行人腿型冲击器肌肉材料参数反求

aPLI先进行人腿型冲击器在碰撞测试中的生物仿真度,在很大程度上取决于其几何结构及其模拟腿部肌肉的合成橡胶的超弹性力学特性。根据橡胶准静态单轴压缩试验数据,分别对用于表述橡胶超弹性的Ogden和Mooney-Rivlin本构模型进行材料参数拟合,得到相应的材料参数并将拟合曲线与试验曲线进行比较,对比不同本构模型的拟合精度。结果表明,2阶Ogden材料模型更符合试验结果。为提高有限元模型中肌肉橡胶材料参数的准确性,重构压缩试验有限元模型,以拟合得到的2阶Ogden本构模型材料参数为初始值,通过将有限元与优化策略相结合,基于自适应响应面法对2阶Ogden模型中μ1、α1、μ2、α2这4个材料参数进行优化,获得该材料在准静态压缩状态下的一组最佳材料参数。

个性化头部生物力学模型的开发及验证

本文提出了一种个性化头部生物力学模型建模方法,并对所生成模型进行了有效性验证。该方法以图斯特50th百分位头部生物力学模型为基础,基于目标模型头部CT数据,采用三维点云配准和自由网格变形法,实现具有详实脑组织结构的个性化头部生物力学模型的快速建模。通过重构经典尸体试验,发现该方法构建的个性化头部生物力学模型在运动学和生物力学响应方面与尸体试验结果高度一致,且与通过逆向工程方法开发的头部生物力学模型并无明显差异,验证了本文方法所开发模型的有效性。因此,本文方法可用于快速构建具有详细解剖学结构的个性化头部生物力学模型,为损伤生物力学、临床医学和法医鉴定等领域的数字化需求提供基础计算分析工具。

客车侧面碰撞安全研究进展

为了完善并制定具有中国特征的客车侧面碰撞安全法规,首先,阐述了欧洲及美国的汽车侧面碰撞安全法规,并介绍了中国客车法规的现状,从碰撞形式、假人类型、碰撞速度、假人位置及评价指标等方面对比了欧洲和美国汽车侧面碰撞法规的差异性;其次,从碰撞实验的角度,在实车碰撞、台车实验及计算机模拟仿真实验等方面总结了目前国内外对大客车侧面碰撞安全的研究现状,并对计算机模拟仿真实验从强度、结构、刚度等方面进行阐述;最后,基于当前国内外大客车的碰撞安全研究现状,预测了提高客车被动安全的发展趋势,即虚拟测评技术、主被动安全一体化、碰撞相容性等。研究结果可以为我国推出客车侧面碰撞法规提供理论参考。

两轮电动车骑车人头部损伤的生物力学分析

两轮电动车(powered two-wheeler,PTW)骑车人头部损伤是我国道路交通事故中一种常见的伤害类型,完善骑车人头部损伤评价标准对制定两轮电动车骑车人安全法规以降低碰撞损伤风险具有重要意义。本文采用头部具有详细解剖学结构的人体数值模型进行骑车人-车辆碰撞仿真,对头部进行生物力学分析和损伤评估,并与行人-车辆碰撞中行人头部损伤进行对比分析。研究发现行人和骑车人在车辆碰撞事故中运动学响应较为相似,但头部生物力学响应存在差异,骑车人头部损伤风险高于行人。同时发现骑车人握力因素影响头部的运动学响应,应考虑其在两轮电动车骑车人头部损伤评估中的影响。

