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后车撞击下的人体-车辆座椅系统
摘要：新型防护系统的开发必须以可靠的工具和活着的人的代表来进行。在早期的研究中，进行了适度后部碰撞下的头颈系统的简化和现实模型。文献中清楚地，并经常提到，在这种撞击构型下，躯干和汽车座椅的变形极为重要，并且定义了头颈系统的初始状态。为了解决这个问题，本研究开发了一种人体躯干的原始集总模型，并与汽车座椅头枕复合体相结合。线性行为的假设被用于躯体受到小变形的影响。在本研究中，由Kitazaki和Griffin在1992年进行的人体躯干的模态分析被用于质量和力学性能鉴定。为了再现实验确定的四种模式形状，躯干被分成六段以获得头颈系统的五个自由度。这种最小复杂度的模型能够重现5种实验振动模式，并在频域中根据固有频率和阻尼以及模式形状进行了验证。除了集总方法之外，为了将人体模型耦合到本研究中开发的汽车座椅的有限元模型，还实现了外部几何。对于两种不同配置（柔性和刚性躯干）的后部碰撞模拟显示，最大T1加速度增加约35％，而考虑刚性躯干时加速度斜坡增加约65％。真实的身体行为和准确的T1加速度是现实世界事故重建以及座椅头部休息评估和颈部负载优化的重要方面。
1引言：尽管安全装置不断地的进步，但是交通事故颈部受伤，特别是非严重的后部碰撞事故仍然是一个严重且代价高昂的社会问题。因此，在一些国家已经广泛记录到了颈部鞭伤所造成的高成本。而旨在降低挥鞭伤的发生率的安全措施，其制定必须以要有意义和可靠的人体代用品为指导。大多数伤害预防策略基于使用拟人化碰撞测试假人或数学模型的影响分析。如果没有对这些实验或计算模型对人体机械反应进行适当的评估，就不可能对颈部损伤预防技术进行当前最先进的改进。不幸的是，脊柱是人类骨骼系统中最复杂的结构之一，其影响过程中的行为仍不甚了解。目前有至少三款碰撞测试假人专门用于实验性后部碰撞分析; Foster等人于1977开发的Hybrid III dummy，Chalmers University Davidsson设计的BioRID II开发于1999以及TNO在荷兰Cappon等人在2001年提出的RID dummy。目前，针对这些假人所代表的死后的受试者颈部反应，已有志愿者（1999的Davidson，2001的Cappon等人，1999的Davidson等人，1997的Prasad等人，1986的Seeman等人和2001的Siegmund等人）进行了许多验证研究，已经证明了在低速后方撞击下，该人体替代物所具有的有限生物保真度。 Szabo等人2002，Ishikawa等人2000，Eichberger等人1996和Svensson等人1993也描述了汽车座椅头枕的优化研究，并得出结论：最安全的防鞭打保护系统取决于所使用的假人。
人体躯干的造型始于上世纪中叶。几种模型被开发为一个连续统或集总参数。与人体相比，大多数这些模型没有现实的行为。它们要么太详细并且涉及大量不容易识别的参数与现有的实验数据，要么仅代表躯体的一种特定的动态行为，因此不能用于其他应用，例如模拟后部碰撞。事实上，大多数脊柱研究的发展都表征了军事应用中座椅弹射下的躯干头部单元的全球动态行为。通常，模型可以分为两类：
bull;连续模型（Hess and Lombard 1958）
bull;集中模型（Vulcan and King 1970，）。
然而，他们都没有研究过后碰撞下T1（加速度变化状态下）的运动学行为。
在MADYMO软件（TNO 1997）中已经开发了许多多体系统人体模型用于后端碰撞。 Jernstrouml;m等（1993）提出了一个二维人体模型。 Jakobsson等（1994）比较了这个模型的头部角度与一个志愿者在Delta;v8 km / h时的角度。模型的上胸椎曲度和头部与头靠接触的时间跨度与志愿者反应不一致。接下来，由于测试对于只能暴露于无害影响的志愿者来说并不容易，Eriksson（2002）开发了一个非常简化的三维模型，其机械特性经过调整以适应BioRID I虚拟响应Davidsson et人。 1999年整合了灵活的脊柱。 Cappon等人2001年还在一个称为RID 2的灵活胸部的鞭打项目中开发了一个假人。
