文摘
碰撞试验假人,汽车碰撞安全测试的一个重要工具,探索损伤生物力学具有重要意义的人,提高汽车的安全性能。本文主要包括四部分:简要介绍损伤机制,早期的实验获取生物力学响应(动物实验,尸体测试,和志愿者测试),和机械假人及计算模型的发展和验证。这个研究发现,当前碰撞试验假人通常是设计基于欧洲和美国,所以他们限制损失的预测其它地区。进一步研究碰撞试验假人需要参与的各国为了发展一个碰撞试验假人符合每个国家的国情。同时,有必要开发假人的弱势群体,比如老年人哑和肥胖的人假。
1。介绍
汽车为人们的生活提供了极大的方便和快速,经济和社会发展做出了巨大的贡献。然而,随着汽车工业的快速发展,交通事故也突然增加,导致大量的人员伤亡和经济损失。根据世界道路安全道路安全全球现状报告》发布的2015年世界卫生组织的数据,可以看出,死于交通事故的人数大约是每年125万左右,这意味着一个人是在交通事故中被汽车压死,每隔25秒便会在全球范围内。交通事故主要原因是15 - 29岁人群死亡的(1]。中国,世界上人口最多的国家,在2015年共有187781个道路交通事故(2]。事故造成的直接财产损失1036.92亿元,其中受伤的人的总数199880 w s和死亡人数是58022人。这些令人震惊的数据都表明,提高居住者的安全保护和减少交通事故造成的伤亡人数已经成为摆在我们面前亟待解决的一个重要问题。
事实上,早在1950年代,为了研究碰撞造成的人体伤害和正确评估实际的受伤的乘客在汽车碰撞,损伤生物力学的研究人员开始研究乘客在汽车碰撞。研究人员使用人类尸体作为代理人收集数据对人体伤害事故造成的碰撞实验,随后采用动物和志愿者作为代理人崩溃。虽然这些实验为碰撞安全提供了有价值的数据,他们逐渐放弃了由于限制等伦理和道德约束,生理功能差异,实验风险和实验非再生性。随着科学技术的发展,碰撞检测device-mechanical碰撞试验假人,被称为人体测量测试设备(ATD)。当虚拟力等物理量,加速度,和速度在一场车祸中,机械响应曲线应该高度安装从人类尸体实验获得的数据。使用碰撞试验假人来执行重复碰撞测试,可以有效地预测损伤位置,居住者可以估计的损伤指标。
本文综述介绍了假人的发展,从四个方面。碰撞试验假人的首先是理论基础,名叫损伤生物力学机制。为了研究损伤机制,研究人员进行了尸体实验,动物实验中,月初和志愿者的测试时间,所以第二个方面是关于生物力学测试。第三和第四个方面介绍机械假人的开发和验证过程和计算模型用于碰撞试验。
2。损伤的标准
碰撞试验假人的主要目的用于代替人类在汽车碰撞是确定损伤程度对人体造成的事故。因此,了解人类的机械性能的虚拟满足损伤机制和对应的危害标准是绝对必要的。目前的研究认为,影响实质性脏器损伤机制的程度可恢复变形或应变的组织远远超出极限(3]。在车祸中,人体接触损伤的主要荷载类型钝的影响。损伤的主要网站的头部,颈部、胸部、腹部、骨盆、四肢的其他部分。为了直观地描述人类伤害条件,根据人体损伤的类型时受到的影响,制定相应的损伤指数。
缩写伤害规模(AIS)(见表1),促进协会提出的汽车医学(AAAM),标准化程度的损伤类型和排名损伤水平。它是目前使用最广泛的碰撞损伤测量。然而,假只能输出结果而非可视化损伤特征参数的影响。因此,重要的是要寻求评估之间的关系人类的严重程度和伤假负载。研究人员安装相应的损伤的风险评估方程通过大量的事故统计数据和实验数据转换成相应的损伤类型和严重程度在现实中(如表所示2)。