基于BP神经网络的儿童乘员头部损伤预测模型及评估参数研究

智能座舱与虚拟测评规程的推广,给乘员损伤评价带来新挑战,损伤机理与损伤风险评估参数更加多样化。本文基于图斯特6岁儿童乘员损伤仿生模型与BP神经网络算法构建正面100%重叠刚性壁障工况中乘员坐姿角度与头部损伤指标相关性预测模型,探究不同坐姿下头部损伤风险以及不同评价指标之间的相关性与差异性。结果表明,构建的相关性损伤预测模型具有良好的可信度(R2>0.90),可以用于损伤预测与分析。现有头部损伤评价指标在小角度坐姿范围内(95°~108°)对头损伤评估及预测具有良好的一致性,但是对于大角度坐姿乘员,不同损伤评价指标对头部损伤风险的评估存在显著差异。因此,目前实施的头部损伤评价参数具有局限性,未来虚拟测评中应综合运动学和生物力学参数对头部损伤风险进行更加全面的评估。该研究结果可以为儿童约束系统的改善、虚拟测评以及大角度坐姿乘员头部损伤评价参数的选取提供数据与理论支撑。

自动紧急制动对公交车内儿童乘员颅脑损伤影响

目的研究自动紧急制动(autonomous emergency braking,AEB)对公交车内儿童乘员的颅脑损伤影响。方法使用Prescan软件搭建公交车AEB测试场景,通过仿真得到60 km/h初速度下公交车AEB制动工况下的减速度曲线。基于已经验证的公交车模型和具有详细解剖学头部结构的6岁儿童混合有限元模型,选取车内儿童乘员典型的4个乘坐位置,使用LS-DYNA软件对公交车有、无AEB制动工况下儿童乘员头部损伤进行仿真。以儿童乘员头部损伤指标HIC_(15)、大脑灰质处压力、脑组织von Mises应力及剪切应力作为损伤评价指标,对儿童乘员的颅脑损伤进行分析。结果各组仿真试验中,位置1和2前方设置挡板时,儿童乘员大脑灰质处压力超过其损伤阈值,其余各位置儿童乘员的各项损伤指标均远小于对应的损伤阈值。结论AEB能有效降低公交车内儿童乘员头部碰撞损伤,公交车内位置3处的儿童容易发生碰撞损伤风险,位置1、2处设置广告牌挡板会增加儿童乘员的颅脑损伤风险。

中国体征第五百分位女性汽车乘员损伤仿生模型开发及验证

面向智能汽车安全研发和未来数字化测评技术,有效预测与评估小身材女性在汽车碰撞中的运动学和生物力学响应及损伤机理,本研究基于志愿者CT医学影像数据,开发了具有自主知识产权的符合中国人体特征的第五百分位女性汽车乘员损伤仿生模型。采用4种区域加载方式,重构了5组小身材女性胸腹部钝性冲击尸体试验,从接触力-压缩量曲线以及生物力学响应等数据对模型的有效性进行评估。同时将仿真结果与相同加载条件下局部胸腹部模型的响应结果进行对比,分析四肢对胸腹部刚度响应的影响。结果表明:对于5组不同冲击速度和冲击质量的尸体试验,模型预测的结果与尸体试验数据趋于一致,验证了该模型具有较高的生物逼真度,因此可应用于汽车安全领域乘员保护测试试验的仿真计算,以降低研发成本。在四肢运动响应的作用下,整人模型的胸腹部刚度表现出略高于局部胸腹部模型的特征,证明了使用整人模型来评估损伤会更加精确。该模型能定量预测与评估人体组织器官的损伤以研究具有中国体征的小身材女性汽车乘员的损伤机理,也将为汽车数字化测评技术、汽车主被动安全一体化研究和智能汽车座舱安全防护装置的研发提供基础数据和技术支撑。

正面100%碰撞试验中后排小身材女性乘员损伤分析

研究后排小身材女性乘员在正面100%碰撞试验中的损伤风险,为提升汽车约束系统的防护性能提供参考数据。应用已验证的符合中国人体特征的第五百分位女性乘员损伤仿生模型(TUST IBMs F05-O)搭载某款经验证的汽车有限元模型,依据C-NCAP(2021年版)正面100%重叠刚性壁障碰撞试验要求,着重对乘坐于后排的小身材女性乘员进行头部、颈部、胸腹部及腰椎损伤分析。结果表明:TUST IBMs F05-O模型脊柱的高生物逼真度能充分表现头颈部围绕安全带的侧向屈曲运动;头部与前排座椅碰撞造成头颈部严重损伤,胸部黏性准则(VC)值为0.34,且压缩量较高,肺部受挤压而造成损伤,腰椎损伤指标(LSI)及腰椎损伤评定参数(Lfx)未超出相应的损伤阈值。应用具有高生物逼真度的第五百分位中国女性乘员损伤仿生模型进行汽车碰撞仿真试验,对智能座舱和零重力座椅开发、汽车主被动安全一体研究及未来数字测评方法等针对中国小身材女性乘员的安全防护研究具有重要的应用价值。

