小偏置碰撞工况下假人与人体模型的碰撞响应对比

Comparison of Collision Responses between Dummies and Human Model in Small Overlap Frontal Crash

摘要

为探究混合Ⅲ（Hybrid Ⅲ）假人与人体乘员约束测试装置（test device for human occupant restraint,THOR）在小偏置碰撞试验中的生物逼真度差异，对比分析了Hybrid Ⅲ假人、THOR和人体安全模型（total human model for safety,THUMS）3种乘员模型在不同小偏置碰撞模式下的碰撞响应情况.采用有限元数值模拟方法，以吸能与侧滑两种典型小偏置碰撞模式的整车模型在碰撞过程中的脉冲曲线作为边界条件；结合包含完整内饰结构的某中型轿车驾驶舱模型和Hybrid Ⅲ假人、THOR以及THUMS，构建驾驶员侧约束系统仿真模型，分析小偏置碰撞过程中乘员模型的运动学响应与损伤风险差异.与Hybrid Ⅲ假人相比，THOR躯干的整体运动趋势与THUMS近似.在损伤方面，THOR头部、脑部和下肢部位的损伤风险与THUMS更接近. THOR胸部整体压缩量要高于Hybrid Ⅲ假人和THUMS 10 mm左右；颈部损伤风险大体介于Hybrid Ⅲ假人和THUMS中间，更接近THUMS.结果表明，THOR在小偏置碰撞过程中表现出的运动趋势与预测损伤风险的能力与THUMS更接近，与Hybrid Ⅲ假人相比，在小偏置碰撞过程中展现出了更高的生物逼真度.

Abstract

To investigate the differences in biofidelity between the Hybrid Ⅲ dummy and the test device for human occupant restraint （THOR） in the small overlap frontal crash tests， the collision responses of three occupant models： Hybrid Ⅲ dummy， THOR， and the total human model for safety （THUMS） were analyzed and compared under various small overlap frontal crash modes. This research employed a finite element numerical simulation method， utilizing pulse curves from whole-vehicle models in two typical small overlap frontal crash scenarios： deformation and sideswipe as boundary conditions. A driver-side restraint system simulation model was developed by integrating a passenger vehicle cockpit model with complete interior structures and three occupant models （Hybrid Ⅲ dummy， THOR， and THUMS）， enabling analysis of kinematic responses and injury risk disparities during a small overlap frontal crash. The overall forward movement of the torso of the THOR was similar to that of the THUMS model compared with that of the Hybrid Ⅲ dummy. The head， brain， and lower limb injury risks of THOR were closer to those of THUMS. The overall chest deflection of THOR was approximately 10 mm greater than that of Hybrid Ⅲ dummy and THUMS models. The risk of neck injury of THOR was roughly between the risk of neck injury in Hybrid Ⅲ dummy and THUMS models， and was closer to the THUMS model. The results indicated that the kinematic behavior and injury risk of THOR in a small overlap frontal crash were more closely aligned with those of THUMS model. Compared with Hybrid Ⅲ dummy， THOR demonstrated higher biofidelity in a small overlap frontal crash.

Graphical abstract

关键词

Hybrid Ⅲ假人 / 人体乘员约束测试装置 / 人体安全模型 / 生物逼真度 / 损伤风险 / 碰撞测试

根据相关统计研究，在所有造成乘员死亡的正面碰撞事故中约有25%来自小偏置碰撞工况（重叠率低于30%）^［1］. 为减少小偏置碰撞造成的乘员伤亡，美国公路安全保险协会（insurance institute for highway safety，IIHS）发布了小偏置碰撞测试规范，这是目前最严苛的汽车测评工况之一^［2］. 中国保险汽车安全指数（China insurance automotive safety index，C-IASI）中将小偏置碰撞测试纳入乘员安全指数评价^［3］.

当前，小偏置碰撞测评体系中仍沿用Hybrid Ⅲ假人来评估车辆在极端工况下的乘员防护效果. 然而，随着消费者对安全性能要求的提高以及测试体系的进步，使用生物逼真度更高的THOR逐渐成为汽车碰撞测试规程的发展趋势^［4］. 美国国家公路交通安全管理局（national highway traffic safety administration，NHTSA）发布了THOR 50th男性假人的损伤标准，以支持美国新车评估计划（United States new car assessment program，US-NCAP）将THOR纳入正面及正面斜向碰撞测试中^［5］. 欧洲新车评估计划（Euro new car assessment program，E-NCAP）在移动渐进式可变形壁障正面冲击测试中使用THOR代替Hybrid Ⅲ假人^［6］.