在汽车碰撞,最致命的头部损伤来自头骨骨折的影响和脑组织损伤。国家公路交通安全管理局(NHTSA)引起嗝值基于加速度测量伤害人类的最大限制汽车的碰撞。广泛使用的嗝值计算(1)。公式如下: 在哪里和(s)是两个时间点的碰撞加速度曲线。的多个测量重力加速度( ),和合成加速度方程使用三方。它还规定的时差和不能超过36个女士;嗝值不能超过1000(公差极限)。赫兹(4)安装嗝和颅骨骨折的概率之间的关系(AIS≥2)的实验数据,发现50男,颅骨骨折的概率大约是48%当嗝是1000。
颈部损伤已成为最常见的损伤在车祸事故中,也最重要的一个原因主人的残疾。国家公路交通安全管理局(5)提出了指导方针评估颈部损伤车祸额的影响。是由颈部轴向力和力矩 。公式如下所示:
的值可以用来估计颈部损伤AIS1水平。Bohmann et al。6]研究AIS1颈部受伤,声称0.2和0.16的公差极限应该减少长期和短期损失,分别。
当胸部突然减速是因为钝器的影响,损伤机制包括三个主要类型:压缩、粘性负载和惯性负载内部器官。伤害结果可以归类为骨骼损伤和软组织损伤。一般来说,损伤的主要形式是肋骨骨折和肺损伤,以及一个小的机会心伤和主动脉破裂,断裂和破损。胸部综合指数代表了额的胸部损伤判据的影响。压缩加上加速度下的响应。同时,负载安全气囊的主人和主人的安全带的克制效果。CTI的定义是评价3 ms的组合合成加速度的脊椎和胸部的变形量。CTI值计算如下: 在哪里是单峰值( )3的合成加速度女士脊柱;是3拦截女士引用( ); 是最大的胸部变形(mm);和是拦截的参考价值(mm)的变形。
腹部峰值力(APF)阐述了由欧洲ECE R95指南和规则的外力腹部不应超过4.5 kN。
股骨骨折的损伤机制与仪表板碰撞造成的,这常常发生在额在汽车事故,主要是由于轴向压缩(62%),其次是弯曲(24%)、扭转(5%),和剪切(5%)。因为股骨并非完全直,股骨的形状会影响骨折的间接加载。类似于骨折的股骨,胫骨骨折也可以逆行造成的直接或间接的负载。耻骨联合力峰值(PSPF) ECE R95规则,耻骨联合的碰撞力应小于6 kN。胫骨骨折的标准,也被称为胫骨指数,用于评估胫骨受伤。它是由固定铰链约束的计算取决于负载传感器在骶骨的上下位置,所定义的每个力和力矩值。 在哪里指的是轴向压力的小腿(kN);指的是轴向压力阈值; ; 和参考的弯矩和 ;和代表了合成弯矩阈值。
3所示。在早期进行生物力学测试
改善汽车的能力保护主人和减少人身事故车碰撞期间,必须有一个初步的理解在碰撞过程中乘员的生物力学响应。在早期阶段,有三种生物力学测试,探索生物力学响应:志愿者测试,动物实验和人类尸体测试。
志愿者领域的测试中,美国空军上校约翰·斯塔普p是一个著名的先锋。他个人经历了一系列的测试,甚至坐在火箭滑板的速度高达1000公里/小时。他的志愿者测试获得有价值的数据,后来被广泛应用于损伤生物力学,如人体加速度公差数据(7]。然而,碰撞测试有一定的风险,和志愿者测试是不可避免地在低速、轻载条件执行,如头部受伤的研究在低转速(8低速后影响[]和脊柱变形研究9]。生物力学研究在高速、重载条件下,志愿者测试显然是不合适的。
为了研究生理反应在重负载情况下,一些学者进行了生活实验动物。1980年,小野et al。10]住猴子头的影响进行实验,发现影响加速度、接触面积的影响,其他因素会影响头部受伤。当一只猴子的大脑遭受骨折,公差值在一个危险的阈值。结合所得数据与人类尸体头颅冲击试验的结果,可以推导出人头公差影响阈值。1981年,12所使用的麻醉男猪Kroell et al。11]研究胸部损伤机制、损伤等心血管破裂,肺挫伤和骨骼骨折。研究结果强调了加载速度的重要性确定胸部钝的总体严重程度的影响。虽然动物实验可以提供一个生物反射基础上,动物体重分布和形态特征不同于人体。因此,动物实验的结果是有限的推广价值。
