汽车碰撞生物力学

在40%左右。在日本，由正面碰撞（包括斜碰）所 造成的死亡人数更是占到了总死亡人数的71.6%。 在正面碰撞过程中，人体头部主要是在自身惯性力 作用下与方向盘或仪表盘等车内介质的激烈碰撞中 造成的严重损伤，如颅骨破裂或颅内出血等症状； 颈部在惯性载荷作用下，由于过度向前弯曲或向后 拉伸造成损伤；胸腹部由于与安全带接触，安全带 的勒紧力以及由自身惯性而导致的与方向盘等外物 的钝性冲击力是造成胸腹部损伤的主要原因，一般 会导致胸骨、肋骨断裂，胸腹内出血等症状；下肢 的损伤主要是由膝关节及腿部与仪表盘下端的猛烈 撞击，产生超过腿部生理限度的弯曲应力和张应力 而造成的。 大量交通事故的统计数据表明，相对于乘员的 其他身体部位而言，头部、胸部、腹部的伤害是正 面碰撞发生时最主要的伤害形式，同时也是造成死
2012 年第 25 期 （总第 232 期）
NO.25.2012 （CumulativetyNO.232）
浅谈汽车碰撞生物力学
徐 维 1 贺岩松 2
(1. 重庆南开中学， 重庆 400030 ； 2. 重庆大学机械工程学院， 重庆 400044)
文章介绍了汽车被动安全性和汽车碰撞生物力学的概念及其研究内容，包括正面碰撞中人体的伤害机 摘要 ： 理、人体各部位的伤害指标及耐受极限，并对汽车碰撞生物力学的研究方法做了阐述。 汽车 ； 被动安全性 ； 碰撞 ； 生物力学 ； 假人 关键词 ： U460 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1009-2374（2012） 25-0096-03 中图分类号 ：
在所有汽车交通事故中，与碰撞有关的事故占 90%以上，汽车发生正面碰撞（包括斜碰）的概率 96
分级方法：简略伤害分级（AIS）、最大伤害分级 （MAIS）、严重伤害分级（ISS）、乘员伤害分级 （OIS）和致残损伤分级（IIS）。目前被普遍使用 的是由美国汽车医学协会（AAAM）提出的简略伤害 分级（AIS），AIS将伤害水平从“没有伤害”到 “最大伤害”依次分为0～9级，用来衡量对生命的 危险性，很适合交通事故中人员伤害程度的确认。 伤害定量测量是在实验室碰撞试验中，通过测 定碰撞假人的动力学响应（加速度、力、位移等） 计算出伤害指标，用以定量地评价人体在碰撞过程 中的安全性。通常使用的如头部伤害指标HIC、胸 部3ms加速度、胸部压缩量、粘性伤害指标VC、小 腿骨指标TI等。
1 概述
汽车的行驶安全性包括主动安全性和被动安全 性。主动安全性是指汽车本身防止或减少道路交通 事故发生的性能；而被动安全性则是指交通事故发 生后，汽车本身减轻人员伤害和货物损失的能力。 汽车被动安全性又分为汽车内部被动安全性（减轻 车内乘员受伤和货物受损）以及外部被动安全性 （减轻对事故所涉及的其他人员和车辆的损害）。 汽车被动安全性主要包括车身结构抗撞性、碰 撞生物力学、乘员约束系统三方面。人体组织在碰 撞过程中所包含的有关力学称为碰撞生物力学，它 是汽车被动安全技术开展及人体防护研究的重要基 础，主要目的是了解伤害机理，定量描述人体生物 力学响应，开发与人体生物力学特性相似的碰撞实 验假人，用以精确评价人体损伤并开发保护系统。
2 碰撞生物力学的研究内容
碰撞生物力学主要研究人体各部位在不同形式 碰撞中的伤害机理、对碰撞载荷的机械响应特性及 伤害极限等。
2.1 正面碰撞中人体的伤害
亡事故频率最高的三个部位。
2.2 人体伤害评价方法
人体伤害评价可分为伤害分级和伤害定量测量 两类。 伤害分级是从解剖学的角度评价说明受伤位 置、伤害类型和相应的伤害严重程度。在交通事故 调查中确认乘员伤害程度，主要有以下几种伤害
1 t2 HIC a dt t2 t1 t 1 t2 t1
2.5
式中： t1 —碰撞过程中的任意时刻； t2 —相对于
t1 ，HIC达到最大值时刻；a—头部质心加速度（g）。
HIC评价指标已被各国的法规广泛采用。为了 使用方便，最大间隔时间（t 2 －t 1 ）定为36ms，但 由于这个时间间隔大大影响着HIC的计算，后又被 建议减少至15ms。 2.3.2 胸部伤害指标。对于胸部伤害情况的 评价，通常用胸部压缩量来表明胸部骨折的情况或 将作用在上胸部重心处的时间为3ms的线性加速度 值作为衡量人胸部受伤的严重程度。Kroell等人在 前碰死尸试验的基础上提出胸部挤压指标C，在此 基础上，Lau和Viano通过对活体动物试验提出了粘 性指标VC（Viscous Criterion），反映了速度变 化对胸部损伤的影响。 2.3.3 腿部伤害指标。对于大腿的伤害，在 各国的法规中普遍采用大腿所受的轴向力来评价。
2.3 人体各部位的伤害指标
2.4 正面碰撞中人体的伤害极限
人体的伤害极限（耐受度）定义为人体或人体 某一部位对于一个特定的伤害等级所能承受的载荷 大小。美国和欧洲根据由实验假人测得的各种伤害 指标出台了相应的政府法规来设定对约束系统的性 能要求，加强对乘员的保护。我国也参照欧美法规 在1999年颁布了相应标准。
3.2 机械模型方法
2.3.1 头部伤害指标。1960年，美国韦恩州 立大学的Lissner提出了直线加速度下头部耐冲击 性的韦恩州伤害标准WSTC曲线，后由Patrick做了 修正。在此基础上又提出较为完备的头部伤害标 准HIC（Head Injury Criterion），HIC采用下式 计算：
3 碰撞生物力学研究方法
模型研究方法。
3.1 生物模型方法
生物模型方法主要是指用生物实体来研究人体 损伤机理和确定耐受极限，既可用人体试验也可用 动物试验来实现。在早期的研究中，科学家最初用 活体动物（猴、猪等）作为实验品，但由于它们与 人体相差很大，所获得的数据不能让人满意。人体 死尸虽然是理想的实验品，但由于其伤害忍受极限 及生物力学响应方面的特性随年龄和性别的变化较 大，不易形成统一的标准。在低速或危险性不大的 情况下，也有通过志愿者进行实验得到更为真实的 实验数据。