THOR的开发与评估历时近二十年，诸多研究者对THOR与广泛使用的Hybrid Ⅲ假人的生物逼真度进行了比较. 乘员安全研究合作伙伴关系（occupant safety research partnership，OSRP）的假人评估工作组在NCAP全尺度正面碰撞和IIHS偏置可变形壁障碰撞测试中对比了THOR和Hybrid Ⅲ假人的表现^［7］. 所有测试中，THOR的头部峰值加速度、头部损伤标准（head injury criterion，HIC）和胸部压缩量均较高. Onda等^［8］通过56 km/h滑台模拟正面碰撞，发现两种假人的头部加速度相近，但THOR的头部和躯干前移量显著增加，THOR的胸部左上和右上位置的压缩量均高于Hybrid Ⅲ假人. Deguchi等^［9］通过全尺寸碰撞滑台试验发现，THOR的右肩扭转幅度大于Hybrid Ⅲ假人，导致其头部偏离气囊中心，而Hybrid Ⅲ 假人头部更集中地接触气囊. Yaguchi等^［10］在偏置可变形壁障测试中发现，THOR的HIC值高于Hybrid Ⅲ假人，但两者胸部压缩量和下肢受力结果相似，THOR的头颈部扭转程度低于Hybrid Ⅲ假人.一系列斜向撞击研究表明，THOR胸部变形大于Hybrid Ⅲ假人，但下肢受到的载荷较低^［11-12］. Mueller等^［13］在小重叠碰撞测试中比较了2种假人的性能，发现二者头部与躯干的运动学表现相似. THOR胸部整体压缩变形量与Hybrid Ⅲ假人相似，但右上部位的变形量高于Hybrid Ⅲ假人，两者下肢所受载荷表现出较大差异. Fu等^［14］通过多体动力学仿真对比分析了小偏置碰撞下Hybrid Ⅲ假人与THOR头部损伤差异，研究发现，在相同加载条件下，THOR的头部旋转位移显著高于Hybrid Ⅲ假人，且THOR的线性和旋转加速度也更高. THOR的HIC、脑部旋转损伤指标（brain rotational injury criteria，BrIC）以及弥漫性脑损伤均显著高于Hybrid Ⅲ假人.

已有研究人员通过比较Hybrid Ⅲ假人、THOR和死后人体替代物（post-mortem human surrogate，PMHS）在碰撞过程中的运动响应来评估不同假人的生物逼真度. Albert等^［15］在正面碰撞滑台试验中发现，THOR的胸部右下变形明显大于Hybrid Ⅲ假人和PMHS. Albert等^［16］研究表明，THOR的头部响应与PMHS的拟合程度较高，显示出较高的生物逼真度，但在胸部和下肢响应方面，Hybrid Ⅲ假人表现更优. Kuwahara等^［17］在斜角碰撞仿真试验中对比了Hybrid Ⅲ假人、THOR和THUMS碰撞响应情况，结果显示，THOR的碰撞运动响应更接近THUMS；THOR和THUMS相较于Hybrid Ⅲ假人均表现出胸部在Z轴上的旋转. THOR和THUMS之间的BrIC及胸腹部的损伤相接近，但THOR的HIC明显高于Hybrid Ⅲ假人与THUMS. Shin等^［18］评估了高度后倾状态下Hybrid Ⅲ假人、THOR和PMHS的运动响应状况，研究发现，三者骨盆的旋转与位移存在显著差异，THOR和PMHS的前倾运动趋势与Hybrid Ⅲ假人相比更为接近.

综上，国内外已对不同工况下THOR与Hybrid Ⅲ假人的生物逼真度进行了大量研究. THOR预测头部损伤风险较Hybrid Ⅲ假人更敏感，头部和躯干的运动响应较Hybrid Ⅲ假人与PMHS或者THUMS更为接近. 但是，在不同工况下，THOR与Hybrid Ⅲ假人胸部与下肢部位的响应情况存在一定争议，难以得到较为明确的共性结论. 因此，需要拓展更多工况进行更全面的不同假人的生物逼真度评估. 当前，通常采用滑台试验的方式进行不同假人的对比研究试验，更容易保持测试条件的一致性. 但小偏置碰撞工况中乘员运动响应较为复杂，难以通过物理滑台试验的方式开展研究.

本研究采用某中型轿车有限元模型，结合Hybrid Ⅲ假人、THOR及THUMS在LS-DYNA环境下构建乘员侧约束系统仿真模型，模拟2种典型小偏置碰撞试验中乘员运动与损伤响应. 通过分析碰撞过程中乘员的运动曲线和各项损伤计算参数，比较THOR与Hybrid Ⅲ假人模型以及具有肌肉力作用的人体数值模型在碰撞响应中的差异，从而评估这2种假人模型在正面25%偏置碰撞试验中的生物逼真度，为该测评体系的升级提供指导.