一般来说,新鲜的人类尸体是一个更好的替代损伤生物力学研究的影响,并有相应的尸体测试调查的反应的身体部位(头部、胸部等)。霍奇森和帕特里克。12)发现,当尸体的头收到了正弦振动输入,头骨的模式频率对应于弹簧-质量系统。针对这一发现,他们提出了一个方法比较尸体头回应弹簧-质量系统。Kroell et al。13,14)进行了一系列的测试来研究尸体的胸部的反应。23日尸体样本不同年龄的、高度和重量选择用于测试。设计的质量和速度撞击在各种组合适用于测试。这些测试获得宝贵的胸部响应数据。
在上述志愿者的测试中,动物实验,尸体测试,有重大缺陷,如实验风险,身体差异,和违反道德。因此,开发一个新的人类替代申请车辆冲击损伤生物力学研究是很重要的。替代模型应该有相同的结构,规模、质量分布,影响人体运动特征相比。碰撞试验假人是这样一种代替人体碰撞测试。它是由各种材料,如钢铁、铝、橡胶、聚合物和配备多个加速度传感器、力传感器、扭矩传感器和位移传感器记录的响应。
4所示。机械的假人
4.1。发展
1949年,第一个假是用于美国空军;经过多年的发展,假人广泛使用,以代替人体在汽车碰撞测试。根据类型用于碰撞假人假可分为正面影响,侧面碰撞假,假后的影响。表3列表碰撞试验假类型及其应用条件。为了更好地理解机械假人的发展,以下详细描述了虚拟的每个系列的开发过程。
以下4.4.1。额影响假
在1971年,陆军研究实验室和塞拉合作开发混合动力我假。这种模拟可以用来测量头部和胸部三轴加速度和股骨负载。1972年,美国汽车巨头的支持,fts(第一技术安全系统)开发了混合二假(15]。许多地方被重新设计实现更好的结果:头部和颈部接口更解剖,改善颈部山模型促进了头运动学的再现性,以自我为中心的肩膀和改善肩膀载荷分布产生了更多的可重复的反应,并降低躯干与丁基橡胶腰椎改善整体的可重复性。一般来说,其主要改进混合我虚拟设计良好的耐用性和可重复性。1973年,ATD 502哑了。通过改进材料和定位结构,虚拟实现更接近人类的坐姿和更好的可重复性。虽然ATD 502假犯了一个很大的进步,仍缺乏各个部分的生物力学响应。1976年,通用汽车(GM)取得了显著改善颈部,胸部,和膝盖的混合二世和ATD - 502开发混合动力三世假,biofidelity和损伤预测的测量能力已经提高。如今,混合三世假已广泛应用领域的汽车碰撞测试,包括50成年男性假,95成年男性假,和第五成年女性假人。混合三世50成年男性假是目前使用最广泛的模拟在不同的国家。联邦机动车辆安全标准(208年FMVSS)明确规定,混合三世50假被指定为额影响虚拟汽车碰撞测试。
雷神虚拟项目已经由国家公路交通安全管理局(NHTSA)自上世纪的美国。目前,改善THOR-M假已经合格的进入市场和欧元NCAP正在考虑使用THOR-M虚拟未来额影响测试。与混合三世假相比,THOR-M假有更好的损伤预测能力和有更人性化的特点。例如,THOR-M模拟传感器安装在测量面部受伤的脸额崩溃,而混合三世假等无法预测的风险。两个钢丝弹簧阻尼器添加到脖子模拟头部旋转延迟。脖子上的灵活性更接近人类的特点。总之,THOR-M模拟提供了更多的身体损伤比第三混合仿真和测量数据将会广泛应用于未来的正面冲击试验。
4.1.2。侧面碰撞仿真
在1970年代末,密歇根大学和国家公路交通安全管理局联合开发的世界上第一个侧面碰撞假SID开发根据50美国男性16,17]。其头部和颈部保留了结构在混合二世和泡沫部分而不是省略了手臂的躯干。SID的胸部不能模拟人类的胸部响应的材料没有弹性在水平方向上。
