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在追尾事故中安全带和头枕对乘员的影响
Mohamed T. Z. Hassan . S. A. Megiddo
摘要：
目前用于评估挥鞭伤的颈部损伤标准是基于运动学或乘员头部和后颈碰撞的动力学。乘员的反应受到许多因素的影响，包括碰撞严重程度，座椅设计和与乘客本身相关的因素，如性别和姿势。目前大多数有限元模型都关注头部和颈部模型构建，却忽视座椅与乘员在追尾期间的相互作用。在这项工作中，全球人体模型联盟（GHBMC）有限元模型被用来研究这些相互作用效应，强调安全带，头枕和座椅刚度对追尾碰撞过程中乘员响应的影响，并使用三种方法评估响应 颈部损伤标准。该研究表明了乘员座椅安全带和头枕对乘客安全的重要性。具体而言，可以通过使用安全带来防止追尾时的乘员前倾。此外，头枕还能减少头部位移和旋转。 我们的工作进一步表明，头部位移减少可以让颈部出现更高的力矩、轴向力和剪力，特别是对于头枕调整不好或刚度更高的情况。
关键词：鞭打，伤害，追尾，有限元，安全带，头枕
1.绪论
追尾事故约占美国所有多个车辆碰撞事故的24％（NHTSA 2014）。相当数量的这些车祸导致车祸中最常见的伤害（挥鞭伤害）。据美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）介绍美国每年发生806,000次挥鞭伤伤害，造成90亿美元的损失（Kappa等人2005）。尽管在汽车安全方面取得了进展，但车祸中对颈椎的损伤仍然是一个严重的问题。挥鞭伤或挥鞭引起的相关疾病（WAD）的数量正在增加（Schmitt等人2003）。挥鞭伤会造成头痛，颈部疼痛，颈部运动受限，视觉障碍，虚弱和头晕（Brantley等人1994; Hay-bin等人2009; Sigmund等人2009）。WAD的严重程度和持续时间取决于许多因素，如乘员的性别、姿势、意识、座椅和头枕的几何形状、刚度和碰撞严重程度（Farmer等人2003; Sigmund等人2000; Viand和Garran 1996）。
为了加强汽车座椅设计以更好地防止颈部鞭伤，必须研究碰撞时乘员的反应。现在已经进行了许多研究来评估乘员受到的伤害。第一种方法志愿者（Hay-bin等人2009; Tenser等人2003）提供了人类对追尾碰撞的反应的现实指示。然而，为了防止受试者受伤，这些研究中的碰撞强度相当有限。第二种方法是利用尸体，但他们缺乏肌肉反应。第三个方法采用人造测试假人（ATD），如Hybridizing-TRID（Foster等人1977）和BioRID2（Davidson等人2001），它们专门设计用于追尾碰撞测试。尽管ATD在挥鞭过程中表现出接近头部的运动和负荷，但颈部对于生物的还原程度相当有限。第四个依赖于数字模型的发展来克服复杂的实验研究和成本。多体动力学是用于模拟挥鞭的数字技术之一，其用多个使用旋转关节，弹性弹簧，阻尼器和/或粘弹性元件连接的刚性元件来模拟人的身体（Himmetoglu等人2009;Hoover和Megiddo 2015;De Jaeger 1996;McKenzie和Williams 1971）。颈椎有一个复杂的几何形状，只研究运动学不能提供关于挥鞭伤害机制的详细描述。软组织中的应力和应变是理解挥鞭伤的关键因素，而多体动力学无法解决这种问题。因此，我们需要考虑另一种建模技术，如有限元法（FEM）来构建更详细的人体模型。几种有限元模型用于研究不同类型负荷下的颈椎（Cronin2014;Face等人2011;Meyer等人2004;van deer Horst 2002;Zhang和Meng 2010）。在FE的这些工作中，使用先进的材料模型来模拟椎间盘，韧带，肌肉和小关节的机械特性，这帮助研究者对软组织损伤机制有了更好理解。
目前，大多数有限元模型只关注头部和颈部，忽略了在追尾碰撞期间乘员和汽车座椅之间的相互作用。其中一个主要原因是模拟人体全身的复杂性以及大数字模型高计算量的成本负担。专注于头部和颈部的研究可能无法准确描述挥鞭伤害。例如，忽略躯干与汽车座椅的相互作用可以改变头部和颈部的运动特性（Luan等人2000）。通过在T1椎体加入额外的负载（Stemper等人2005），避免使用全身模型，从而降低计算成本。然而，这引起了人们对于这些模型与全身模型相比的准确性，以及在每个碰撞情景下施加于T1的负载的准确性的担忧。因此，捕捉整个身体的反应对于更好地理解影响挥鞭伤害的相互作用至关重要，这是当前研究背后的动机。在这项工作中，我们打算研究乘员和汽车座椅之间的相互作用，用全身人体有限元模型来展示安全带和头枕对追尾碰撞时乘员反应的影响。
