考虑斜向载荷和局部变形的假人胸部设计及损伤评估研究

Thoracic injury is one of the dominant causes leading to the fatality of vehicle occupants involved in traffic accidents. Study of thorax safety and protection has great significance in reducing the number of fatalities resulting from vehicle impacts. Crash test dummies are widely used in vehicle crash tests for the evaluation of the effectiveness of occupant restraint system, yet their thorax are commonly designed to function in a quite limited specific loading conditions, not suitable for thorax to oblique loading or concentrated (belt-like) loading. The purpose of current study is to design an innovative dummy thoracic structure with higher biofidelity for potential application in oblique loading and concentrated loading scenario. Using the thoracic modulus, we further propose appropriate thoracic injury criteria using high-biofidelic human body FE model, with reference to the state-of-art biomechanical research achievements and existing crash dummy thoracic structures. The dynamics and mechanism of thorax impact are first carried out to form a basis for thoracic conceptual design and mechanism analysis. This is followed by structural design in detail and finite element model construction. Then the optimal values of the model's critical parameters are determined using an improved equivalent static loading-based optimization method. Based on afore efforts and the achievements, several criteria are proposed to evaluate thoracic injury under oblique and concentrated loading. Through current study, it is expected to advance the update of regulation on the enhancement of vehicle crash worthiness and occupant thoracic protection. Results of this study provide a basis of importance for the investigation of occupant thoracic safety under multiple (or complex) crash loading conditions.

胸部伤害是交通事故中导致乘员伤残和死亡的主要原因之一。开展汽车乘员胸部安全保护研究对于减少交通事故乘员伤亡具有重要意义。碰撞假人是汽车碰撞试验和乘员保护评价的重要工具，但其胸部结构仅为在有限的特定载荷工况下工作而设计，无法正确评估导致较高比例胸部伤害的斜向载荷和局部载荷作用下的胸部损伤风险。本项目拟以胸部碰撞生物力学研究成果为基础依据，参考既有假人胸部结构，借助人体数值有限元模型，进行考虑斜向载荷和局部载荷作用的汽车碰撞乘员胸部损伤评估研究，具体包括假人胸部模块结构设计和损伤评价准则研究。拟以动力学机理研究为切入点进行概念设计和机理分析，之后开展结构设计和有限元仿真建模，采用基于静态等效载荷的优化方法进行优化设计，并开展斜向和局部载荷作用下的胸部损伤准则研究。本项目的研究将为国内外相关法规的制定提供重要依据，也是开展多种碰撞工况下乘员胸部安全研究的重要基础。

胸部伤害是交通事故中导致乘员伤残和死亡的主要原因之一。开展汽车乘员胸部安全保护研究对于减少交通事故乘员伤亡具有重要意义。碰撞假人是汽车碰撞试验和乘员保护评价的重要工具，但其胸部结构仅为在有限的特定载荷工况下工作而设计，无法正确评估导致较高比例胸部伤害的斜向载荷和局部载荷作用下的胸部损伤风险。. 本项目主要开展考虑斜向载荷和局部变形的假人胸部设计及损伤评估研究工作。首先分析了多种碰撞载荷作用下的胸部动力学机制和响应特征，并以此为依据建立了考虑多方向耦合动力响应机制和柔性变形特性的动力学模型。在此基础上，设计了适用于多方向载荷和局部载荷作用的假人胸部模块，并通过加载试验验证了假人胸部模块的有效性，初步实现适用于多方向载荷和局部载荷作用下的乘员胸部损伤研究的相关要求。基于假人胸部模块建立了有限元仿真模型，能够有效用于相关参数的优化设计和损伤评价研究。最后分析了斜向碰撞和局部载荷作用下乘员胸部损伤类型与风险，比较了乘员胸部损伤评价方法与损伤容限，并开发了多种碰撞载荷作用下胸部损伤准则评估平台。. 本项目涉及的假人胸部模块具备一定的多方向耦合动力学响应特性和柔性变形机制，可以用于多方向载荷和局部载荷作用下的乘员胸部损伤研究。事故统计分析发现，当车辆侧向中心受到冲击载荷作用时，斜向碰撞相比纯侧向碰撞更易导致严重及以上损伤，斜向碰撞相对侧向碰撞的相对风险为3.7。建立的多种综合损伤准则，能够反映多种损伤准则下胸部损伤特征。. 本项目的研究将为国内外相关法规的制定提供重要依据，也是开展多种碰撞工况下乘员胸部安全研究的重要基础。