SID假发展,欧洲还推出了侧面碰撞假人的开发工作。1978 ~ 1982年期间,三个假人由4月,国家统计局,分别和米拉(18]。虽然这些假人不能获得所需的横向冲击响应,他们提供了原型为新虚拟EuroSID侧的影响。EuroSID-I发达是根据欧洲男性大小在1980年代中期。
SID和EuroSID评估由国际标准组织(ISO)被发现没有足够biofidelity [19]。在应对这一结论,biofidelic侧面碰撞假名叫BioSID是由通用汽车和汽车工程师协会(SAE) [20.]。头部、颈部、肩膀、胸部、腹部和骨盆BioSID有很好的biofidelity的碰撞。SID-IIs是在1995年开发的,代表一个5小女性。2000年,EuroSID-II (es 2)根据EuroSID-I开发和升级;很多变化都是在原来的结构,例如,一个负载传感器被加入到头颈直径表面接触,减少摩擦系数锁骨和安装板之间,增加了一个新的底板与负载细胞,等等。
1997年,ISO发起的发展更biofidelic侧面碰撞假人:WorldSID假。WorldSID仿真是基于人的中等大小。再现性,耐久性,灵敏度大大提高相对于其他假人。
4.1.3。假后影响
在1990年代,一个财团由查尔默斯大学,沃尔沃汽车公司,萨博汽车发展成立的新虚拟BioRID用于后面的影响(21]。BioRID虚拟设计代表50男性在欧洲,及其与人类脊柱曲线拟合良好。24个独立的椎骨的脊柱由;脊柱将执行实际的运动时面临着冲击载荷。与混合三世假相比,BioRID仿真更接近于人类特征的脖子和椎骨(16]。因此,它是更现实的模拟人类反应后追尾后碰撞事故。
它可以从假人的发展,各种各样的假人进行持续改进,这样虚拟的每个部分的反应可以越来越接近人体的反应。然而,大多数这些假人设计基于男性的大小在欧洲和美国。但人体的大小变化很大的国家。例如,50在中国男性的身高和体重是167.8厘米,59公斤(GB 10000 - 1988),这些值不同的混合III(175.5厘米和65.5千克)。此外,中心位置,转动惯量,人体的各个部分的旋转半径密切相关人体的身高和体重。在这方面,仿真可以预测能力有限受伤的人不是欧洲和美国。
4.2。验证
作为车辆碰撞安全的关键设备检查、碰撞试验假人不仅必须类似于人体结构的外形尺寸和质量分布,但与此同时,机械响应的主要部分的假也应该相同高度的生物反应类似于人体的一部分。相似性越高,就越容易得到一个更精确的损伤评估。因此,它是非常重要的人工模拟仿真。额等不同的碰撞条件的影响,影响,和后方的影响,受伤部位的主要部分不是完全相同的,受伤的形式是不同的,和方法的验证biofidelity假也是不同的。根据碰撞的类型,下面介绍了验证不同的假人。
4.2.1。准备额影响假
在额叶的影响,身体的最脆弱的部位是头部,颈部、胸部、和膝盖。混合III是应用最广泛的虚拟世界各地的额影响,它已经完成各个部分严格的测试,以验证biofidelity假;福斯特(15详细验证过程的头部,颈部,胸部,和膝盖。头验证,头从376米高的位置平面刚性钢板,三个加速度测量头的重心,和加速度的方向是互相正交。三个加速度的合成是最后头的反应。验证、颈部颈部生物力学响应可分为弯曲和扩展测试。整个虚拟约束进行雪橇测试,和角响应获得高速电影,而假的脖子负载转矩响应测量的传感器。对于胸部验证,每个虚拟“坐在”放在一个平面上与上、下肢和肋骨平行阀座表面,弹道摆撞击器重4.3公斤了胸骨的中心与冲击速度4.3和6.7 m / s。乘以撞击器质量和减速,胸部能获得冲击力。电位计是用来测量相对于胸椎胸骨,这被称为胸部偏转。