汽车碰撞虚拟试验平台建立及乘员生物力学损伤评价

Human injury in road traffic accidents is a result of complicated factors consists of humans, vehicles and circumstances. There are more and stricter automobile safety regulations with the increase of expectations and demands towards automobile safety. In the research on automobile safety technology, a virtual collision platform is attempted to be used instead of the real vehicle with anthropomorphic test device. It is expected that the injury criterion in the automobile safety regulations can be replaced by the finite element simulation model systems, the virtual collision test becomes essential necessary. On the basis of the previous research, this project proposes the virtual collision test platform of the vehicle, and completes the human biomechanical model, containing the bones and the main organs, the delicate liver, heart and the main arterial sites, the impact of blood pressure on the inner wall of the role. In the virtual crash test of the car, the stress and strain of each part of the human body are obtained. The human injury body is obtained by the biomechanical injury standard, and the safety of the car is evaluated numerically. The research of this project can benefit in shorten the automobile development cycle, reduce the consumption, and accurately evaluate the safety of the automobile by biomechanical model, improve the international competitiveness of the automobile products.

道路交通损伤是人-车-环境复杂因素相互作用的结果，随着对汽车安全的期望和要求越来越高，汽车安全法规不仅越来越多且门槛更高。在汽车安全技术研发中，将逐步用虚拟碰撞试验代替实车和假人系统的碰撞，将来汽车安全法则所规定的损伤准则可逐步由仿生可靠性更高的有限元仿真模型系统取代，虚拟试验变得愈加重要。本项目在已有研究的基础上，搭建汽车虚拟碰撞试验平台，补充完善平台所需的各种精细化人体生物力学模型，不仅包含骨骼及主要器官，还细化易受损伤的肝脏、心脏及主要的动脉部位，考虑碰撞过程中血压对内壁的作用等。在汽车虚拟碰撞试验中得到人体各部分的应力应变，参考医学上人体损伤标准，输出人体器官组织的损伤情况，有针对性地评价汽车的安全性。本项目研究成果能够显著缩短汽车开发周期，减少开发消耗，通过仿真人体模型更加准确真实的评价汽车的安全性，提高汽车产品国际竞争力。

实车安全碰撞试验存在高花费、研发周期长、假人精度低等问题，未来汽车安全法则可逐步由仿生可靠性更高的人体生物力学模型仿真所构建，其中生物力学模型的仿生精度成为关键问题。本项目基于人体解剖学结构分别建立头、颈、胸腔、心脏、肺组织、肝脏及四肢等模型并进行局部验证，随后将其组装成为整体生物力学模型且进行了各种碰撞工况下的有效性验证。项目利用建立的模型，研究了乘员在不同年龄、生理状态下的钝性损伤规律。此外，将乘员模型置于不同型号的车内，进行了不同碰撞载荷工况下的仿真，为车辆的碰撞安全设计提供了优化方向。.主要成果包括：①基于人体医学影像数据建立精细化乘员模型，模型包括头、颈、胸腹及内部器官组织、四肢等结构。与合作单位南方医科大学共同对生物组织进行材料试验，建立合适的材料模型；②利用冲击器及台车碰撞试验验证模型各局部及整体的有效性；③项目特别优化了内脏器官的详细表达，如心脏的腔室、瓣膜、血管的精细化生物力学模型，并经过有效性验证；④采用流体腔、光滑粒子动力学等不同的耦合方法模拟乘员心脏血管内的血流作用，研究了血流对乘员钝性损伤影响；⑤分析了人体不同生理状态下的钝性冲击对心肌、血压及瓣膜的损伤影响；⑥建立碰撞仿真平台。将乘员模型置于不同车辆内，进行各种工况下的碰撞仿真，分析乘员损伤并对车辆结构安全提供建议；⑦提出乘员模型的缩放方法，建立不同百分位人体模型。⑧分析年龄对生物材料的影响，建立老年人体模型，研究了年龄对乘员胸部钝性损伤的影响；⑨对比分析了假人模型和生物力学模型的碰撞响应差异，明确生物力学模型的优势；⑩为了更好的发挥仿真平台的作用，项目还研究了交通事故重建，获取易发生的碰撞形态。利用建立的人体模型对乘员舱的舒适性进行研究。同时对智能驾驶决策进行研究，考虑乘员舒适安全性的驾驶行为。通过本项目的研究，在国内外学术期刊发表了44篇研究论文，其中SCI收录12篇，EI收录21篇，中文核心7篇，会议论文4篇。.上述研究成果构建了考虑血流及生理状态的仿生度更高的人体生物力学模型，通过在不同车辆上的碰撞仿真，研究了车型、碰撞工况、乘员年龄、生理状态等因素对乘员钝性损伤响应，为现阶段车辆安全设计及评价提供了新方法。不仅如此，对道路交通事故、智能车及电动车的研究也对未来车辆及乘员安全研究提供基础。