic brain injury.