为每个大腿膝盖验证,需要安装水平和有一个角之间的1.15弧度大腿和小腿;三摆撞重达0.5公斤,1.0公斤,1.5公斤被用来影响股骨的膝盖沿轴,分别和减速的影响可以通过测量轴加速度计安装在撞击器。 Knee impact force was obtained from the product of pendulum mass and deceleration. The responses of the four parts of the validation were compared with the cadaver data obtained by Hubbard and Mcleod [22),默茨et al。23],Neathery [24],Horsch和帕特里克(25第三,混合的反应假都分布在尸体的数据的范围。
4.2.2。侧面碰撞仿真
当汽车受到碰撞,人体最脆弱的部分是头部,颈部、肩膀、胸部、腹部、骨盆,每个部分需要验证。ISO已经评定量表评估的biofidelity假如表所示4。谢勒et al。26根据ISO)进行测试来判断假人。的头部,颈部和胸部验证、测试过程是类似的虚拟额影响,除了实验参数不同,如头降至200米,而不是376米,用于颈部的雪橇验证改为6.9和5.8 m / s,和摆锤撞击的影响方向改变。肩膀和骨盆,这些地区主要受冲门的影响;进行了验证测试,刚性摆撞被用来在一定速度的影响。
从表可以看出5,所有的侧面碰撞假人接受biofidelity。biofidelity WorldSID许多地区表现良好的比较,和WorldSID是唯一的侧面碰撞假人能“好”水平的整体性能。最前面的侧面碰撞测试使用ES-II假人。现在,WorldSID已成为U-NCAP侧面碰撞测试假,由于其良好的biofidelity - ncap和其他规定。
4.2.3。假后影响
BioRID的验证是由比较效益的响应数据和志愿者数据。Davidsson和林德在早期验证的研究做出了很大贡献;他们进行了验证测试类型在不同冲击速度的不同影响。例如,林德et al。27评估BioRID]雪橇进行测试。测试中使用的雪橇是由压缩空气,和雪橇的加速度脉冲是可控的。pmh数据相比,虚拟被暴露在改变速度( )10和15公里/小时,而与志愿数据相比,虚拟受到的最大加速度在10公里/小时。水平加速度和位移的头部和胸部,颈部力量被选为比较指标。BioRID相关的反应与志愿者和效益数据,这表明BioRID可以作为一个敏感的工具后的影响。
颈部时最容易受到损伤发生在尾端的影响;一些研究人员关注这部分。小野和Kaneoka28),Davidsson et al。29日],Geigl et al。30.)使用志愿者测试来获得人类的脖子受伤后端数据的影响。Foret-Bruno et al。31日]分析了损伤状态和头部和颈部的运动形式和相应的第三部分的混合仿真的postimpact模式。结论是颈部僵硬的混合三世假非常不同于人体。
从这些实验结果,目前使用的现有虚拟模型拟人化碰撞试验假人能体现人类的反应在一定程度上,但他们在biofidelity是有限的,在他们的应用程序类型。进一步改善现有的物理模拟研究是必要的。
5。计算模型
如今,商业机械在碰撞测试假人是昂贵的和消耗巨大。只有大公司和研究机构有财力购买物理为研究汽车碰撞安全假人。随着计算机技术的不断发展和数字化方法,可视模型在计算机也广泛用于汽车碰撞仿真。目前,该模型用于研究主要包括车祸multirigid模型和有限元模型。Multirigid身体模型是基于多体动力学理论。工程师使用简单的飞机和椭圆体模拟人体的各种结构和构建成人身体模型,使用ADAMS参数化和其他软件来分析。有限元模型用有限元法的原则来建立模型。有限元法的本质是整个研究对象离散化。相比之下,更详细的有限元模型,以便它可以调查当地的变形和应力分布。因此,有限元模型的应用更广泛。
