不同坐姿六岁儿童乘员生物力学计算模型开发及挥鞭伤研究

此篇文章介绍坐姿角度对颈部挥鞭性损伤的影响，重点在于不同坐姿角度六岁儿童乘员生物力学计算模型的开发、验证及在后碰撞试验中的应用，坐姿角度对颈部运动学及生物力学参数的影响。论文基于经过验证的具有详细解剖学结构特征的六岁儿童乘员标准坐姿（105°）有限元模型开发了120°和135°坐姿生物力学计算模型，进而根据Euro NCAP试验要求建立后碰撞试验有限元仿真模型，分析不同坐姿角度对颈部损伤影响及损伤指标变化规律。该论文为天津科技大学李海岩教授团队的工作，在今年美国汽车工程师学会年会上进行了宣讲。

不同坐姿六岁儿童乘员

生物力学计算模型开发

本团队基于图1所示的经过验证的六岁儿童乘员生物力学计算模型开发了120°和135°坐姿生物力学计算模型。图2展示了坐姿角度为120°的六岁儿童乘员生物力学计算模型开发过程，主要包括旋转中心及旋转轴的建立、上躯干模型的调整、相关组织结构的建立。基于Euro NCAP后碰撞试验要求，建立了如图3所示的不同坐姿后碰撞试验仿真模型。

图1    六岁儿童乘员标准坐姿(105°)有限元模型

图2 六岁儿童乘员120°坐姿有限元模型开发流程

 (a) 确定髋臼中心；(b) 定义旋转轴；

 (c) 删除腹部网格；(d) 旋转上躯干；

(e) 重建腹部网格

图3    后碰撞试验仿真模型

(a) 105°坐姿；(b) 120°坐姿；(c) 135°坐姿

本研究设定和分析了后碰撞试验中三种不同坐姿儿童乘员有限元模型颈部损伤程度，损伤指标包括颈部损伤指数(Neck Injury Criterion, NIC)、颈部损伤值(Neck Protection Criteria, Nkm)、颈部剪切力(Fx)、颈部轴向力(Fz)、颈部力矩(My)、颈椎应力及脊髓应力。我们以此为评价标准比较不同坐姿对颈部损伤程度的影响。

仿真结果与分析

后碰工况中，儿童乘员颈部损伤风险与颈部过度拉伸或过度屈曲相关，因此，本文采用颈部运动学参数及生物力学参数综合分析拉伸阶段及屈曲阶段颈部损伤风险。表1列出了三种坐姿角度下颈部损伤仿真值，并以标准坐姿为基准，探究了坐姿角度对损伤参数的影响。

表1    不同坐姿下颈部损伤参数比较

针对后碰试验，坐姿角度的改变，分力的大小发生了变化，主要表现为随着儿童乘员坐姿角度的增加，颈部轴向载荷增加，剪切载荷减小，且坐姿角度每增加15°颈部轴向载荷增加约0.9g。颈部剪切载荷的降低，减轻了颈部伸展，使得头部反弹时的水平速度降低，颈部屈曲角度减小，因此颈部力矩逐渐减小；运动过程中，由于儿童安全座椅头枕的约束，头部向后移动的水平位移小于头部反弹的位移，因此，颈部屈曲力矩大于伸展力矩。

颈部伸展阶段的相对速度大于头部反弹时的相对速度，导致相对速度峰值均出现在头部后移阶段，但坐姿角度的增加缩短了头部向后移动的距离，因此，在儿童安全座椅的约束下，相对速度呈下降趋势，由于相对速度是影响颈部损伤指数（NIC）的主要因素，所以不同坐姿角度下NIC变化趋势与相对速度相似。

椎体间挤压效应是影响颈椎von Mises应力的主要因素，随着上半身角度的增加，颈椎的伸展程度和椎体间的挤压作用力逐渐减小，颈椎最大von Mises应力呈减小趋势。脊髓损伤主要是由C7和T1之间的相互挤压引起，坐姿角度的增加使头部和胸部的相对速度逐渐降低，因此，脊髓应力峰值与坐姿角度呈负相关。

结论

本研究采用具有详细解剖结构的6 岁儿童乘员三种坐姿有限元模型，加载Euro NCAP规定的鞭打试验加速度曲线。通过分析颈部运动学和生物力学参数，研究了上躯干角度对儿童乘员颈部挥鞭性损伤的影响。通过模拟三组鞭打试验，得出以下结论：

1、在标准坐姿（105°）下，上颈部剪切力（Fx）和颈部损伤标准（NIC）均超过Euro NCAP 规定的高性能限值，颈部存在损伤风险，并且在120°坐姿下，Fx 依旧超过了高性能限值。但是颈部损伤风险随着坐姿角度的增加而降低。

2、通过对颈部运动学参数的分析，发现颈部过度伸展和过度屈曲都会导致颈部挥鞭伤，但颈部损伤的关键影响因素需要对生物力学参数进行深入分析。

3、颈部生物力学评估表明，最大von Mises 应力主要集中在寰椎与枢椎齿突的接触部位（105°和120°姿势）和寰椎后弓与枢椎齿突的接触部位（135°姿势）。通过峰值时刻发现，颈椎和脊髓的峰值应力均集中在颈部伸展阶段，并随着上半身角度的增加而减小。因此，颈椎过度伸展是颈椎和脊髓损伤的主要原因，并且颈椎损伤风险对坐姿角度更为敏感。

参考文献

Li, H., Wang, Y., He, L., et al. Development of Biomechanical Computational Models of Six-Year-Old Child Occupant with Different Sitting Postures and Application in the Study of Whiplash Injuries[C]. SAE Technical Paper 2022-01-0869, 2022, doi:10.4271/2022-01-0869.