不同约束载荷下三岁儿童乘员胸部运动方程与损伤风险研究_韩勇.pdf

 振动与冲击 第 39 卷第 1 期JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCKVol． 39 No． 1 2020 基金 项目 汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室开放基金 NVHSKL- 201606 ; 国家自然科学基金 51675454 ; 福建省自然科 学基金面上项目 2016J01748 ; 福建省科技创新平台项目资助 2016H2003 收稿日期2018 －07 －05修改稿收到日期2018 －09 －29 第一作者 韩勇 男， 博士， 副教授， 硕士生导师， 1984 年生 不同约束载荷下三岁儿童乘员胸部运动方程与损伤风险研究 韩勇1， 2， 3，唐慧聪1， 3，田丰翼2， 3，黄红武1， 3，水野幸治4 1． 厦门理工学院 机械与汽车工程学院， 厦门361024; 2． 汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室， 重庆 401122; 3． 福建省客车及特种车辆研发协同创新中心， 厦门361024; 4． 名古屋大学 机械与情报工程研究科， 名古屋 464- 8603 摘要3 岁儿童乘员胸部在冲击载荷条件下的运动学响应一直是研究的盲点， 本文基于 ECE R44 法规前碰撞动 态试验方法， 采用 Hybrid III 3 岁儿童假人和第四代学术版 THUMS 3 岁儿童人体有限元模型 THUMS 3YO 建立了两款儿 童约束系统 CRS 的正面碰撞台车数值分析模型。建立了 Hybrid III 3 岁假人胸部运动力学方程， 分析了胸部加速度和 胸部所受内外力的相互关系。同时， 定性对比分析了两款 CRS 中 THUMS 3YO 儿童胸部软组织器官损伤风险。分析结果 表明 Hybrid III 3 岁假人胸部加速度与胸部所受的外力和内力都相关， 外力是胸部加速度的最重要的影响因素; 两款 CRS 中 THUMS 3YO 儿童乘员胸部内脏软组织器官所受的应力应变均超出了损伤阈值， 前置护板型 CRS 对儿童胸部器官损伤 风险相对五点式背带式 CRS 更大。该研究内容厘清了儿童乘员胸部在动态载荷条件下的运动学方程及不同加载方式的 胸部软组织损伤风险， 对儿童乘员约束系统的设计具有重要的指导意义。 关键词3 岁儿童乘员; 儿童约束系统; 胸部运动方程; 损伤风险 中图分类号U461． 91文献标志码ADOI 10． 13465/j． cnki． jvs． 2020． 01． 029 Chest motion equation and injury risk of a 3- year- old child under different constrained loads HAN Yong1， 2， 3，TANG Huicong1， 3，TIAN Fengyi2， 3，HUANG Hongwu1， 3，Mizuno Koji4 1． School of Mechanical and Automobile Engineering，Xiamen University of Technology，Xiamen 361024，China; 2． State Key Lab of Vehicle NVH and Safety Technology，Chongqing 400000，China; 3． Fujian Provincial Collaborative Innovation Center for R＆D of Coach and Special Vehicle，Xiamen 361024，China; 4． Department of Mechanical Science and Engineering，Nagoya University， Nagoya 464- 8603，Japan Abstract The kinematic response of a 3- year- old child occupant’ s chest under impact loading is a blind spot of research． Based on the ECE R44 front