行人-车辆碰撞中六岁儿童下肢损伤分析及预测

为揭示汽车-行人碰撞事故中车辆前端结构和速度对儿童行人下肢损伤的差异成因及损伤机理,本研究应用符合我国体征且具有详细解剖学结构的六岁儿童行人损伤仿生模型(TUST IBMs 6YO-P),设置了32组涵盖4类常见车型和8种碰撞速度的汽车-行人碰撞仿真,分析下肢运动学和生物力学响应,采用非线性回归建立预测模型对下肢损伤进行评估。结果表明,碰撞速度对儿童下肢长骨骨折和膝关节损伤有直接影响,汽车前保险杠高度影响股骨的损伤程度和膝关节弯曲角度,扰流板离地高度影响胫、腓骨损伤的严重程度。分析膝关节弯曲角度和韧带断裂数据,得出当膝关节弯曲角度分别超出25.9±0.9°、38.6±0.7°、43.2±0.2°时,撞击侧内侧副韧带(MCL)、前交叉韧带(ACL)、后交叉韧带(PCL)发生断裂,基于碰撞速度和前保险杠高度建立的膝关节弯曲角度预测模型,经反求验证该模型可以有效预测膝关节损伤。综合儿童行人下肢长骨骨折评价参数和所建立的小腿弯矩预测模型,发现碰撞速度高于17.94 km/h将会造成儿童小腿骨折。该研究为行人安全法规制定、行人保护装置研发、AEB系统设计和数字化测评提供科学的参考依据。

基于有限元法分析肋骨骨折致伤方式

本研究利用有限元法对拳击、胸外按压致肋骨骨折进行模拟,以期为肋骨骨折致伤方式分析提供一种可视化、可量化的辅助技术。通过采用有限元法分别模拟:1)设置拳头模型以6 m/s击打THUMS4.02(Total Human Model for Safety 4.02)人体模型的左胸;2)设置按压锤模型以400 N竖直向下的力按压THUMS4.02人体模型的心前区。比较二者模拟结果的肋骨骨折分布、形态特点,从生物力学角度分析二者的损伤机制,并将模拟结果与文献报道进行比较。模拟结果显示:1)肋骨骨折形态、分布:拳击致肋骨骨折的断端形态为向内弯曲,分布于直接击打处;按压胸部致肋骨骨折的断端形态为向外翻折,分布在肋骨非直接受力处。2)生物力学响应:拳击胸部时,应变集中分布在拳击肋骨处,击打处肋骨外侧面产生压应力,内侧面产生拉应力。按压胸部时,除按压处存在应变分布外,按压侧的肋骨腋前线处出现明显应变分布,腋前线处肋骨外侧面产生拉应力,内侧面产生压应力。本研究模拟结果均得到文献支持,提示利用有限元法可实现对肋骨骨折致伤方式可视化、可量化的辅助性分析与解释。

全球NCAP行人保护测评的对比研究及展望

新车评估规程作为第三方评价机制倍受汽车企业和广大消费者重视,在促进汽车安全性技术研发方面发挥了重要作用。近年来,全球NCAP在行人保护方面不断改进,最新颁布的C⁃NCAP(2021版)对行人保护提出了更高的要求。本文中对中国、欧洲、澳大利亚、韩国、日本和拉丁美洲最新版NCAP中行人保护测试方式和评分标准进行综述对比分析,并对行人碰撞保护评价方法做出展望,旨在为汽车企业研发和评价测试人员提供一个全面综合的参考,为我国汽车行人碰撞安全标准的制定提供依据。