1 研究方法

1.1 仿真载荷与边界条件

现有研究常将小偏置碰撞过程中车辆的运动响应划分为吸能与侧滑两类模式^［19］. 前者表现为吸能压溃式碰撞，伴随较大的车体结构损伤，车体绕Z轴的转动角度较大；后者表现为滑动接触式碰撞，驾驶舱完整性较好，车体绕Z轴的转动角度较小^［20］. 2种典型的小偏置碰撞模式如图1所示.

本文基于2种小偏置碰撞响应工况，分别选取典型吸能与侧滑碰撞模式的整车有限元仿真模型进行碰撞模拟试验. 吸能碰撞模式的整车模型采用某企业提供的一款SUV车辆模型，侧滑碰撞模式的整车模型采用丰田公司的一款中型轿车模型^［21］.

两车左侧B柱下方位置X方向加速度与速度变化曲线如图2所示. 在前30 ms内，汽车前保险杠至左前轮部分的吸能区域接触刚性障碍物，碰撞产生的冲击载荷较低，车辆纵向速度的变化幅度较小. 当左前轮轮辋与刚性壁障接触时，吸能碰撞模式车辆前部吸能区域将压溃至A柱，沿X轴产生的不对称载荷使得车辆动能显著降低，同时引起车体逆时针旋转. 侧滑碰撞模式车辆在左前轮轮辋接触刚性壁障时产生较大的侧向作用力，使车辆与障碍物发生分离，仍然保留了较大的动能.

1.2 乘员有限元模型

Hybrid Ⅲ假人为乔治华盛顿大学与美国国家碰撞分析中心（national crash analysis center，NCAC）联合开发的Hybrid Ⅲ BETA版本假人模型^［22］，如图3（a）所示. THOR为美国弗吉尼亚大学发布的具有较高生物逼真度的THOR 2.7版本假人模型，如图3（b）所示^［23］. THUMS第6版模型如图3（c）所示，为丰田汽车公司与丰田中央研发实验室联合开发的具有完整人体解剖学结构，生物逼真度得到业界广泛认可的人体数值模型. 根据THUMS手册，其肌肉激活程度分为未激活状态（no-activation）、放松状态（relax）以及绷紧状态（brace）状态^［24］. 本研究使用的是放松状态的THUMS，用以表征处于正常驾驶状态. 3种乘员模型均在LS-DYNA环境下进行仿真模拟，且设置了相同的单位制.

考虑到THUMS不能直接输出小偏置碰撞试验的损伤指标所涉及的加速度、力和力矩等参数. 因此，根据相关研究与THUMS手册所定义的模型各关键位置节点信息，设置了与Hybrid Ⅲ假人和THOR对应的各位置输出通道，如图4所示. 参考假人模型设置了头部质心位置、胸部位置（脊椎T6）以及左右足部位置的加速度传感器^［25］. 参考相关研究，在THUMS颈椎C2处设置输出截面，用以获取颈部力和力矩响应^［25］. 胸部压缩量的输出是通过获取脊椎T9位置与第4根肋骨中心位置的相对距离变化量来表示的^［26］. 参考假人模型的设置，在股骨与胫骨的上下位置设置了多个输出截面来获取大腿与小腿的损伤指标^［26］.

1.3 驾驶员侧约束系统仿真模型

本文采用一款通过验证的整车有限元模型，提取其驾驶舱部分，在LS-DYNA环境下构建约束系统基础模型. 仿真模型中包含仪表盘、地板、座椅、安全带和安全气囊等各约束系统子模块，各个部件建模的有效性已经过Shirooka等^［27］验证. Saunders等^［28］采用该约束系统模型搭载了THOR-NT假人进行了斜角碰撞工况下的仿真与试验对标验证，假人模型预测各损伤参数能力与物理试验具有较高的一致性.

根据试验规程分别导入Hybrid Ⅲ假人、THOR以及THUMS，调整假人的相应位置与姿态，使其基本保持一致，如图5所示. 针对小偏置碰撞工况下车体绕垂直方向偏转运动或者沿Y轴侧向滑移运动等特点，本文以LS-DYNA环境下的*BOUNDARY_PRESCRIBED_ACCELEROMETER_RIGID关键字施加特定的载荷与边界条件重现整车碰撞结果中车体的整体运动. 根据整车碰撞中设置的加速度计获取碰撞脉冲曲线，来规定仿真模型中加速度计所对应位置处刚体的运动，并由此刚体牵引车体模拟小偏置碰撞响应过程.