collision test regulation，two types of CRSs’front collision numerical analysis models were established using the hybrid III 3- year- old child dummy and the total human model for safety 3YO THUMS 3YOoccupant finite element model academic version 4． Then the chest motion equation of Hybrid III 3- year- old child dummy was built to analyze relations among chest acceleration and internal and external forces rted on chest． Injury risks of THUMS 3YO child’ s chest soft tissue organ in two types of CRSs were contrastively analyzed． The analysis results showed that hybrid III 3- year- old child dummy’ s chest acceleration is related to external and internal forces rted on chest，and external force is the most important influence factor on chest acceleration;THUMS 3YO child occupant chest soft tissue organ’ s stress and strain both exceed the damage threshold，and the damage value in the front guard plate type CRS is larger than that in the 5- point back- belt type CRS;the study results provide an important guide for design of CRS． Key words3- year- old child occupant;child restraint system CRS ;chest motion equation;injury risk 在我国， 道路交通伤害已成为我国 0 ～ 17 岁儿童 伤害致死的第二位原因。2013 年， 导致儿童死亡的事 故 3 749 起 ［1 ］。在儿童意外伤害的研究中发现， 在正面 碰撞中， 儿童胸部遭受损伤时， 容易形成严重损伤、 并 伴有较高的死亡率。研究表明， 儿童约束系统的使用 是降低儿童乘员交通事故伤害的最有效的手段［2 ］。 目前各国法规中， 主要用胸部加速度评价标准来 评估正面碰撞中人体的胸部损伤严重程度， 例如在 ECE R44 中， 胸部 3 ms 累计合成加速度不超过 55g， 当 加速度超过 55g 时， 儿童有可能遭受严重的胸部损伤。 ChaoXing 然而 Lau 等 ［3 ］单独的胸部撞击试验研究表明， 在撞击 载荷下产生的脊柱加速度值低于台车试验中的脊柱加 速度值， 但撞击试验中却可能给人体胸部造成更严重 的损伤。力损伤准则和加速度评价准则密切相关， Patrick 等 ［4 ］进行的尸体试验中， 发现以 3． 3 kN 以上的 力撞击胸骨和以 8 kN 以上的分散载荷作用在肩部和 胸部上时， 就出现轻微的骨骼损伤。由于约束装置的 存在， 颈部， 腰椎和肩关节都向胸椎传递力， 所以可以 通过胸部加速度研究这些力的所占比例 ［5 ］。Mizuno 等 ［6 ］研究了正面碰撞中， 作用于 Hybrid III AM50th 假 人胸部内外力与胸部惯性力之间的关系， 建立了胸部 运动力学方程式， 阐释了乘员胸部加速度与所受内外 力之间的关系。另外， 加速度损伤准则无法预测胸部 局部受载情况下的损伤。Kroell 等 ［7- 8 ］通过胸部撞击实 验发现， 撞击条件下的 AIS 损伤等级和胸部最大压缩 量有密切关系。