翻滚碰撞中基于中国人体尺寸的假人颈部设计和损伤评估研究

The Hybrid III dummy designed by the body size of European and American people is wildly used in rollover test. However, the Hybrid III dummy especially the dummy neck lacks the biofidelity in typical rollover test. As one of the most common injured parts in rollover, studying the neck protection countermeasure of Chinese occupant in rollover has great significance in reducing the number of fatalities in rollover crash. The external body contour data and anatomic structure geometry data of Chinese occupant are collected through 3D scan and CT. The finite element mesh morphing technique based on the Radial Basis Function will be used to develop the Chinese occupant FE model based on the THUMS human FE model developed with the body size of European and American people. The neck injury mechanism of Chinese occupant in rollover crash is investigated in the current study. The bionic structure of neck will be improved to enhance the biofidelity of dummy neck in rollover crash. The suitable neck injury criteria of Chinese occupant in rollover is investigated and targeted to evaluate the occupant injury in real rollover accident. Through the current study, it is expected to advance the update of rollover regulation and the development of special rollover dummy. Results of this study provide an important basis for enhancing the reliability of neck injury evaluation of occupant in rollover crash.

目前，翻滚碰撞试验主要使用依据欧美人体开发的混III系列假人。该假人尤其是颈部在典型翻滚碰撞环境中并不具备足够生物逼真度，而颈部作为翻滚事故中最容易发生损伤部位之一，开展翻滚碰撞中国人体乘员颈部安全保护研究对于减少我国翻滚事故乘员伤亡具有重要意义。本项目拟通过三维人体扫描和CT成像技术分别获取中国人体外部轮廓和解剖结构几何数据，采用基于径向基函数的有限元网格变形技术，以既有欧美人体有限元模型为基础建立中国人体有限元模型，研究中国人体乘员在翻滚碰撞中颈部损伤机理；以动力学机理研究为切入点进行假人颈部模块概念设计和机理分析，通过改进颈部仿生结构探讨可提高假人颈部模块在翻滚碰撞条件下生物逼真度的方法；同时，以实际翻滚事故乘员损伤评价为目标探讨适用于翻滚碰撞的中国人体乘员颈部损伤准则。研究成果可为专用翻滚碰撞测试假人的开发和法规制定提供重要依据，也是提高翻滚碰撞中乘员颈部损伤评估可靠性的重要基础

目前，翻滚碰撞试验主要使用依据欧美人体开发的混III系列假人，该假人尤其是颈部在典型翻滚碰撞环境中并不具备足够生物逼真度。为解决该问题，项目对翻滚碰撞中基于中国人体的假人颈部设计和损伤评估进行了研究。首先本项目利用基于多台Kinect相机开发的人体表面轮廓三维扫描平台和CT 图像数据，采用Procrustes原理对多个志愿者体表模型进行Procrustes校准，经过多次迭代后，完成了中国50百分位人体外部轮廓几何模型和头颈部解剖结构模型的建立，并采用基于径向基插值函数的网格变换方法完成了中国人体有限元模型的建立；在此基础上，开展志愿者试验获取了大量的试验数据，提高了模型仿真精度，并结合有限元仿真结果和试验数据分析了翻滚碰撞中中国人体乘员的颈部损伤机理；以动力学机理研究为切入点进行假人颈部模块概念设计，通过优化设计改进颈部仿生结构提出了可提高假人颈部模块在翻滚碰撞条件下生物逼真度的方法；最后，开展多工况的翻滚碰撞仿真分析，获得中国人体、中国假人在翻滚工况下的动态响应结果，分析了翻滚碰撞中基于中国人体的颈部损伤评价准则。研究成果为研究翻滚碰撞中中国人体乘员损伤提供了关键的评价工具，对后续专用翻滚碰撞测试假人的开发提供了重要基础数据。