本文只考虑小偏置碰撞模式的差异性，为了消除其他误差的影响，选择同一约束系统模型加载不同的碰撞脉冲. 此处所施加的载荷与边界条件提取自1.1节中吸能与侧滑碰撞模式下的两款整车有限元模型碰撞仿真结果，包括左侧B柱下方、右侧B柱与A柱下方位置在X、Y、Z方向的碰撞脉冲曲线.

2 结果与分析

2.1 乘员运动响应差异

在吸能碰撞模式下，Hybrid Ⅲ假人、THOR和THUMS的运动响应状况以及乘员模型头部、脊椎、胸骨和骨盆的结构变形情况如图6所示. Hybrid Ⅲ假人与THOR的头部与躯干的部分相对位移量高于THUMS，颈部弯曲程度较高. 在向前运动过程中，THOR头部前移与下沉幅度更大，但THUMS上躯干的位移量比Hybrid Ⅲ假人和THOR更大.

在侧滑碰撞模式下，3种乘员模型运动响应如 图7所示，与吸能碰撞模式相比，乘员直接受到的碰撞冲击较小；但车体受到较大侧向作用力，使得车内乘员产生较大的侧向运动、侧气帘的约束作用更明显. 对比不同乘员模型的运动学差异，得到了与吸能碰撞模式近似的结果. 在向前运动过程中，Hybrid Ⅲ假人与THOR颈部弯曲程度高于THUMS. THOR头部前移与下沉幅度较大，且THUMS上躯干表现出较大的横纵向位移. 不同的是，在碰撞后的回弹阶段，THUMS表现出比Hybrid Ⅲ假人和THOR更大的侧向偏转.

在吸能碰撞模式和侧滑碰撞模式下，3种乘员模型的头部质心、胸部（T6）以及髋部中心在XOY平面内的运动轨迹曲线，如图8所示. 以乘员向前运动为X轴正方向，向左运动为Y轴正方向. 在吸能碰撞模式与侧滑碰撞模式下，THOR头部纵向运动要明显高于Hybrid Ⅲ假人和THUMS，到达纵向最大位移所需的时间较长，如图8（a）所示. 在吸能碰撞模式下，THOR头部纵向最大位移为441.0 mm，对应的横向位移为102.2 mm，Hybrid Ⅲ假人与THUMS头部纵向最大位移分别为366.5 mm和302.8 mm，对应的横向位移分别为81.3 mm和79.8 mm. 在侧滑碰撞模式下，THOR头部纵向最大位移为408.4 mm，对应的横向位移为155.9 mm，Hybrid Ⅲ假人与THUMS头部纵向最大位移分别为348.3 mm和270.4 mm，对应的横向位移分别为161.6 mm和148.4 mm.

由图8（b）可知，在2种碰撞模式下，THUMS的胸部均比Hybrid Ⅲ假人与THOR的胸部有更大的横纵向运动，且THUMS的胸部横纵向运动量与其头部的运动较为接近，其颈部的弯曲程度较Hybrid Ⅲ 假人和THOR更小. 在吸能碰撞模式下，THUMS胸部纵向最大位移为248.9 mm，对应的横向位移为91.2 mm，Hybrid Ⅲ假人与THOR胸部纵向最大位移分别为195.6 mm和211.2 mm，对应的横向位移分别为67.8 mm和62.6 mm. 在侧滑碰撞模式下，THUMS胸部纵向最大位移为207.3 mm，对应的横向位移为171.3 mm，Hybrid Ⅲ假人与THOR胸部纵向最大位移分别为148.4 mm和178.1 mm，对应的横向位移分别为119.5 mm和134.4 mm.

THOR与THUMS的膝盖至臀部的距离大致相同，而Hybrid Ⅲ假人膝盖至臀部的距离比THOR和THUMS低40 mm左右. 因此，Hybrid Ⅲ假人髋部的纵向运动幅度要大于THOR和THUMS. 由图8（c）可知，在吸能碰撞模式下，Hybrid Ⅲ假人髋部纵向最大位移为100.0 mm，对应的横向位移为55.1 mm，THOR和THUMS髋部纵向最大位移分别为70.8 mm和71.7 mm，对应的横向位移分别为51.7 mm和 38.8 mm. 在侧滑碰撞模式下，Hybrid Ⅲ假人髋部纵向最大位移为98.3 mm，对应的横向位移为66.7 mm，THOR和THUMS髋部纵向最大位移分别为60.2 mm和60.8 mm，对应的横向位移分别为56.5 mm和 33.1 mm.

