汽车安全与人体损伤生物力学的有限元模拟研究

1、第35卷第6期2007年6月华南理工大学学报(自然科学版Journal of South China University of Technology(Natural Science EditionJune200r7汽车安全与人体损伤生物力学的有限元模拟研究阮世捷胡习之曲杰(华南理工大学汽车工程学院,广东广州510640摘要:汽车安全是汽车产品研发中必须首先考虑的一个重要因素.新汽车产品不但需要满足或超过各国制定的安全法规,也要满足使用者对安全性能的期望和要求.市场调查表明:约有78%的美国新车购买者愿意多付钱来购买额外的汽车安全性能.汽车安全技术与人体损伤生物力学有着依赖关系,对汽车安全性能

2、研发的成功与否,很大程度上取决于是否能通过人体损伤生物力学的损伤标准.文中就汽车安全与人体损伤生物力学的因果关系进行深入浅出的分析和讨论,对人体损伤生物力学与汽车安全的未来研究趋势提出笔者的新见解.关键词:汽车安全;损伤生物力学;损伤极限;损伤标准;安全法规;有限元中图分类号:U461.91文献标识码:A道路交通碰撞损伤问题不是社会工业化和经济繁荣发展所带来的结果,它是一种流行病,一个公共健康问题.它可以预防、预测和有必要义务地对其进行合理的分析和研究对策.预防、解决道路交通碰撞损伤的公共健康问题是一项复杂的系统工程,解决的途径需要综合的科学方法.而要营造一个安全的道路交通环境,首先必须要有安

3、全的车辆,以此保护乘员和行人的安全.人体损伤生物力学的科学研究和汽车安全的技术研发是保护乘员和行人安全的两大前提.作者简介:阮世捷,男,美国韦恩州立大学生物医学工程系博士,华南理工大学汽车工程学院兼职教授,主要从事汽车安全设计和人体损伤生物力学研究.Email:jruan36 yahoo.corn 合理的损伤标准.因而就不会有科学合理的汽车安全法规、可靠的汽车安全设计和有效的汽车安全策略,更谈不上完善一整套对道路使用者(包括机动车使用者、乘员、非机动车使用者、行人等的安全保护措施.没有安全的汽车和安全的道路,就保证不了社会的可持续性发展.本文中就汽车安全与人体损伤生物力学的有限元模拟研究、汽车

4、安全和交通碰撞损伤与人体损伤生物力学的关系进行探讨,并对人体损伤生物力学与汽车安全未来的研究趋势提出笔者的新见解.1汽车安全和交通碰撞损伤对国民经济和社会的影响婚车的挑选既要尊重传统,又想紧跟潮流,究竟该选择什么样的车型做婚车才最合时宜呢?杭州婚车租赁结婚是喜事,处处讲究讨个口彩,婚车自然也不例外。相对而言,婚车的头车用白色或红色更好,因为白色有“白头偕老”的语意,红色则象征夫妻生活红红火火。另外,婚车尽量不选择两厢车,避免“有始无终”、“有头无尾”。用奔驰做头车的话,尾车则不宜用桑塔纳,因为会有“奔丧”的谐音。车标如果有吉祥的含义更好,比如荣威的双狮车标,就有“成双成对”的美意,而标致的单狮

5、难免有“孤寡”的意思。婚车一开到路上,就必定要引来路人的评头论足。所以,现在的新人越来越在意婚车的“舆论效应”不求最贵,但求最新。于是,我们就看到了层出不穷的“新、奇”婚车。“新”用新上市的车型来做婚车,可以有效地避免亲友和路人的“视觉疲劳”。最近有新人用荣威750开道,吸引来不少路人的抓拍。可见,英伦味十足的荣威的确相当唬人,即新鲜又气派。“奇”敞篷、加长、越野、mini这些车已经不够“奇怪”了。如今的新人怪招多多:军用车队、公交车队、自行车队、人力车队即便车型过于平民,也可以用数量来造势,由车友慷慨相助而成的奇瑞、POLO婚车队开在马路上亦十分风光。车祸再所难免。但是如果婚车在途中出事故,