Viano 等 ［9- 10 ］通过动物实验发现， 胸部 压缩量准则能很好的预测肋骨骨折和软组织的挤压损 伤， 但是无法预测在高速撞击下造成的软组织黏性损伤， 并提出黏性损伤准则 VC Viscous Criterion 值能很好的 评估软组织的黏性损伤。由于儿童与成人在解剖结构和 材料特性上的差异， 使得成人胸部损伤准则和耐限值或 按照比例缩放的方法并不一定适用于儿童。儿童胸部收 到冲击时， 由于胸廓柔软， 所以儿童肋骨不易骨折， 但是 胸部压缩量大， 易因压迫造成内脏损伤 ［ 11 ］。Ouyang 等 ［ 12 ］对2 ～12 岁九个儿童尸体进行了胸部撞击试验， 研 究结果表明儿童在未发生肋骨骨折时， 就已经出现了肺 挫伤。Maltese 等 ［ 13 ］指出儿童胸部的损伤准则和耐限值 在预测损伤时， 应能预测出儿童易发生内脏损伤， 而不易 发生骨折。Han 等 ［ 14 ］采用 4 个月大小的西藏小猪进行 台车实验发现， 在前置护板型 CRS 约束下的小猪胸腹部 出现肺挫伤、 肝撕裂、 冠状动脉撕裂， 但并未发生肋骨骨 折， ISS 评分均超过 25。而在五点式背带式 CRS 约束下 的小猪未发现任何胸腹部损伤。 动态性能试验是评价汽车儿童约束系统安全性的 重要指标。目前没有找到文献对儿童乘员在儿童约束系 统中的胸部加速度和内外力的关系有报道。基于前人研 究成果， 为了厘清正面碰撞中儿童乘员胸部加速度与胸 部所受内外力的关系以及3 岁儿童乘员胸部内脏器官在 不同 CRS 约束下的损伤风险， 本文通过有限元分析仿真 的研究方法， 建立了3 岁儿童胸部运动平衡方程， 同时使 用丰田公司开发的 THUMS 3YO 儿童人体有限元模型探 讨了儿童胸部内脏软组织器官的损伤风险。 1方法和材料 1． 1建立台车碰撞仿真模型 CRS 台车试验有限元仿真模型， 主要由台车模型、 CRS 模型、 Hybrid III 3 岁儿童假人模型和 THUMS 3YO 儿童人体有限元模型组成。采用不同组合的圆形薄壁 吸能管来实现法规通道要求的台车碰撞试验波形的方 法， 模拟实验室滑车试验系统中的冲管吸能型减速滑 车， 以匀速撞击固定壁障， 利用吸能或缓冲装置产生减 速度。台车有限元模型长2 620 mm， 宽1 070 mm， 单元 大小 20 mm， 材料为 Q235 钢。试验座椅由座椅台架和 试验坐垫两部分组成。试验座椅单元大小为 10 mm， 材料为 Q235; 试验坐垫采用六面体网格划分， 材料为泡 沫材料。圆形薄壁吸能管采用四面体网格划分， 材料 为铝。套筒采用六面体网格划分， 材料为刚体。整个 台车模型网格总数为 91 886， 节点数为 87 502。通过 建立 MASS 质量点来改变台车质量。采用的两款儿童 安全座椅有限元仿真模型分别为五点式背带型 CRS A 和前置护体 CRS B ， 其中 CRS A 为 ISOFIX 硬接口 固定， CRS B 为 ISOFIX 软连接。儿童假人有限元模型 是美国的第一技术公司开发的 Hybrid III 3 岁假人有限 元模型， THUMS 3YO 是由丰田公司开发的第四代学术 版儿童人体有限元模型。两款 CRS 台车碰撞有限元仿 真模型如图 1 所示。 图 1 CRS A 和 CRS B 台车有限元仿真模型 Fig． 1CRS A and CRS B sled FE model 1． 2前碰撞台车加速度曲线的拟合 碰撞台车以 50 km/h 的初速度碰撞圆形薄壁吸能 管， 通过调整台车质量点、 圆形薄壁吸能管的数量、 长 度、 壁厚、 直径来拟合满足 ECE R44 法规通道要求的加 速度区间波形。当台车质量调整为 710 kg 时， 能够拟 合出满足法规加速区间要求的台车加速度曲线， 如图 2 所示。吸能管的组合方式和编号如图 3 所示。吸能管 组合参数如表 1 所示。 1． 3有限元模型验证 为了研究儿童乘员的胸部运动学力学方程和软组 712第 1 期韩勇等不同约束载荷下三岁儿童乘员胸部运动方程与损伤风险研究 ChaoXing 图 2台车加速度曲线 Fig． 2Sled acceleration curves 图 3吸能管组合形式和编号 Fig． 3Energy absorptions steel tube and ID number 表 1吸能管组合参数 Tab． 