2.2 乘员损伤响应差异

2.2.1 头部损伤响应差异

与Hybrid Ⅲ假人相比，THOR在头部有5个面部压力传感器以及角加速度传感器，可以分别评价乘员面部挤压损伤与弥漫性脑损伤^［29］. 根据C-IASI提出的汽车正面碰撞测试评价规程中Hybrid Ⅲ假人与THOR损伤风险的评价准则，对3种乘员模型的头部加速度传感器曲线进行比较.

在吸能碰撞模式与侧滑碰撞模式下，3种乘员模型的头部合成加速度曲线对比如图9所示. 根据头部合成加速度可以分别求得对应的头部伤害指数HIC₁₅与3 ms合成加速度A₃.

在吸能碰撞模式下，3种乘员模型头部合成加速度曲线峰值和峰值时刻存在一定差异. 与Hybrid Ⅲ假人和THUMS相比，THOR具有更高的头部HIC₁₅和A₃. Hybrid Ⅲ假人、THOR和THUMS的头部HIC₁₅分别为267.99、630.34和394.15，A₃分别为53.08g、75.95g和62.64g. THUMS头部HIC₁₅与A₃介于其他 2种假人模型中间，其头部合成加速度曲线在碰撞的向前运动阶段与THOR接近，在碰撞后回弹阶段与Hybrid Ⅲ假人近似.

在侧滑碰撞模式下，3种乘员模型头部合成加速度曲线的峰值和峰值时刻较为接近. 经计算得到三者头部HIC₁₅与A₃基本相同. Hybrid Ⅲ假人、THOR和THUMS的头部HIC₁₅分别为130.58、154.98、168.39，A₃分别为38.36g、41.69g、44.46g. THOR头部HIC₁₅与A₃介于Hybrid Ⅲ假人和THUMS中间，略高于Hybrid Ⅲ假人. 在向前运动阶段，Hybrid Ⅲ假人头部合成加速度曲线与THOR曲线接近，而在碰撞后回弹阶段与THUMS近似.

2.2.2 颈部损伤响应差异

根据Hybrid Ⅲ假人与THOR损伤风险评定准则，颈部损伤风险评分项为：剪切力F_x （图10）、轴向力F_z （图11）以及伸张弯矩M_y （图12）. 此外，根据三者的时间历程曲线计算得到颈部N_ij 值.

由图10可知，在吸能碰撞模式和侧滑碰撞模式下，Hybrid Ⅲ假人、THOR和THUMS的颈部F_x 峰值分别为1.09 kN、0.33 kN、0.1 kN和0.49 kN、0.65 kN、0.23 kN. 在吸能碰撞模式下，THOR颈部F_x 曲线介于Hybrid Ⅲ假人和THUMS之间；在侧滑碰撞模式下，THOR颈部F_x 曲线在向前运动阶段与THUMS曲线接近，而在碰撞后回弹阶段与Hybrid Ⅲ假人曲线近似.

由图11可知，在吸能碰撞模式和侧滑碰撞模式下，Hybrid Ⅲ假人、THOR、THUMS的颈部拉伸力分别为1.10 kN、2.05 kN、0.12 kN和0.65 kN、0.77 kN、0.37 kN，压缩力分别为0.16 kN、0.16 kN、0.08 kN和0.15 kN、0.05 kN、0.02 kN. 在吸能碰撞模式下，THOR颈部F_z 曲线仅在头部与气囊接触过程中与Hybrid Ⅲ假人表现出较大差异；在侧滑碰撞模式下，Hybrid Ⅲ假人与THOR颈部F_z 曲线在碰撞全过程都具有较高的拟合度.

由图12可知，在吸能碰撞模式和侧滑碰撞模式下，Hybrid Ⅲ假人、THOR和THUMS的颈部M_y 峰值分别为104.32 N∙m、16.34 N∙m、1.19 N∙m和41.09 N∙m、13.4 N∙m、2.89 N∙m. THOR颈部M_y 在2种模式下都介于Hybrid Ⅲ假人和THUMS之间，从数值上看，更接近THUMS.

2.2.3 胸部损伤响应差异

根据C-IASI汽车碰撞试验测评规程中的 Hybrid Ⅲ假人与THOR损伤评定准则，Hybrid Ⅲ假人胸部损伤风险评价指标包括胸部3 ms合成加速度A₃、压缩变形量D_max，以及根据胸部压缩曲线求得的最大压缩速率与黏性指标（V_C）；THOR的胸部损伤风险仅考察4个位置胸部压缩变化. 图13和图14分别为2种碰撞模式下3种乘员模型的胸部合成加速度曲线与胸部压缩曲线对比.