颅骨厚度对颅内生物力学响应的影响

目的通过有限元方法研究颅骨厚度对颅内力学参数的影响。方法选取第5百分位女性头部进行CT扫描,构建生物仿真度较高的头部有限元模型,通过重构尸体试验验证所建模型。建立不同颅骨厚度的头部有限元模型,进行多组试验,对比颅内各项力学参数。结果相同头部尺寸下,随着颅骨厚度减小,颅内压负值受到影响较大,呈现下降趋势;颅内压正值受到影响较小,但是呈现上升趋势。脑组织剪切力、von Mises应力会相对增大,且增长幅度较大。结论相同头部尺寸下,颅骨厚度在一定程度上会影响头部损伤,颅骨厚度小的人相较颅骨厚度大的人更容易受伤。

儿童安全座椅中填充吸能泡沫对头部的保护效果分析

采用Pam-Crash仿真软件,在已验证的6岁儿童乘员有限元模型上,施加ECE R129法规中规定的减速度曲线,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。通过头部质心合加速度、头部性能指标(HPC)、脑组织Von Mises应力、颅内压、剪切应力和泡沫与头部之间的接触力等评价指标,研究侧面碰撞时安全座椅侧翼结构中头枕部位填充吸能泡沫对儿童乘员头部的保护效果。结果表明:安全座椅中填充泡沫可有效降低侧面碰撞对头部的损伤,且填充PU泡沫的保护效果要优于EPS泡沫。

约束系统误用对6岁儿童乘员头颈部损伤的影响

目的探讨汽车在正面碰撞过程中,约束系统误用对乘坐于后排的6岁儿童乘员头颈部损伤的影响。方法基于已验证的6岁儿童有限元模型,根据ECE R44法规进行加载,在Pam-Crash软件中模拟正确以及错误使用约束系统下的汽车正面碰撞。结果仅使用增高垫时,儿童颈部作用力、力矩最小,但最大颅内压力、最大应力、脑组织最大主应变远大于其损伤阈值,会导致儿童头部产生致命的脑损伤;仅使用成人三点式安全带时,儿童颈部作用力、力矩最大,会对儿童颈部造成严重损伤。结论两种错误使用约束系统的方法加重了6岁儿童头部和颈部的损伤,只有正确使用约束系统,才能对6岁儿童头颈部起到最好的保护效果。

具有详实解剖学结构的国人第5百分位女性胸腹部有限元模型开发及验证

目的预测与评估汽车碰撞中小身材女性胸腹部的生物力学响应及损伤机制。方法基于国人第5百分位女性志愿者CT图像,提取精确的胸腹部几何轮廓,借助相关软件构建具有详实解剖学结构的国人第5百分位女性胸腹部有限元模型,并重构3组胸腹部尸体实验,即胸部正面撞锤冲击实验、腹部正面棒击实验和胸腹部侧面撞锤冲击实验,对模型进行有效性验证。结果仿真实验所得接触力-变形量曲线及胸腹部组织器官损伤生物力学响应与尸体实验结果吻合,验证了模型的有效性。结论该模型可用于小身材女性胸腹部损伤机制的研究,也能应用于小身材女性乘员约束系统的研发及司法鉴定案例分析,并为开发中国体征第5百分位女性整人有限元模型奠定基础。

皮下脂肪组织本构模型及其生物力学性能研究进展

脂肪组织的本构模型和力学性能对研究肥胖人群的碰撞损伤具有重要意义,但往往不同文献中得到的研究结果并不一致,因此,脂肪组织生物力学性能及材料属性仍有待深入研究。从脂肪组织的压痕试验、拉伸与压缩试验、剪切试验等力学试验方面综述了脂肪组织生物力学性能的研究成果,并进一步介绍了有限元分析中常用的脂肪组织材料本构模型,分析了脂肪组织生物力学性能研究所面临的问题及今后的发展方向,为脂肪组织生物力学研究提供了参考。