2.模型和材料
全球人体模型联盟（GHBMC）第50百分位男性FE模型坐在汽车座椅上，如图1所示。26岁男性模型重量和身高分别为78kg和174.9cm。GHBMC模型由988个零件组成，使用212万个单元离散化，包括实体，壳，梁和离散单元。 该模型的颈部分区主要由使用壳和填充元素建模的椎骨，使用壳和填充元素建模的椎间盘，使用填充元素建模的软骨，使用1-D和填充元素建模的肌肉以及使用了一维元素建模的韧带组成。
这项研究中使用了三种不同的座位安排：第一种没有头枕，没有安全带；第二种安装有头枕和安全带；第三种安装了适当调节的头枕和安全带。对于调整不良的头枕，头枕顶部距头顶110mm，而对于适当调整的头枕，头枕顶部距头顶24mm。两个头枕之间的头枕和头部背部之间的距离（腰围）为68mm。基于公路安全保险协会（IIHS 2016）的评级，头枕位置被定义为不良或适当的。三个座椅靠背的布局是从垂直轴偏移了25°。座椅尺寸如表1所示。在目前的研究中，座椅靠背被认为是刚性的。三个座位布局使用四面体元素进行离散化，他们的材料模型被选为低密度泡沫。座位材料是聚氨酯泡沫，其机械性能与Grujicic等人使用的相同（2009年）。假设密度为23 kg/m3，用于该材料模型的标准压缩应力-应变曲线如图2所示。该材料模型使用了两个刚度。通过改变图2所示的纵坐标值（应力）来改变刚度。柔性材料满足如图2所示的应力-应变曲线。对于刚性材料，纵坐标值增加了a系数100。通过座椅的准静态测试（QST）确定两个座椅刚度。对于QST，座椅框架的下部节点被固定，刚性假人的躯干被压靠在座椅靠背上。在虚拟水平方向上施加1m/s的恒定速度，而在垂直方向和侧向方向上不施加约束。座椅刚度由刚性假人的力-位移曲线计算。对于柔性和刚性的材料，相应的座椅刚度分别为275kN/m和8360kN/m。在有限元模型中使用重力的影响作为身体负荷。在所有模拟中，乘员和座椅最初处于静止状态。在追尾碰撞期间，目标（前部）轿厢的加速从轿厢框架传递到座椅框架的下部。因此，为了模拟追尾碰撞，速度被水平地施加到座椅框架的下部，同时限制其在垂直方向和侧向方向上的运动。靠背或头枕没有约束。使用LS-DYNA商业软件包（Livermore软件技术公司LSTC）的显式求解器进行非线性动态分析。
表1 座椅和头枕尺寸
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靠背长度-从头枕到坐垫 |
64（cm） |
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靠垫长度-靠背 |
49（cm） |
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靠背-总宽度包括翅膀 |
44（cm） |
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靠背-翼内 |
26（cm） |
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坐垫宽度-总宽度包括翼 |
52（cm） |
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垫宽-翼内 |
27（cm） |
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头枕长度-从顶部到底部 |
20（cm） |
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头枕宽度 |
29（cm） |
图1 GHBMC有限元模型座椅a没有头枕和座椅安全带；b座椅头枕和座椅安全带调节不良; c有适当调节的头枕和座椅安全带。
图2 Grujicic等人的座椅材料压缩应力-应变曲线。（2009年）
GHBMC有限元模型首先通过比较其与Prasad等人对尸体进行的实验研究来验证（1997年）。在该验证测试中，使用了没有头枕（座椅布置A）的座椅布置（参见图1a）并且将速度曲线水平地施加到座椅框架以模拟追尾碰撞。该速度曲线与实验研究中使用的相同（Prasad等，1997）。座椅在150ms内从零加速到7m/s（平均加速度为4.8g）。使用相似的速度曲线重复该模拟，但是最大速度限制为3.5m/s（平均加速度2.4g）。