由图13可知，吸能碰撞模式与侧滑碰撞模式下，Hybrid Ⅲ假人与THOR胸部合成加速度曲线峰值与峰值时刻基本一致. 在吸能碰撞模式和侧滑碰撞模式下，Hybrid Ⅲ假人、THOR、THUMS的胸部A₃分别为37.38g、37.11g、74.89g和27.38g、25.95g、41.35g. THUMS的胸部合成加速度曲线峰值明显高于Hybrid Ⅲ假人与THOR的仿真结果，Hybrid Ⅲ假人与THOR的胸部合成加速度曲线在整个碰撞过程的拟合度较高.

由图14（a）可知，在吸能碰撞模式下，THOR胸部左上位置的最大压缩量与THUMS近似，分别为36.93 mm和38.21 mm，而Hybrid Ⅲ假人的最大胸部压缩量则为31.61 mm. 在侧滑碰撞模式下，THOR胸部左上位置的最大压缩量与Hybrid Ⅲ假人和THUMS较为接近，分别为23.19 mm、22.05 mm和23.42 mm，如图14（b）所示. 值得注意的是，THOR在4个位置的胸部最大压缩量中，胸部右上位置的压缩量最高，在吸能碰撞模式与侧滑碰撞模式下分别为48.48 mm与32.98 mm，THOR胸部整体压缩量要高于Hybrid Ⅲ假人与THUMS.

2.2.4 大腿部位损伤响应差异

图15和图16分别为2种碰撞模式下3种乘员模型的股骨轴向力变化曲线. 对于THOR，考察其每 侧大腿压缩力曲线的极限值是否满足高性能值 （3.8 kN），而对于Hybrid Ⅲ假人，则考察其每侧大腿从开始压缩到峰值力后的4.05 kN这一时间段内的冲量来判断其骨折的风险.

由图15可知，在2种碰撞模式下，3种乘员模型的左侧股骨轴向力曲线较为接近. 在吸能碰撞模式和侧滑碰撞模式下，Hybrid Ⅲ假人、THOR、THUMS的左侧股骨最大轴向力分别为6.74 kN、5.58 kN、 4.47 kN和2.94 kN、3.76 kN、2.63 kN.

由图16可知，对于右侧股骨轴向力，THOR表现出了与THUMS近似的结果，在吸能碰撞模式下，THOR和THUMS右侧股骨轴向力高于Hybrid Ⅲ假人. 在侧滑碰撞模式下，Hybrid Ⅲ假人右侧股骨轴向力高于THOR和THUMS.在吸能碰撞模式和侧滑碰撞模式下，Hybrid Ⅲ假人、THOR和THUMS的右侧股骨最大轴向力分别为1.42 kN、2.78 kN、2.65 kN和2.19 kN、1.24 kN、1.00 kN. Hybrid Ⅲ假人左右侧大腿开始受压缩载荷的时刻要晚于THOR和THUMS.

2.2.5 小腿部位损伤响应差异

图17~图20分别为3种乘员模型胫骨4个位置的轴向力曲线对比，其数据分别来源于左小腿上传感器（图17）、左小腿下传感器（图18）、右小腿上传感器（图19）以及右小腿下传感器（图20）. 对于 Hybrid Ⅲ假人、THOR，小腿部位的评分是要考察胫骨受压缩力极限值与计算所得胫骨指数（TI）.

由图17和图18可知，吸能碰撞模式下THOR和THUMS左侧胫骨的轴向力曲线较为接近，Hybrid Ⅲ假人左侧胫骨的轴向力均高于THOR和THUMS. 在侧滑碰撞模式下，THOR左侧胫骨的轴向力曲线处于Hybrid Ⅲ假人和THUMS之间.

由图19和图20可知，对于右侧胫骨轴向力，Hybrid Ⅲ假人表现出比THOR和THUMS更高的预测值，在吸能碰撞模式下，三者的右侧胫骨轴向力曲线总体较为接近；在侧滑碰撞模式下，Hybrid Ⅲ假人预测值大幅高于THOR和THUMS. 相对于Hybrid Ⅲ假人，THOR和THUMS的胫骨轴向力曲线和损伤预测值总体更为接近.

2.2.6 整体损伤差异对比

根据C-IASI 2023版的Hybrid Ⅲ假人与THOR损伤评定准则，统计了吸能碰撞模式与侧滑碰撞模式下3种乘员模型的各部位损伤参数（表1）. 同时，引入BrIC^［30］来评价由颅骨旋转运动而引起的脑损伤风险.