1Steel tube parameters CRS ACRS B 编号23452345 长度/ mm 7007205706201 080 1 050850820 厚度/ mm 22221． 20． 822 直径/ mm 75． 575． 575． 575． 575． 575． 575． 5 75． 5 织损伤风险， 需要对 CRS 台车有限元模型进行有效性 验证。仿真模型验证主要包括运动学和动力学响应验 证。其中， 台车试验用到的为 Q 系列 3 岁儿童机械 假人。 图 4 所示为 CRS A 和 CRS B 中仿真与试验中的假 人运动学响应。在 CRS A 中， 座椅采用 ISOFIX 硬接口 固定， 并辅有抗翻转支撑腿， 座椅无明显的向前位移， 因此儿童乘员躯干受约束的开始时刻较早， 在五点式 安全带的约束下头部绕颈部旋转向前运动， 达到最大 位移后反弹。仿真中 Hybrid III 3 岁儿童假人的运动响 应与台车试验假人的运动学响应是基本上一致的。 在 CRS B 中， 座椅采用三点式安全带约束， 座椅的 向前位移相对较大。假人在无安全带约束情况下开始 整体向前运动， 在 30 ms 时， 胸部与护板接触导致胸部 压力增加， 头部在惯性力作用下向前运动， 在 103 ms 时， 假人头部开始与护板接触， 达到最大位移后反弹。 试验中采用的 Q3 假人与仿真中采用的是 Hybrid III 3 岁假人的生物逼真度有差异， 因此假人运动学响应存 在一定的偏差。然后， 仿真中儿童假人运动学响应和 台车试验中的趋势基本保持一致。 aCRS A bCRS B 图 4儿童乘员运动响应对比 Fig． 4Child kinematics in CRS A and CRS B 图5 和图6 所示分别为 CRS A 和 CRS B 中仿真和 试验中的儿童乘员头部和胸部合成加速度时间曲 线。可以得到仿真曲线和试验曲线在趋势、 切线斜率、 脉冲宽度上基本一致。本文认为儿童约束系统台车碰 撞仿真模型是有效的， 可以用于后续儿童乘员胸部运 动方程的建立和损伤研究。 2结果与分析 2． 1儿童胸部运动方程的建立 Hybrid III 3 岁儿童假人胸部由胸椎和覆盖在胸部 短上衣的胸腔组成。胸椎由钢制的脊骨箱组成， 上面 安有颈部、 锁骨、 肋骨和腰椎。颈椎和腰椎可以弯曲、 胸椎不能弯曲， 具有一定刚性。因此， 在 CRS A 碰撞过 程中， 定义假人胸部的外力主要是安全肩带的力 Fseatbelt， 内力包括下颈部、 左右肩关节和上腰椎作用的 力， 分 别 是 Fneck、Fshoulder l、Fshoulder r、Flumbar，其 中 Fshoulder l和 Fshoulder r是左右手臂传至肩关节铰链的力， Flumbar是上腰椎与胸椎连接处的作用力。如图 7 所示。 假人胸部质量为 mchest， 胸部重心加速度为 achest ， 则 作用于 CRS A 的假人胸部运动方程为式 1 mchesta → chest， x F → seatbelt F → neck F → shoulder l F → shoulder r F → lumber F → chin- chest 1 对于 CRS B， 作用于 Hybrid III 3YO 儿童假人胸部的外 力主要是护板与胸部的接触力， 作用于 CRS B 的假人 胸部运动方程为式 2 812振 动 与 冲 击2020 年第 39 卷 ChaoXing a头部 b胸部 图 5儿童头部和胸部合成加速度 Fig． 5Child resultant acceleration in CRS A a头部 b胸部 图 6 CRS B 中儿童头部和胸部加速度 Fig． 6Child resultant acceleration in CRS B mchesta → chest， x F → neck F → should l F → shoulder r F → lumber F → impact- shield 2 假人的胸部局部坐标系遵循右手坐标系定则， 即 在假人标准直立状态下， x 为假人前方方向， y 为 从左到右的方向， z 为从头部到脚部 向下 方向。假 图 7定义 HybridIII 3 岁假人胸部的内外力 Fig． 7Definition of the Hybrid III 3YO chest forces 人胸部坐标系的方向随时间变化， 将作用于假人胸部 的力的向量投影到这一瞬时胸部坐标系 x 方向分量 上， 求得假人胸部前后方向分量， 定义作用于假人的合 力为∑Fx。