为了研究头枕和座椅安全带对乘员反应的影响，将4.8g速度曲线应用于四种不同的座椅布置：B，C，D和E。布置B和C的头枕调整不良（见图1b），分别分配了刚性和软性材料模型，而D和E分别具有适当调整的头枕（见图1c），并分别指定了刚性和软性材料模型。表2列出了本研究中使用的不同座位安排。
3.结果与讨论
为了验证GHBMC有限元模型，将座椅布置A有限元模型的头部响应与Prasad等人的尸体测试的实验结果进行比较（1997年）。图3显示了与尸体测试相比，头部重心（CG）相对于T1椎骨的水平和垂直位移。结果表明有限元模型的响应与尸体结果的响应非常吻合。在最初的60ms时，有限元模型的下颈椎处于伸展状态，而上颈椎处于屈曲状态，形成了公认的Grauer等人报道的用于模拟挥鞭的S形弯曲（1997年）。然后整个颈椎进行伸展，直到碰撞后约150ms达到最大头部位移，然后是反弹阶段。
图4a和b显示出了五种座椅布置的头部位移。即使调整不当，头枕的存在也会显着降低头部位移。在颈部伸展期间，布置B相对于T1椎骨的水平位移减少了~50％；布置C~54％；布置D和E都是~68％。布置D的头部水平相对位移曲线显示头部在撞击70ms后从头枕反弹，并在140ms后再次与头枕接触。这种现象是缺乏缓冲并且头枕无法吸收一部分冲击能量造成的。
头枕将B，C，D和E布置的头部垂直相对位移分别降低了~82％，~96％，~94％和~95％。所有例子的头部垂直相对位移轨迹显示了在最初的75ms内颈椎的初始压缩。倾斜的座椅靠背产生向上推动躯干（T1椎骨）的分力。由于头部的惯性，将阻止颈部向上的运动，导致颈椎受压。
表2 模拟中使用的座椅布置
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座椅布置 |
安全带和头枕 |
座椅刚度（kN/m） |
头枕顶部 |
|
A |
无 |
275 |
- |
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B |
有 |
8360 |
头顶下方110 mm（不适） |
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C |
有 |
275 |
头顶下方110 mm（不适） |
|
D |
有 |
8360 |
头顶上方24 mm（合适） |
|
E |
有 |
275 |
顶部上方24 mm（合适） |
图3 使用座椅布置A的GHBMC FE模型相对于T1椎骨头部CG位移对比Prasad等人（1997）的尸体测试，（a）水平和（b）垂直。
图4 五种座椅布置（a）相对于T1的头部水平位移;（b）相对于T1头部垂直位移;（c）头部水平加速度;（d）头部垂直加速度。
图4中的c和d显示了五种座椅布置的水平和垂直头部加速度。当不使用头枕时（座椅布置A），水平头部加速度峰值是座椅加速度（4.8g）的两倍以上。结果表明，与没有使用头枕的情况相比，头枕的存在使头部受到更高的加速度。加速度的显着增加是因为头部在与头枕接触时突然停止。座椅布置A，B，C，D和E的水平头部加速度峰值分别为~10g，~43g，~26g，~54g和~34g。上述布置的垂直头部加速度峰值为~9g，~29g，~12g，~11g和~9g。结果显示，对于具有相同头枕位置的布置，具有较低座椅刚度的布置产生较低的头部加速度，即刚度较低的座椅具有较高的能量吸收能力，因此它们减少了头部受到的加速度。比较具有相同座椅刚度（B和D，或C和E）的布置表明，与调整不良的头枕相比，适当调整的头枕使头部承受更高的水平加速度，但是正确调整的头枕减少了头部垂直加速度。
图5 (a)五种座椅布置头部在矢状面上的旋转相对于时间的变化；(b)座椅布置A、B和E的颈部和头部位置的变形
头部在矢状面内的旋转如图5a所示。对于座椅布置A，撞击后150ms时发生的最大头部旋转被确定为83°。座椅布置B和C将发生在撞击后的93ms时的最大头部旋转降低至26°，头部旋转减少了约69％。在座椅布置D和E中正确调节的头枕使发生在100ms后的最大头部旋转仅为13°，减少头部旋转~84％。座椅装置A、B和E颈部的变形如图5b所示。装置B和E的头枕减少了整个颈部变形，对于正确调节的头枕（装置E）产生了更高的减小量。
图6表现了座椅装置C和E的头部和头枕之间的接触。头部与座椅装置B和C的头枕的顶部边缘接触，在与头靠接触之后头枕没有给予头部的良好支撑并允许其进一步旋转。另一方面，座椅装置C提供了限制头部旋转的适当支撑。很明显，在适当调整头枕的情况下头枕位移和头部旋转的减
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