由表1可知，在2种碰撞模式下，THOR与Hybrid Ⅲ假人相比，THOR头部损伤参数HIC₁₅、BrIC、A₃更接近THUMS. THOR颈部的整体损伤N_ij 介于Hybrid Ⅲ假人和THUMS之间. THOR与Hybrid Ⅲ假人胸部A₃更接近，THOR胸部的整体压缩量要高于Hybrid Ⅲ假人和THUMS，其左上位置的胸部压缩量较Hybrid Ⅲ假人与THUMS更接近. 3种乘员模型的大腿和髋部损伤极限值较为接近，Hybrid Ⅲ假人小腿与脚部的挤压损伤要明显高于THOR和THUMS.

值得注意的是，在碰撞强度较大的吸能碰撞模式下，Hybrid Ⅲ假人替换为THOR后出现了部分损伤参数的变动达到了评价规程中的伤害参考值. 在吸能碰撞模式下，THOR头部损伤参数HIC₁₅、3 ms合成加速度、BrIC与Hybrid Ⅲ假人相比，均超过了伤害参考值. THOR的4个位置的胸部压缩量中，出现了个别位置的胸部压缩量超过伤害参考值的情况. 对于乘员颈部弯矩M_y 以及胫骨轴向力等损伤参数，Hybrid Ⅲ假人替换为THOR后损伤风险低于伤害参考值. 在侧滑碰撞模式下，由于碰撞强度整体较低，在Hybrid Ⅲ假人替换为THOR后未出现损伤风险超过伤害参考值的情况.

3 讨 论

本文针对小偏置碰撞工况对Hybrid Ⅲ假人、THOR和具有一定肌肉激活水平THUMS的生物逼真度进行对比研究. 现有研究已对Hybrid Ⅲ假人与THOR的生物逼真度进行了对比分析，但在不同工况下，二者不同身体部位的响应规律存在一定争议. 当前多数研究采用滑台试验方法以控制试验工况的一致性，但传统滑台设备难以模拟碰撞响应较为复杂的小偏置碰撞工况，对于小偏置碰撞工况下Hybrid Ⅲ假人和THOR响应对比的研究较少. 因此，本文采用计算机仿真，构建了Hybrid Ⅲ假人、THOR和THUMS的乘员侧约束系统仿真模型，对吸能与侧滑2种典型小偏置碰撞工况进行仿真. 结果显示，3种乘员模型在不同小偏置碰撞工况下的响应情况存在较明显的区别.

在2种小偏置碰撞工况下，THOR头部纵向位移比Hybrid Ⅲ假人和THUMS都大，且三者在碰撞前移的过程中产生的纵向位移大致相当. THOR和THUMS的上躯干部位的运动轨迹趋势相近，碰撞前移量均高于Hybrid Ⅲ假人. THOR在56 km/h的滑台试验中^［8］，头部和躯干碰撞前移量比Hybrid Ⅲ假人要高，与Hybrid Ⅲ假人相比，THOR和THUMS的躯干部位近似为偏转运动. 对Hybrid Ⅲ假人、THOR与THUMS在斜角碰撞的对比研究显示^［17］，THOR与THUMS较Hybrid Ⅲ均表现出了胸部的偏转运动. 由于Hybrid Ⅲ假人下肢部与THOR和THUMS存在几何尺寸差异，THOR和THUMS髋部纵向运动相接近，且低于Hybrid Ⅲ假人髋部的运动水平. 与THUMS相比，Hybrid Ⅲ假人和THOR的髋部表现出了近似的侧向运动. 在不同小偏置碰撞工况下，3种乘员模型运动响应差异存在非共性的结果. 在吸能碰撞模式下，THOR和THUMS头部在碰撞后回弹阶段均产生了较大的侧向偏转，而Hybrid Ⅲ假人则没有；在侧滑碰撞模式下，只有THUMS头部存在较大的侧向偏转. 文献［9］中THOR假人肩部在全尺寸滑台试验中，其扭转幅度比Hybrid Ⅲ假人要大，使得Hybrid Ⅲ 假人头部较THOR而言与气囊中心的接触更集中；文献［10］在偏置可变形壁障试验中发现，THOR头部扭转程度低于Hybrid Ⅲ假人.