6、甚至喜事变丧事,那简直是不可承受的痛。为了保证婚礼顺顺利利,新人不管选什么车,安全都不能忽略。像这样有过“前科”的车型,恐怕准备办喜事的新人们还是选择性的“失明”为好.杭州汽车出租最近网上惊爆的“加长车”事件,就值得警醒:为了长面子,很多人喜欢租借加长版的凯迪拉克或林肯,孰不知很多婚庆公司提供的加长车都是自己拼接而成的,安全成极大隐患。另外,本田雅阁也不是婚车的理想选择,曾经轰动一时的“婚礼门”事件,恐怕还是能让很多人记忆犹新:因为在碰撞中完全没能对驾驶和乘坐人员起到保护作用,车身尽毁,一场本不致命的交通事故却让两位新人撒手人间。2华南理工大学学报(自然科学版第35卷利布里希的纽约地产经纪人.

7、自那以后的100年中,据不完整统计,美国已共有约280万人死难于汽车交通碰撞损伤p1.在过去的一个多世纪里,对全球死难于交通碰撞损伤的人数可能已无法详尽统计.据世界卫生组织2004年的估计,世界范围内每年约有120万人死于交通碰撞,同时约2500万人因交通碰撞而导致永久性残废.这种死伤的趋势还将逐年加重,尤其是在发展中国家.研究结果表明:到2020年,因交通碰撞损伤而造成的死亡率在所有造成死亡的原因中将从1990年的第九位上升到第六位旧J.由于因交通碰撞而造成的伤亡者大多年轻而健康,所以从计量疾病与伤害给社会带来的负担的指标来看,到2020年,交通碰撞损伤在发达国家将列第六位,在发展中国家将列

8、第二位,按全球计算将排在第三位J.这些数据不难让我们看出汽车安全在国民经济和社会发展中是处于一种怎样重要的地位.根据美国国家公路交通安全管理局(NHTSA汽车碰撞年度统计报告的数据,美国全国一年平均每隔5S就有一起汽车碰撞发生;每隔1l s就有一人因汽车碰撞而受伤害;每隔12min就有人因汽车碰撞而死亡J.这些数据听来令人生畏.表1各国近年来交通碰撞、损伤、死亡数字一览表Table l Annual numbers of traffic crashes,injuries,and fatalities from different countries1数据来源:NHSTA2003,2004年度交

9、通安全事实【78】;212个国家,数据来源:安全网2005年度统计报告【9】;3不包括台湾、香港、澳门,数据来源:2004,2005人民日报海外版;4数据来源:2000, 2002日本交通安全白皮书她11】;5数据不祥.各界的广泛重视.来自2005年NHTSA的另一份研究报告指出:车辆碰撞损伤是334岁这个年龄段人的头号杀手121.因汽车碰撞损伤而造成的“寿命损失”在所有的引起原因中高居第3位121.这些事实不能不令人们对汽车安全努力寻求对策.表2NHTSA估计的1975年至2003年以来车辆约束系统所救生的生命数字Table2NHTSA estimated lives savedby veh

10、icle restraint systems from1975to2003表3欧美各国1979年和2002年汽车交通碰撞死亡人数对比Table3Comparison of traffic fatalities of developed countries from1979to2002撞损伤问题对我们是一个极大的挑战,但它是可以预防、预测和控制的.实现车辆交通碰撞中零死亡率的目标是完全可能的.2人体损伤生物力学和汽车安全法规与新车安全性能评估规程要解决、控制汽车交通碰撞损伤这个复杂问题, 第6期阮世捷等:汽车安全与人体损伤生物力学的有限元模拟研究3各国的汽车制造商在汽车产品的研发中必须遵守这些法