5.1。传统的有限元模型
有限元模拟车祸的研究起源于1970年代末。一些公司已经开发出公认的有限元仿真模型,如ERAB,埃塔,fts, ARUP,脂肪32]。基于上述机械假人,假人有限元模型可以由五个步骤33]。首先,捕捉机械假人,3 d扫描的几何图形。其次,翻译获得几何图形CAD数据。第三,表示与3 d模型意味着生成有限元网格的元素。第四,开发单一组件。最后,验证模型;验证过程是一致的机械傀儡。最近的进步计算机硬件技术和软件的发展已经使人们有可能开发详细的有限元模型,通过增加模型的结构细节,细化网格密度,改善材料性能改进有限元模型的计算精度。如今,商业机械假人都有一个相应的有限元仿真;最知名的有限元模型是由罚球。
许多学者也验证了有限元假人通过比较与物理测试或规定。2002年,误et al。34)说明了建设和验证混合三世假详细有限元模型。胸部模型的仿真结果,模型,和颈部模型与机械虚拟测试根据联邦法规的代码。胸部加速度和加速度的时间历史与物理测试的结果显示,合理的协议。2007年,弗里德曼et al。35)执行落差测试使用混合三世有限元仿真比较上颈部力量测试发布机械虚拟测试。结果表明,有限元模型显示了良好的协议与测试响应翻转事故环境。2013年,田中et al。36]研究了外力的关系使用WorldSID FE模型肩膀和胸部受伤。根据坐姿和影响的位置手动执行CAE,之间有一个好的协议CAE仿真结果和物理测试结果。2017年,第五百分位雷神的有限元模型比较与biofidelity走廊从头到脚(37]。胸腔调查影响响应峰值可以符合biofidelity走廊。
5.2。人体模型
自1990年代以来,为了更详细地研究人类的伤害,学者们逐渐开始探索biofidelic人体模型。人类基于人体模型的几何尺寸和拟人化的物质属性。它可以预测人类伤害如骨骼骨折,内脏器官损伤,脑组织的应力分布,皮肤挫伤。有几个可用的全身人体模型,包括H-model [16),福特人体模型(38威诺娜州立大学,人类模型、腐殖萨姆和GHBMC模型。后者四个模型是相对广泛使用。他们描述的发展,分别如下。
在过去的20年中,韦恩州立大学(华盛顿州立大学)生物工程中心一直致力于发展的有限元模型如图1。自1993年以来,人类skull-brain FE模型叫做WSUBIM模型开发。WSUBIM模型的初始版本被设计用来模拟人类头上的基本解剖(包括头皮、脑脊髓液、硬脑膜,旁矢状面的桥接,静脉窦,三层头骨,灰质、白质、小脑、镰,pia,小脑幕,脑干,和心室)和促进头部受伤机制的进一步研究39];该模型能够预测大脑的灵敏度的影响从不同的方向和位置的影响脑弥漫性轴索损伤(DAI)的大脑。此外,滑动界面添加到模型来模拟物质之间的相互作用和脑脊髓液40]。介绍的滑动界面,模型能够预测大脑的相对位移时间历程。响应数据可能与压力和接触力数据,那鸿书(41]。基于以前的工作,更详细的WSUBIM模型开发。网格的密度进一步提高,和模型元素的数量从41354年到314500年,当节点从32898增加到28180042]。新的详细的模型能够模拟在高旋转加速度条件12000 rad / s2验证和发布尸体的测试数据(41]。威诺娜州立大学也研究了其他先进模型涉及人类的胸部(43),脖子44),和腹部45),验证实验中心的实验证实了威诺娜州立大学的。威诺娜州立大学人类模型有许多工人和机构作为自身发展的基础和研究(福特、通用汽车、日产、丰田、ESI, Mecalog,等等)。