汽车追尾碰撞中颈部姿态对生物力学响应的影响

基于中国人体5百分位女性志愿者CT图像数据,构建具有详实解剖学结构的颈部有限元模型,重构志愿者实验验证其有效性,并构建颈部伸展和屈曲姿态模型。参照中国新车评估规程(C-NCAP)鞭打试验,对3种不同姿态颈部模型分别施加加速度曲线,研究驾乘人员颈部不同姿态时的生物力学响应。结果表明:自然姿态下最大应力出现在C7椎体和寰椎与枕骨大孔间的前纵韧带及寰枢关节的囊韧带,椎间盘最大应力出现在C6-C7椎段,且颈部损伤准则(NIC)值和颈部保护准则值(N_(km))均达到阈值。伸展姿态下最大应力出现的位置与自然姿态一致,但是其应力值和N_(km)值在3种姿态中最小。屈曲姿态皮质骨最大应力出现在枢椎齿凸和寰枢关节的囊韧带处,但NIC值在3种姿态中最小。该研究对汽车主动头枕的研发及未来自动驾驶中乘员颈部处于休闲姿态时的碰撞防护措施开发具有一定的参考价值。

轿车与6岁儿童行人不同方位碰撞中下肢损伤分析

Euro NCAP发布的行人模型认证技术公告TB024的最新版本对6岁儿童行人模型认证提出了单独要求,旨在加强对儿童行人的保护。本研究应用符合Euro NCAP技术公告(TB024)规定并且具有详细解剖学结构的6岁儿童行人有限元模型,设置了4组不同方位行人-汽车碰撞仿真试验,以探究不同碰撞方位下的儿童下肢损伤机理。结果表明,在4种不同角度的碰撞条件下,仅270°背面碰撞时儿童股骨未发生骨折;0°碰撞时儿童下肢膝关节韧带损伤最为严重;180°左侧碰撞下,对撞侧膝关节半月板最容易发生损伤,而撞击侧股骨远端生长板存在较大的受伤风险;270°背面碰撞中儿童的胫骨和腓骨最容易发生损伤。本研究为儿童行人保护和儿童下肢损伤的治疗提供了理论依据,为汽车安全防护装置的研发提供数据支持。

肥胖对乘员碰撞损伤影响机制的研究进展

现有汽车安全设计和法规主要是基于标准体型的50百分位人群,在肥胖人群不断增长的趋势下,研究肥胖乘员的碰撞损伤和防护越来越重要。现有研究中多采用事故统计分析、尸体实验、多刚体模型和有限元模型等方法探讨肥胖乘员的损伤机制,肥胖对乘员的碰撞损伤主要有泡沫效应假说、躯干几何形状变化假说和质量效应假说等多种提法,可见肥胖乘员的损伤机制尚不明确。在全面总结肥胖乘员的碰撞损伤机制基础上,阐述当前肥胖乘员碰撞损伤研究所面临的问题及未来研究的发展方向。

膜单元与弹簧单元模拟韧带损伤的生物力学响应

目的对比分析膜单元与弹簧单元对颈部韧带生物力学响应的影响。方法基于现有的6岁儿童颈部有限元模型,将其中的韧带分别用膜与弹簧两种单元类型模拟,进行儿童颈椎C4-5椎段动态拉伸实验和全颈椎拉伸实验。同时采用膜单元模型进行弯曲仿真试验,并分析仿真效果。结果在C4-5椎段动态拉伸实验中,膜单元仿真与弹簧单元仿真最终失效力分别为1 207、842 N,与尸体实验分别相差0. 6%、30. 6%;在全颈椎拉伸实验中,膜单元仿真峰值力与尸体实验相差1. 8%,弹簧单元仿真峰值力为484 N,与尸体实验相差较大。膜单元弯曲试验仿真效果良好。结论弹簧单元在模拟受力方面存在一定局限性,而膜单元具有较高的生物仿真度,更能体现韧带的生物力学响应。