11、规,否则他们的汽车产品就不能在这些国家流通.人体损伤生物力学给汽车安全法规所提供的科学依据就是人体损伤极限准则即损伤标准.2.1人体损伤极限和损伤准则人体损伤极限和损伤准则(或标准是生物力学的范畴.生物力学是工程力学在生物体中的应用,是研究人体各器官在外部和内部条件作用下产生的物理变化以及这些变化给人体带来的生理变化的科学.损伤生物力学研究人体在受到外载荷(如直接或间接撞击、运动冲击、钝碰撞等作用下产生的变形和动态响应.如果生物体组织的变形超过了它所能承受的极限,人体的组织结构和生理功能将受到破坏和损害.这时,我们说生物体组织中出现了损伤或创伤.由于人体属于一部多功能机器,各生理器官有着各自功

12、能和自身的生长、活动规律.所以在人体损伤生物力学的研究中,对各器官的损伤研究有着各自的特点和规律.例如,头部损伤生物力学研究颅。脑在外载荷下的动态响应,从而推断出颅骨断裂、脑组织的撞击伤和对撞伤、硬膜下血肿、离散形神经轴束损伤的产生机理,进而提出相应的损伤极限标准即颅脑损伤极限准则,根据这些准则对头部进行安全防护设计(如汽车内部结构的安全设计,气囊、安全带的安全设计,安全头盔的设计等,以减少头部损伤的出现率,降低因头部损伤带来的死亡率和致残率.在确定人体损伤极限的研究中,尸体试验和动物实验是其中的重要途径.传统的做法是给试验体(尸体或动物一特定的载荷条件(如自由落体撞击、钟摆式撞击、气弹式撞击

13、、滑道形撞击等,观察试验体的生物组织是否受到破坏和损害.如果生物体组织显示了破坏和损害(如骨骼断裂或折断、软组织拉伤或瘀血肿等,那么这时测得的载荷大小就被用来确定生物体损伤的临界值即损伤极限.例如,著名的“韦恩头部损伤极限蓝线”就是对无数的尸体头部的自由落体式撞击试验和动物的撞击试验总结而来.类似的方法已经被用于确定人体其他部位(如颈椎、胸部、腹部、骨盆、股骨和胫骨等的损伤极限.这些损伤极限的参量一般以力、加速度、位移和力矩来表示.从尸体或动物撞击试验中获得的损伤极限参数只有通过数学模型转换、应用到实体人、碰撞假人或模拟人上才能体现它们的科学价值.因此,数学模拟就成了损伤生物力学研究中的一个重

14、要组成部分,而有限元法模拟分析则是其中最具成效的一种方法.由于同样的力或加速度施加到人体不同的生理部位会产生不同的损伤效应,因此以一种损伤极限来定义人体整体的损伤程度显然是不合理的,所以必须以多种不同的损伤极限来定义身体各个生理部位的损伤标准【l41.现行的人体碰撞损伤标准就有头部损伤标准、颈椎损伤标准、胸部损伤标准、股骨损伤标准和胫骨损伤标准等等.实用上这些损伤标准已被用来转换成一组碰撞假人(如Hybrid III的“损伤评价参考值H5”以便用于汽车结构和约束系统的安全设计和汽车安全法规的建立.应该指出,我们目前还缺肩膀、上肢、腹部、骨盆和下肢的损伤标准.这些损伤标准的建立还有待于损伤生物力

15、学的进一步研究.2.2汽车安全法规汽车安全法规是主导汽车产品研发、监管汽车产品流通的法律条文.它以立法的形式保证人体在受到撞击时的机械响应不超过人体的损伤极限标准,借以实现保护乘员和行人安全的最终目标.由于汽车安全法规涉及到人体撞击的机械响应和人体损伤极限,因此科学、合理的汽车安全法规的制定离不开来自于人体损伤生物力学的科学研究数据.同时,如何真实、有效地测得人体受到撞击时的机械响应也是衡量汽车安全法规科学性的关键.所以,损伤极限标准和实验设置成为了汽车安全法规的两个核心内容.其中对碰撞假人的研发又给损伤生物力学提出了新的问题和研究对象.汽车安全法规中不仅规定了人体损伤极限的具体指标,即碰撞假