图8 分别为 CRS A、 CRS B 中作用于 Hybrid III 3 岁儿童假人胸部 x 方向上的合力与胸部惯性力的 关系。 aCRS A bCRS B 图 8作用于 Hybrid III 3 岁儿童假人胸部的力 Fig． 8The forces applied on the Hybrid III 3YO chest in CRS A CRS B 由图 8 a 可以得出， 除了安全带向假人施加的外 力， 假人的下颈部、 肩关节、 腰椎向胸椎传递的内力也 会影响到胸部加速度。肩带最先约束儿童假人的锁 骨， 胸部加速度开始增加， 54 ms 时， 肩带拉力达到峰 值， 胸部加速度也达到峰值。之后， 由于头部较大的惯 性力作用， 颈部剪力开始增加， 胸部加速度随之下降。 胸部加速度在碰撞前期 75 ms 前 主要是受肩带外力 的影响， 波峰时刻基本对应。上肢因为惯性力的作用 向胸部施加向前的力 胸部加速度减小的方向 ， 通过 肩关节的传递， 胸部加速度中有时产生突变信号。上 躯干受肩带和腰带的不同作用力， 使得骨盆与腰椎的 912第 1 期韩勇等不同约束载荷下三岁儿童乘员胸部运动方程与损伤风险研究 ChaoXing 相对旋转运动并不朝向一个方向， 当来自腰椎的力和 肩关节的力同时刻发生时， 胸部加速度会产生波峰变 化。另外假人下颚和胸部的接触， 会影响到下颈部力 的大小， 图中可以得到， 70 ms 时， 假人下颚开始接触胸 部， 83 ms 时刻， 下颚和胸部的接触力达到峰值， 头部达 到最大前向位移， 下颈部力也达到峰值。 由图 8 b 可以得出， 在 CRS B 中， 胸部加速度在 前80 ms 也主要受外力护板的影响， 不同于五点式肩带 的外力， 护板由于受汽车三点式安全带的约束， 使得假 人受护板的约束时刻相对于五点式肩带较靠后， 胸部 加速度和合力达到峰值的时刻便相对靠后。下颈部力 的最大峰值迟后于胸部与护板接触力和胸部加速度的 最大峰值， 这是因为， 胸部压缩量达到最大值后， 头部 仍继续与护板泡沫接触， 当头部达到最大前向位移反 弹后， 下颈部力开始剧烈下降。另外由于护板的阻挡， 使得假人下颚和胸部的接触力很小， 几乎为零， 因此认 为假人下颚和胸部的接触力差异会造成颈部受力的 不同。 作用于假人胸 部 的 合 力 ∑ Fx和 胸 部 惯 性 力 mchestachest， x基本一致， 胸部运动学方程可以检验作用于 假人胸部上的载荷。 2． 2THUMS 3YO 运动学及损伤参数 图 9 所示为 THUMS 3YO 在 CRS A 和 CRS B 中的 运动学响应。由于儿童有限元模型与假人模型解剖结 构的差异， 相比 Hybrid III 儿童假人模型， 3 岁儿童人体 有限元模型的运动表现较柔软， 脊椎整体发生较大的 弯曲， 髋部移动更靠前， 头部和胸部前向移动量更大， 回弹时刻较靠后。在回弹阶段， Hybrid III 假人头部后 仰程度较大， 而儿童人体有限元模型的头部只是稍有 后仰， 最后时刻， 下颚也始终与胸部保持接触。 图 9THUMS 3YO 在 CRS A 和 CRS B 中的运动学响应 Fig． 9THUMS 3YO kinematics in CRS A and CRS B 在 CRS A 中， THUMS 3YO 头部绕颈部的向下转动 量较大， 整个面部下半区域接触到胸部表面。而在假 人模型中， 因为颈椎和腰椎弯曲， 胸椎是刚体不能弯 曲， 所以只有下颚接触到胸部。在 CRS B 中， THUMS 3YO 上躯干以第 7 和 8 胸肋为中心承受护板压力， 头 部和髋部惯性力被压迫于胸部的护板压力平衡， 胸廓 变形严重。100 ms 后， 胸部以护板顶部为支点向前翻 转， 髋部开始向后反弹， 向上脱离底座。在 106 ms， 下 颚开始接触到护板， 头部达到最大位移后反弹。 THUMS 3YO 有限元模型的胸部区域已经过正面 圆柱撞击试验的验证［15 ］。表 2 所示为 THUMS 3YO 胸 部损伤参数。在 CRS A 中 THUMS 3YO 胸部压缩量为 23． 5 mm， 对应压缩比为19． 6; CRS B 中 THUMS 3YO 胸部最大压缩量为 45． 1 mm， 对应压缩比为 37． 6。 