在2种小偏置碰撞工况下，THOR头部损伤参数HIC₁₅、A₃、BrIC均高于Hybrid Ⅲ假人和THUMS，并与THUMS的仿真结果接近. 文献［7］中进行的所有碰撞测试中，THOR头部加速度与HIC值均高于Hybrid Ⅲ假人；文献［14］中THOR假人损伤参数HIC、BrIC以及弥漫性脑损伤均显著高于Hybrid Ⅲ假人；文献［17］中，与Hybrid Ⅲ假人相比，THOR损伤参数BrIC与THUMS相近. THUMS的头部与躯干的运动接近，颈部的弯曲程度较小，整体表现出的损伤风险较低，推测是由于颈部肌肉力产生的作用. THOR颈部的整体损伤风险介于Hybrid Ⅲ假人与THUMS之间，除颈部张力以外的损伤参数均显著低于Hybrid Ⅲ假人，这与文献［10］中Hybrid Ⅲ假人与THOR颈部损伤差异一致. THOR胸部合成加速度曲线与Hybrid Ⅲ假人较为接近，峰值加速度均小于THUMS. THOR胸部左上位置的压缩量与THUMS接近，高于Hybrid Ⅲ假人；胸部右上位置的压缩量显著高于Hybrid Ⅲ假人和THUMS. 文献［8］中THOR胸部左上和右上位置的压缩量均高于Hybrid Ⅲ假人.文献［13］中THOR胸部整体压缩量与Hybrid Ⅲ假人接近，但胸部右上部位的压缩量高于Hybrid Ⅲ假人. 与Hybrid Ⅲ假人相比，由于THOR下肢几何尺寸和THUMS较为接近，则在2种碰撞模式下，THOR和THUMS股骨与胫骨的轴向力曲线均表现出了较高的拟合度，而Hybrid Ⅲ假人下肢受压缩力曲线则与THOR和THUMS存在较大差异. Hybrid Ⅲ假人下肢表现出的整体损伤风险要高于THOR和THUMS. 文献［11-12］的一系列斜向碰撞研究中，THOR胸部压缩变形量高于Hybrid Ⅲ假人，但下肢所受载荷较低. 整体上看，相较于Hybrid Ⅲ假人，THOR在小偏置碰撞过程中展现出了与THUMS更为接近的损伤风险预测能力. 但是，在碰撞强度较大的吸能碰撞模式下，THOR相比Hybrid Ⅲ假人，其头部HIC₁₅、A₃、BrIC、颈部M_y 以及胸部压缩量等损伤参数的变动程度均超过了评价规程中的IARV值. 采用相同车型分别搭载Hybrid Ⅲ假人与THOR进行小偏置碰撞工况下车辆安全性能评估，可能会得到不同的安全性能评价结果.

本文仅研究了2种典型小偏置碰撞工况下的不同假人模型的碰撞响应情况，未考虑吸能碰撞模式与侧滑碰撞模式共存的更为复杂的碰撞工况；仅使用肌肉激活水平为relax的THUMS、Hybrid Ⅲ假人和THOR进行碰撞响应情况比较，未对比分析不同肌肉激活水平对乘员碰撞响应的影响. 下一步研究将考虑更为复杂的试验工况与不同肌肉激活状态的乘员模型，对Hybrid Ⅲ假人和THOR生物逼真度进行更全方位评估.

4 结束语

本研究对2种典型的小偏置碰撞工况下Hybrid Ⅲ假人、THOR和THUMS的碰撞响应进行了对比分析. 通过计算机仿真实现了小偏置碰撞滑台模拟试验，分析对比了3种乘员模型在碰撞过程中的运动响应差异与损伤风险差异. 研究结果表明，THOR头部前移量与胸部的侧向偏转高于Hybrid Ⅲ假人，躯干的运动趋势与Hybrid Ⅲ假人相比，与THUMS更接近. THOR头部、脑部损伤高于Hybrid Ⅲ假人和THUMS，与THUMS结果接近. THOR的颈部整体损伤风险介于Hybrid Ⅲ假人与THUMS之间，各项损伤曲线与THUMS结果较为接近. 胸部整体的压缩量要高于Hybrid Ⅲ假人与THUMS. 下肢部位的损伤风险低于Hybrid Ⅲ假人，与THUMS近似.

整体而言，THOR较Hybrid Ⅲ假人能够较好地反映真实人体在小偏置碰撞过程中的运动趋势， 对于乘员损伤风险的预测能力也较Hybrid Ⅲ假人更接近人体数值模型. 在小偏置碰撞工况下，THOR展现出了较Hybrid Ⅲ假人更高的生物逼真度.

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基金资助

国家自然科学基金资助项目（52472425）; 重庆市技术创新与应用发展专项面上项目（cstc2019jscx-msxmX0412）; 重庆市科学技术局博士“直通车”科研项目（CSTB2023NSCQ-BSX0011）