16、人(如Hybrid III Dummy、Side Im-4华南理工大学学报(自然科学版第35卷部损伤标准HIC、颈椎载荷、胸部位移、腰椎加数度、股骨和胫骨载荷都不能超过安全法规里规定的碰撞模拟人的损伤评价参考值.目前的汽车正面碰撞法规还包括了30o角斜正面碰撞的试验设置方案,由于篇幅所限,这里不作详细讨论.(a刚性壁垒100%IT前面碰撞可变形壁垒400偏置前面碰撞图1汽车安全法规中两种正面碰撞的试验设置方案Fig.1Tow frontal impact test procedures in automotive safety standards(a美国侧面碰撞的试验方案设置(b欧盟、日本侧面

17、碰撞的试验方案设置图2美国、欧盟和日本侧面碰撞的试验设置方案Fig.2US,European and Japanese side impact test procedures有研究者指出:现行的汽车安全法规采用的损伤标准仅采用20世纪80年代中以前损伤生物力学的研究结果,自那以后新的研究结果还没完全反映到汽车安全法规上u引.随着汽车安全技术的不断提高,会有越来越多的新汽车安全法规问世,而且法规损伤评价参考值的门槛也会越来越高.这对提高汽车安全性能自然是好事,对汽车制造商则是需面对的新问题.2.3新车安全性能评估规程谈到汽车安全,就不能不提到新车安全性能评估规程(NCAP.NCAP是NHTSA于

18、1978年率先建立的一种不具法律约束力的汽车碰撞试验方象它的目的主要是给购买者提供新车车辆安全性能的表现信息,同时也鼓励汽车制造商不断更新、提高汽车安全技术.新车安全性能的高低好坏以星级来衡量,其规定为:一星表示安全陛能最低/坏,五星为最高/好.除了美国以外,世界上别的很多国家也已开始了NCAP的碰撞试验.欧盟于1997年建立了NCAP 的组织,叫欧盟NCAP或EuroNCAP.此外还有澳大利亚NCAP或ANCAP、日本NCAP或JNCAP、韩国NCAP或KNCAP、中国NCAP或CNCAP,等.目前世界NCAP会议每隔些时候都会举行(第四次世界NCAP会议于2006年lO月30日至11月2日

19、在日本东京举行.NCAP虽不具备法律约束力,但它影响巨大.它 把汽车安全演变成了新的产品竞争因素,使得各汽第6期阮世捷等:汽车安全与人体损伤生物力学的有限元模拟研究53汽车碰撞与人体损伤生物力学的有限元法研究从被动安全的角度上,汽车碰撞的安全设计是对汽车结构进行可撞性分析和约束系统的优化设计.对汽车可撞性的分析是要求汽车在碰撞时所形成的撞击脉冲在允许的挤压位移内最大限度地吸收撞击能量,从而最大限度地减少对车内乘员的撞击影响.对约束系统的优化设计就是在给定的撞击脉冲下,使汽车座椅、仪表板、安全带、气囊以及其他的防撞装置(统称约束系统对车内乘员产生最佳的安全保护.汽车的安全设计是一项复杂的系统工程

20、,它属于汽车整车设计中的一种“属性设计”,有限元法在其中起着十分重要的作用.现行的汽车安全设计中,传统的设计方法已完全被计算机辅助工程(CAE所取代.有限元车体结构模型和乘员模拟结合的数学模型已越来越多地取代了相应的物理碰撞试验(主要是针对汽车安全法规要求的试验和NCAP试验.理论上,相应的物理碰撞试验完全可以由有限元车体结构模型和乘员模拟模型代替,即所谓的“虚拟汽车碰撞试验”.虚拟汽车碰撞试验大大地减少了昂贵的原型车的建造,从而降低了汽车产品的研发成本.它还能帮助有效地缩短产品的研发周期,加速汽车产品的更新换代,这些正是它具有潜在的巨大研发生命力的原因.有限元法是人体损伤生物力学中一种行之有