通常，通过比较记录的机械参数随时间的变化与人类反应，对志愿者或死后人类受试者（PMHS）进行数值或物理脊柱模型验证。这种方法是有限的，因为在时域中影响多自由度系统是非常困难的。这些困难可以通过文献中大量的测试假人评估和比较研究来很好地说明。原型版本的数量和研究结论之间的矛盾说明了解释在时域内被掩盖的一些现象有多困难。另一个例子可以在Philippens等人2002年的研究中找到，其中可以观察到“现实”的虚拟头部运动学，但是T1加速度不在走廊中。原因是虚拟响应必须保持在宽范围的范围或走廊内。时域中的评估过程不足以精确提取初始斜坡，局部峰值和振荡，这可能非常重要。
尽管存在这个关键问题，但近期有关脊柱生物力学的研究提高了我们对这种复杂结构的认识水平。上面列出的限制说明需要进一步的实验和理论分析。本文的目的是运用模态分析技术来表征人体干道系统的体内特征，并在矢状面上建立该段的集总参数模型。
事实上，工程中的模态分析是非破坏性的，用于识别动态结构。在生物力学中，该方法已广泛用于骨头愈合处理和人体头部的动态表征（Hodgson等1967，Stalnaker等1971和Willinger等1990）。与其他研究相比，对于脊柱，除了单个自由度的阻抗记录外，Kitazaki等1998对包括头在内的整个柱进行了详细的实验模态分析。总共15个自由度被考虑在内，包括有头部3个，脊柱10个，腹部前部2个。坐着的对象垂直振动。根据输入力与不同自由度加速度之间的表观质量的传递函数使得能够提取模态领域中系统的模态特性，即固有频率和特征向量或模态形状。以这种方式，由于背部而在1.8Hz和17Hz之间确定了11种振动模式。 Kitazaki的研究目标是模态表征和舒适度。因此，建模仅限于分析传递函数的定义，而不是人体的机械特征。
在以前在ULP进行的研究中，体内人体头颈系统的实验模态分析为我们提供了固有频率和模式形状，它们构成了虚拟脖子的原始验证参数（Willinger and Bourdet 2002）。应用方法的详细描述可以在Willinger和Bourdet 2004中找到，展示了这个实验如何提供生物力学背景
2对人体主体躯干的线性建模
2.1实验测试
本研究中使用的实验数据是由Kitazaki等1998年在人体工程学和舒适的背景下完成的。其任务是描述身体受到振动时头部和躯干的运动。 这项研究的最终目的是确定人体的频率行为，以便更好地了解腰部疼痛的起源。 他们还旨在分析驾驶汽车的对象的视线稳定性。 Kitazaki等（1998）首次尝试对体内人体进行模态分析之后，决定对头颈部干细胞进行模态分析。（模态分析[Kitazaki等（1998）]）
图1.（a）运动学记录测量装置，（b）人体自由度
所研究的系统如图1b所示。 它是关于头颈部单位，其在矢状面图中的位置由15个自由度表征：由图1a所示的加速度计装置记录的头部Tx，Ty，Tz和theta;y; 和另外十个传感器，记录Tx和Tz中的五个椎骨T1，T6，T11，L3和S2的加速度。
一个振动平台记录了传输的力和加速度，这个系统令人兴奋。 该频率激励器能够传输高达10kN的最大位移1m。 振动测试由高斯随机激发（Gamma;= 1.7ms-2（rms），f = 0.5至35Hz;在1分钟期间）组成。 只有一名32岁的男性志愿者进行了测试。 此后，分析了两种类型的实验反应：传递函数的关系如下：
表观质量：
和在可传输性方面：
Fk和Gamma;k是平台层面的力和加速度（输入）。
人体的这种表示使得作者可以写出透射率方程，并将它们与实验记录的相加。 图2所示的变形振型的表达式及其对表1的定量描述也由这种分析传递函数描述。
图2. Kitazaki等人1998年根据模型提取的变形振型的表示
虽然这项高质量的研究对汽车驾驶员舒适性的分析非常有意义，但其在冲击生物力学中的应用受到限制。 这项工作的局限性，对脊柱的表征有两个层面：
·自由度的定义不适用于对宫颈柱的描述，
·提出的解析传递函数不是没有机械参数识别的频率和模态形状，例如分段质量或刚度和阻尼。
后方脊柱建模有四种相关的变形模态，其最终影响，并将在下一节中予以考虑。
2.2躯干的集总参数模型
在我们的研究中，我们使用Kitazaki（1992）和Kitazaki和Griffin（1998）的实验数据建立了一个最小复杂度集总参数模型，允许再现人类躯干的真实动态行为。 为了获得由Kitazaki给出的变形模态，我们的模型由五个关节组成，如图3所示。在这部分研究中，头颈关节仍然阻塞。
该模型由六个部分组成，分别代表腰部下部和上部，胸部下部和上部，颈部和头部。 每个部分的质量mi和惯性Ji集中在重心Gi。 每个关节都有一个刚度ki和阻尼ci。 我们确实对角度函数进行了近似为0的所有psi;i角的阶数2。 然后获得以下函数并在等式1中报告：