21世纪之初,丰田汽车公司开发了一种新型的全身有限元假人叫萨姆(47]。根据获得的数据通过施耐德et al。48),萨姆首次缩放以适合50百分位的美国男性的基本模型和一些详细的模型(头/脸、肩和内部器官)。基本模型完全包含60000个节点,1000材料,和83500个元素;固体元素被用来代表了松质骨皮质骨建模时使用壳元素;有骨头之间的韧带连接,滑动界面中定义的接触面积;整个模型没有机械接头(49]。几个模拟与尸体的测试的数据进行比较来验证影响反应的部位(50,51]。模型已成功用于损伤重建和复制多个乘员的伤害,如骨折和韧带破裂,但是这个模型的内部器官与均质材料熔融形成连续有形的属性,这意味着内部器官不单独建模。为了扩展模型的可预测的范围,研究团队为这些问题改进大脑和内脏结构(52]。的萨姆Ver.2.0模型个人内部器官包括支气管、气管、肺、心脏、隔膜、肾、主动脉,腔静脉,脾、食道、肺、胃、胰腺、小肠、肝脏、和十二指肠。这些个别器官构成呼吸系统、循环系统和消化系统。至于大脑模型,一个2 d /大脑模型被开发,他们得出的结论是,建模沟的大脑会影响预测脑损伤的发生。然后在2007年,萨姆Ver.3.0与大脑一个3 d模型组成的头骨,大脑和皮肤是发达;灰质,白质脑脊髓液(CSF)、小脑和大脑都包括在内。头/大脑模型对三大系列的测试数据验证,平移和旋转的加速度在应用于重心(CG)的头53]。然后在2012年,萨姆Ver.3.0主要是在以下方面改进(54]:模型添加了一些详细的部分,如内部器官和下肢长骨。此外,整个身体的肌肉被添加,即使在复杂的零件如肩膀、胸部、腰椎棘突。此外,头骨和大脑之间的差距被淘汰的头骨底部更准确地代表头部和大脑的解剖学。这些特性被比较验证响应与尸体和志愿者测试数据从以前的文献[55- - - - - -57]。更新后的萨姆与一辆雪橇模型被用来研究肌肉激活水平和激活时间有不可忽视的影响司机的运动学和损伤的结果。更新后的萨姆是一个有前途的工具用于意外伤害重建。为了满足现实世界的汽车事故预测的需要,因素包括身体大小,年龄,性别被认为是由研究团队。因此,一个小5百分位女性萨姆模型(58)和一个6岁的孩子萨姆(59先后开发如图2。
自1999年以来,腐殖(如图3)发起,由欧盟委员会(European Commission)在工业和材料技术(IMT)项目(Brite-EuRam III),实验室(实验室Accidentology和生物力学标致雪铁龙雷诺)参与了肩膀和胸腔啮合过程(60]。旨在开发一个精致的人体模型,可以被广泛接受的防撞性社区,几何收购任务的基础。通过切片冷冻尸体,491图片,包括欧洲50百分位男性获得详细信息。后三维几何重建和啮合的过程中,模型的部分已经验证通过比较结果文献[13,61年- - - - - -63年]。然后进一步研究肌肉紧张如何影响身体的反应被志愿者进行实验(63年]。腐殖模型被验证具有预测能力颈椎创伤和其他类型的创伤64年]。人体被修改研究胸部变形之间的关系和肋骨骨折的数量。然而,结果表明,肋骨的最大峰值应变不正确预测肋骨骨折的数量(65年,66年]。