21、效的研究方法,因为它能从模拟人体动态机械响应中准确、有效地求出人体受载时生理组织的变形、位移、应变与应力.例如图3所示的头部有限元模型,用它可作头部损伤生物力学的碰撞模拟,以求得颅骨应力、脑压力和颅脑的相对位移,从这些参数可以判断颅脑的损伤效应,因为应力或应变才是真正引起生物体组织受损伤的物理参数J.图3实体人头部有限元模型显示(从右往左看的矢状面 Fig.3Finite element model of humanhead(a midsagittal view from the right图4所示的是一实体人胸部有限元模型撞击显示.模型基本模拟了胸腔中肉眼能见的所有解剖组织,包括胸骨、肋骨、

22、胸椎骨、心脏、肺、心血管(包括大动脉和静脉,为图的清晰起见,图4未作显示.图5则是一实体人臀部的有限元模型,它模拟了骶骨、股骨、耻骨、大转子、小转子、腰椎和它们周围的肌肉和皮层.利用这些人体模型进行人体碰撞仿真研究,有助于建立新的具有生物力学基础的损伤极限标准,改变以往的损伤标准以碰撞的输入量而不是以受载体的输出量(如应力或应变来衡量损伤与否的不科学性引.图4人体胸腔的有限元模型的撞击显示Fig.4Finite element model of human thoraxwitlI impactor6华南理工大学学报(自然科学版第35卷 提高,将有越来越多的高新汽车安全技术投入新汽车产品中.随着

23、人们对汽车安全越来越多的认知,对汽车安全的期望和要求也会越来越高,随之而来的汽车安全法规会变得更多、更细、门槛更高.在汽车安全技术的研发中,计算机辅助工程将完全代替传统的设计方法.实体人有限元模拟研究将是今后人体损伤生物力学研究中的一个重点、热点研究课题.在人体损伤机理的研究中,有限元实体人模型的碰撞模拟将不断地取代尸体的撞击试验.以有限元模图5人体臀部的有限元模型显示拟为核心的虚拟碰撞试验将逐步地取代原型车试Fi昏5Finite element model of human pelvic验.汽车安全法规也将一步一步地走向虚拟检验时。.烹塑登搴竺金警竺喜罂蚕篓型燮娈竺垫集嚣孺篡黼黧鬈篓萎高模型

24、的仿生可靠性能最具挑战性.解决的关键取毒翥菇宰在一一。决于这几个方面:(1有限元模型的几何形状是否一”一保持与实体人的解剖结构一致或相近;(2模型采致谢:本文的研究和写作过程中得到了华南理工大学汽车用的物质性能参数是否与实体人的一致或相近;工程学院兰凤崇和谢小鹏两位教授的热心支持与帮助,作者(3模型对实体人的各关节和各解剖组织的连接处在这里表示衷心的感谢是否反映了其物理特性;(4模型的单元划分是否参考文献:均衡、单元指标(Warpage、Aspect、Jacobian等是否套戛慧鎏耋娑整誓曼空坚2雩冀妻鍪竺篓掣E1=。Mi,Scumrfimel酬d R.蒜=矾on谢roaHd=嚣模型的计算时间

25、步长和沙漏现象;(6模型能否再。.,、,、:一。一。现相应的尸体生物力学试验的结果等对人体模型2Fallonl,0,NeiHD.The wodd,s first automobile htality仿生可靠性的检验依据主要来自尸体撞击实验数据J1.Ac。identAnalysi。and Prevention.2005。37:601.的汇总,这些汇总数据从许多实验中筛选出,经加权603.换算处理标准化,用于比较模拟模型的整体或局部3RobertsI.Reducingwad,trafficJ.BMJ,1998,316的模拟响应.如对胸部模型碰撞响应的检验1,对(7127:242243.腹部模型碰撞