长度，质量和惯性由人体测量测量并使用由Hanavan（1964）开发的几何模型计算。 该模型通过椭圆和圆柱段的叠加来表示人体。 质量成分基于Clauser等人（1969）报道的回归方程
图3.中继线的集总参数模型的表示。
为了获得五个枢轴模型的质量和惯性，我们将躯干分为一个上部和下部是骨盆部分。 这样得到的值，在从中提取之后，文献中计算所需的长度见表2。
为了计算系统的固有频率和变形振型，将头颈部件的集总参数模型引入到隐式有限元程序ANSYS中。 初始刚度和阻尼值被选择为使得该模型呈现与由Kitazaki以相似固有频率获得的相同的变形模态形状。
图4.表示在自由振动模态分析下获得的4个变形模态形状
为了与Kitazaki提供的实验研究具有相同的配置，我们对模型的所有较低部分（包括腿部和脚部）施加了垂直位移。我们也堵住了头颈关节。进行了两种类型的分析：
bull;自由振动模态分析，允许根据弹性特性的固有频率区分各种变形振型;
bull;允许确定固有频率和阻尼比的真实值的谐波分析
阻尼比。自由振动模态分析使我们能够确定4个固有频率超过1 Hz的变形模态，如图4和图5所示。这种变形振型可与图2中报告的Kitazaki和Griffin（1998）得到的结果进行比较。事实上，另一个固有频率出现在0.38Hz，这对应于Kitazaki未报告的变形模式形状。
所提出的四种模式被认为足以验证模型，因为只有S2，L3，T11和T6中的刚度和阻尼才能被识别。事实上，我们已经在之前的头颈系统模态分析研究中确定了T1关节僵硬（Willinger和Bourdet 2004）。
然后对模型进行刚度和阻尼的参数优化，以便与由Kitazaki等人1998提取的自然频率和阻尼比很好地一致。
总共需要27次迭代才能获得这些参数优化。结果在表3中与实验结果一起报告。
然后将该模型引入明确的FE代码RADIOSS（MECALOG）中。它基于前面提出的集总模型。然而，为了考虑它们的质量和惯性效应，增加了胳膊和腿。
为了减少元素的数量，模型结构被定义为梁单元。代表车后乘员的外壳被网格化并适合于人体模型。表面的几何形状是基于背部触诊的志愿者几何图形。每个片段都被定义为一个刚体。它们的质量和惯性被附加到与所考虑的躯干部分的重心相对应的主节点
只考虑与汽车座椅接触的表面，如图5所示。所考虑的表面包括以下部分：躯干表面（上胸部，下胸部，上下腰部），臀部表面，大腿，腿，手臂和头部。颈部的表面与头部的表面有关。这些考虑的表面对于实现人体与汽车座椅之间的耦合至关重要，这是以下部分的主题
图5.包括矢状面（a）和（b）中的表面的人体头颈部单元的有限元模型
3D视线（b）。
3汽车座椅模型
汽车座椅的数值模拟旨在为后端碰撞情况下的人体模型提供真实的边界条件。 汽车座椅由各种机械元件组成。 座椅的主要部件是：头枕夹，头枕泡沫，靠背泡沫，座椅底座泡沫，靠背弹簧和座椅盖。 座椅的几何形状基于退出的汽车座椅，如图6所示。
图6.汽车座椅的表示。
在这项研究中，泡沫材料和覆盖层的材料行为规律与文献中的材料性质一致。
靠背比座位底部更详细。因此，一个简化的假设包括用一个弹性外壳模拟座椅底座，该外壳旨在限制大腿和骨盆的移动。座椅底座的力学性能已从压缩试验中提取出来，并考虑了线性弹性壳单元，杨氏模量为1000MPa，泊松比为0.3。壳单元的厚度为1.5mm，密度为500g / l。
特别关注座椅的靠背和头枕。靠背框架用壳单元建模。几何结构简化如图7所示。它分为三部分：基础框架被视为刚体;可以变形的座椅框架;而上部框架也被视为刚体部分。座椅底座和靠背框架通过固定在底座上的弹簧相关联。插座固定在上部框架上。
图7.靠背框架的建模。
真正的靠背弹簧由连接到座椅框架的金属丝组成。在模型层面，如图7所示，简化导致带有三个网格带的壳单元。这些插口用壳单元建模并被认为是刚性节段。他们通过弹簧与上部框架连接。以与座椅底座相同的方式，确定靠背弹簧的材料特性，以便在静态负载下具有定性的真实行为。我们因此获得了230MPa的杨氏模量和0.29的泊松比。密度为7.8kg / l，带的厚度为2mm。插座和上部框架之间弹簧的刚度被选择得非常高以被认为是刚性的。
靠背泡沫塑造与3D砖元素。为了使网格均匀化，有必要简化其几何形状。网格如图8所示。泡沫分为
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