Viano 等进行了尸体摆锤冲击试验， 得出最大压缩比 肋骨压缩量与胸腔原始宽度的比值 为 35 时， 造成 AIS 4 的损伤概率为 25。因此， 可以预测在 CRS B 中儿童胸部受到的挤压损伤风险相对较高。 表 2 THUMS 3YO 胸部损伤参数 Tab． 2The chest injury parameters of THUMS 3YO CRS 类型 胸部正向 压缩量/mm 压缩比 VCmax 值/ ms －1 T4 处 加速度/g CRS A23． 519． 60． 3130． 6 CRS B45． 137． 60． 4035． 1 由 Viano 等 ［16 ］提出的当胸部黏性指标 VC 达到1． 0 m/s 时， 胸部产生损伤等级 AIS 4 的概率为 25。仿 真中儿童有限元模型胸部的 VCmax分别为 0． 31 CRS A 和 0． 4 CRS B 均小于 1． 0 m/s， 可认为儿童乘员胸 部在碰撞过程中发生软组织黏性损伤风险较低。 2． 3胸部软组织器官应变分布 2． 3． 1肋骨 Lyu 等 ［17 ］通过对成人肋骨密质骨极限应变范围进 行缩放得到儿童肋骨密质骨的极限应变范围为3． 6 ～4． 5。图10 分别为 CRS A 和 CRS B 约束下肋骨的 第一主应变云图， 最大第一主应变分别为32． 7、 43． 7。 在 CRS A 中， 第 1 ～ 5 根肋骨所处的应力比较 大的原因是由于五点式安全带肩带的压迫和脊椎发生 较大弯曲时头部接触胸部造成的。另外五点式安全带 肩带约束锁骨， 锁骨处也承受了较大的压力; 在 CRS B 中， 胸廓受护板的正向挤压， 发生严重变形， 导致第 5 ～ 9 根肋骨处所受应变比较大。反弹阶段 95 ms 以后 ， 儿童胸部以护板顶部为支撑向前翻转， 导致髋部开始 向上脱离底座， 导致第 4 ～6 根肋骨及前面的胸骨体直 接压迫在护板顶部， 肋骨骨折风险较高。 图 10CRS A 左 与 CRS B 右 约束下肋骨第一主应变云图 Fig． 10The strain of the ribs in CRS A leftand CRS B right 2． 3． 2心脏 Yamada［18 ］研究人类心肌测试数据表明， 0 ～9 岁儿 童心肌组织的极限拉伸应变为 62． 9 6． 9， 并认为当 022振 动 与 冲 击2020 年第 39 卷 ChaoXing 第一主应变达到 30时， 心肌组织便开始损伤， 因此将 心脏发生一般性挫伤的第一主应变损伤耐限值定为 30。仿真结果得到的 CRS A 和 CRS B 中的心脏第一 主应变云图如图 11 所示， 最大第一主应变分别为 59． 9、 63． 8。可以预测两款 CRS 中的儿童有限元 模型都可能出现心脏挫伤， 心脏局部受到胸椎和外力 的挤压导致应变集中。在 CRS B 中， 护板的挤压较大， 胸腔体积更小， 心脏受胸骨的挤压程度更高。 图 11CRS A 左 与 CRS B 右 约束下心脏第一主应变云图 Fig． 11The strain of the heart in CRS A leftand CRS B right 2． 3． 3肺 Gayzik［19 ］利用试验和仿真结合的办法， 指出利用 第一主应变能较好的预测肺部高显影损伤， 并给出预 测高显影损伤的第一主应变耐限值约为28． 4。图12 为 THUMS 3YO 在 CRS A 和 CRS B 中的肺组织第一主 应变云图。仿真中 CRS A 和 CRS B 中肺组织的最大第 一主应变分别为 1． 641、 1． 618， 都远超过了耐限值， 可 以预测儿童有限元模型肺部出现挫伤甚至破裂。 图 12CRS A 左 与 CRS B 右 约束下肺部第一主应变云图 Fig． 12The strain of the lung in CRS A leftand CRS B right 3讨论 本研究中， 100 正面碰撞中， 胸部运动方程仅考 虑了在前后碰撞方向上的线性胸部加速度， 其他方向 的旋转运动有待进一步研究。对 Hybrid III 假人胸部 运动方程的研究， Koji 等 ［6 ］用此方法研究了整车正面 碰撞中驾驶席和后排乘员假人胸部受力与胸部加速度 及胸部压缩量间的关系， 证明了在有限元中建立胸部 运动载荷方程的正确性。根据假人的内外力可以了解 施加于假人胸部载荷， 判断作用于假人胸部的力是否 均衡， 从而更好的指导约束系统的优化设计。 