致力于创建世界上最biofidelic人体模型计算,全球人体模型财团(GHBMC)开发了一个全身50百分位男模的CAD模型,而被称为“GHBMC模型(如图4)。Gayzik et al。67年,68年)描述了人类生活的数据采集和建模过程26岁的男主人(174.9厘米,78.6公斤,体重指数:25.7)。七十二扫描进行了使用三个医学成像模式(CT、MRI和正直的MRI);超过300个人的组件(比如骨头(没有薄的皮质骨结构)、器官(头、胸、腹部等),船舶(没有薄壁容器)、肌肉、软骨、纤维软骨,韧带,肌腱(没有组织)生成通过细分来表示人体解剖学。组件级别的模型验证,包括腹部(69年],颈椎[70年,71年],脚和脚踝[72年),和头部(73年]。然后全身进行验证,在远端条件下,片瞳et al。74年)验证的全身反应GHBMC模型运动学行为灵敏度相比六pmh测试数据75年),包括几个部分如肩、头,骨盆和腹部。在横向雪橇和横向下降条件下,Vavalle et al。76年)评估的全身反应GHBMC模型在胸,腹部和骨盆区域,发现胸腔和腹部区域显示一个好的biofidelity。公园等。77年GHBMC]相比,影响部队和运动学数据的肖等获得的效益。78年)的冲击速度4.3±0.1 m / s和评估的biofidelity GHBMC通过相关分析。从结果,可以得出结论,肩膀GHBMC模型的相关性与效益很差,这意味着肩区域需要改进。为了提高肩部区域,两个修改肩有关肌肉和脂肪组织的材料属性和三种改进建模技术引入到重新定位模式,公园等。79年];敏感性分析表明,这些修改显著影响修改模型的响应和肩区域显示biofidelity更好。研究还表明,适当的初始姿态模型的峰的肩膀偏转导致更少的错误。其他研究人员也意识到biofidelity初始姿态模型的重要性,和一些研究进行了重新定位。Marathe et al。80年)提出了一个spline-based技术来定位人类模型的矢状面;基于这一研究结果,提供了不同的三次样条函数在颈、胸、腰椎Chhabra [GHBMC模型的81年,形状可以更好地预测屈曲控制,绑架,扭曲的人体通过移动控制点。乔et al。82年]contour-based变形技术应用于下肢(包括踝关节、膝关节和髋关节)GHBMC模型。Nonintersecting轮廓勾勒出重要的骨架;德劳内三角测量方法被用来将一个三维空间分成小四面体,和最后一步涉及轮廓变换基于所需的输入,并预计要点可以转换使用相同的参数。这种技术可以大大提高计算效率和保证计算精度的同时。上述研究几乎是大约50百分位男性模型;事实上,建立第五百分位女性GHBMC模型也列为项目的一部分;医学成像数据采集的过程和CAD模型的建立是一样的男模。第五百分位女性已建立的初始版本(83年),但还需要更多的验证工作在未来的研究。
它可以从这些人类的发展模型,模型正在开发的方向逐步复杂化和人格化。然而,模型网格的细化和细胞的增加,计算时间变得越来越长。此外,几乎所有现有的人体模型是基于欧洲和美国人设计的,有限制来预测不同性别的人的车祸受伤,不同的国家,不同的物理特性。
6。结论
在这篇文章中,机械假人的开发和验证过程,相关的有限元模型、和人类模型详细介绍了基于损伤生物力学的发展。从上面的描述可以看出(1)现有的商业碰撞试验假人是基于欧洲和美国的人类特征。从损伤机制的角度,他们不能代表其他国家的一般的人类特征。为了更好地保护乘客的安全,改善损伤预测的准确性,每个国家都应该努力开发一个碰撞试验假人,符合本国国情的人类特征(2)大多数现有的假人模型是基于男性的身体。然而,在真正的碰撞、老人、肥胖,矮女人更容易受到伤害。在随后的模型建立,人民的多样性类型,大小和年龄可以考虑
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
作者要感谢国家自然科学基金杰出青年学者(批准号51505181),中国博士后科学基金资助项目(没有。2016 m590256),省级学校的先进制造业项目建设吉林省(没有。SXGJSF2017-2)和智能制造的科学与技术项目在天津天津科委(不支持的。16 zxzngx00100)。