26、响应的检验驯和对整体模型侧面碰4PorterAReducing roadtrafficFirst fatal Calcrash in撞时头、颈、肩、胸、腹和骨盆碰撞响应的检验211等.Bdmin occurred in1898JBMJ,1998,317(7152:堂竺垄当:竺竺慧全!:1:苎盅鬯复堡囊差尊人模型盖,P.Se咖粥啪bef讯nle。眦IlIIial。,tll。6瞅已取得了在所有的碰撞模拟人中最高的仿生uJ-罪48-仕itL53us淼ty 2.8二illi。二:li二i:1:;f五M,:992,能.这标志着将来的汽车安全法规里规定的损伤准,。则完全可以由具有高仿生可靠性能的有限元实体

27、人E 6Murray CJ。Lope:A D.Ahernative projections of mortali.模型来取代.汽车安全法规的虚拟检验时代已悄悄tyanddisabilityby咖。e1990-2020:glohal burdenof来到.diseasestudyJ.TheLancet,1997,349:1498.1504.4结论。veNHlliTcSleAc瑚Trahffi挑c saf孟etymfatchets删2003ityA明calomy二psilaretipoonn oifngmsoytos.r7I.:解决道路交通损伤这个公共健康问题需要科111鼍皇6擘试es6竺?8ys

28、把m(DOTHS 809775学,需要社会各方面的关注与重视.本文中从保护乘8:毛譬=!:=芝芝004:A compil。ti。n“啪。啊员和行人安全的角度阐述了人体损伤生物力学的科,elli。le。瑚hdata岫fa讪ty aIIaly二。砖pon堍8ys.学研究和汽车安全的技术研发对消减道路交通损伤tem and thegeneral髓timates sv8tem(DOT HS 8099199Safetynet.Annualstatistical report2005-basedondata第6期阮世捷等:汽车安全与人体损伤生物力学的有限元模拟研究710111213141516from C

29、ARER.s.1.:8.f1.,2005.IATSS.paper on tramc safety in Japan2000M.Japan:Abridged Edition,2000.IATSS.White paper on t瑚mc safety in Japan2002M.Japam:Abridg既l Edition,2002.NHTSA.Traffic s出哆facts-research note:Motor vehiele traffic crashes as a leading cause of death in the U.nited States(DOT HS809831R.S.1

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35、g toISOTR9790proceduresJ.Smpp Car Crash Journal。2006.50:491.507.Finite Element Simulation Research of Automotive Safety andInjury Biomechanics of Human BodyRuan Shi-jie Hu Xi-zhi Qu J记(School of Automotive Engineering,South China Univ.of Tech.,Guangzhou510640,Guangdong,ChinaAbstract:Automotive safet

36、y is one of the key factors in vehicle product development.New automobile products not only have to meet or exceed automotive s af:ety regulations but also customer expectations and demands for safety fea-tures.According to USA marketing data.there ale78%of new car buyers who ale willing to pay more

37、 forex眈ve-hicle safety features.Automotive safety technology has a lot to do with injury biomechanics,the successful development of safety technology depend greatly on whether it passes the injury criteria.This paper gives an indept discussion of the relationship between automotive safety and injury

38、 biomechanics.The trends in future researches of injury biomechanicsand automotive safety are given as the new findings by the authors.Key words:automotive safety;injury biomechanics;injury limit;injury criterion;safety regulation;finite element 汽车安全与人体损伤生物力学的有限元模拟研究作者:阮世捷, 胡习之, 曲杰, Ruan Shi-jie, Hu

39、 Xi-zhi, Qu Jie作者单位:华南理工大学,汽车工程学院,广东,广州,510640刊名: 华南理工大学学报(自然科学版英文刊名:JOURNAL OF SOUTH CHINA UNIVERSITY OF TECHNOLOGY(NATURAL SCIENCE EDITION年,卷(期:2007,35(6被引用次数:2次参考文献(21条1.Peden M.Seurfield R World report on road traffic injury prevention:summary 20043.Roberts I Reducing road traffic 1998(71274.Por

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