对 Hybrid III 3 岁儿童胸部受力分析中， 发现两款 不同儿童座椅中的儿童颈部力都较大， 分析原因由于 三岁儿童头部质量大， 占全身比例大， 且颈部结构柔 软， 颈椎在头部惯性力作用下受到较大的拉力。在 CRS A 中， 由于假人下颚与胸部的接触， 减小了颈部剪 力。在 CRS B 中， 由于前置护板的阻挡， 假人下颚和胸 部的接触力几乎为零。因此， 下颚与胸部的接触程度 和方式可能会影响颈部受力以及胸部加速度。使用前 向式 CRS 约束下的儿童乘员， 由于被约束的胸部和未 被约束的头部， 共同导致颈部受力较大。 由于受伦理道德的限制， 在儿童生物力学损伤领 域， 针对儿童胸腹部内脏器官的研究相对较少， 目前也 没有明确的损伤阈值范围。根据文献研究， 本文采用 应变值来评估儿童人体有限元胸部软组织损伤水平， 定性对比两种约束下的儿童胸部损伤风险。但由于人 体模型的应变值与网格质量等相关， 所以只用单一指 标来表征胸部软组织损伤水平可能并不精确。关于评 估儿童胸部内脏器官损伤水平的指标还有待进一步的 研究和探讨。另外， 通过对比 THUMS 3YO 儿童有限元 模型在两款 CRS 中的胸部黏性指标， 得出 VCmax均小于 1． 0 m/s， 胸部未超过发生黏性损伤的耐限值， 但根据 肋骨和胸部软组织应变参数分析， 其损伤风险均超过 了耐限值， 并且出现了肋骨骨折的现象。可能的原因 之一是由于胸廓的变形模式和伴随的骨折风险依据载 荷形式的不同而变化， 所以胸部变形导致的胸部损伤 阈值也有所不同。成人的胸部压缩量损伤准则和黏性 损伤准则能用于儿童胸部损伤的预测， 但其损伤耐限 值要低于成人 ［20 ］。原因之二是 THUMS 3YO 儿童有限 元模型虽然包含肌肉、 心脏、 肺等详细的胸部内脏软组 织器官， 但可能与真实的 3 岁儿童胸部的生物力学特 性存在差异， 另外胸腔骨骼和软组织材料参数对正面 碰撞载荷下胸部碰撞响应的影响程度各不相同［21 ］ ， 所 以其胸部有限元模型有效性及真实的儿童胸部损伤风 险还待进一步研究讨论。仿真中用 THUMS 3YO 定性 分析在两款 CRS 中儿童胸部损伤的差异， 为设计儿童 约束系统提供胸部损伤参考。 4结论 1Hybrid III 3 岁假人胸部加速度是由作用在假 人身上的外力 安全带力/护板力 和内力 颈部力、 左 右肩关节力、 腰椎上端力 产生的， 外力是影响胸部加 速度的重要因素。假人内力中， 颈部力对胸部加速度 的影响较大。作用于假人胸部的力合计∑Fx 和 mchest achest， x基本一致， 说明胸部运动公式可以来检验作用于 假人胸部的载荷。 2THUMS 3YO 儿童乘员在护板型 CRS 中， 胸部 压缩比达到 37． 6， 有 25 胸部 AIS 4 级损伤风险。 其胸部内脏器官损伤在应变数值和区域上相对五点式 背带型 CRS 也较大， 因此前置护板的约束对 3 岁儿童 胸部造成的损伤较大。 参 考 文 献 ［1］ World Health Organization． Global status report on road safety 122第 1 期韩勇等不同约束载荷下三岁儿童乘员胸部运动方程与损伤风险研究 ChaoXing ［ R］ ． 2015． ［2］ National Highway Traffic Safety Administration． Traffic Safety Facts 2006［ EB/OL］ ． https / /crashstats． nhtsa． dot． gov/Api/ Public/ViewPublication/810816． ［3］ LAU I V， HORSCH J D， VIANO D C， et al． Biomechanics of liver- injury by steering wheel loading［ J］ ． Journal of Trauma- Injury Infection and Critical Care， 1987， 27 3 225- 235． ［4］ PATRICK L M，MERTZ H J，KROELL C K． Cadaver knee chest and head impact loads ［C］/ 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