此篇文章介紹坐姿角度對頸部揮鞭性損傷的影響，重點在于不同坐姿角度六歲兒童乘員生物力學(xué)計算模型的開發(fā)、驗證及在后碰撞試驗中的應(yīng)用，坐姿角度對頸部運動學(xué)及生物力學(xué)參數(shù)的影響。論文基于經(jīng)過驗證的具有詳細解剖學(xué)結(jié)構(gòu)特征的六歲兒童乘員標準坐姿（105°）有限元模型開發(fā)了120°和135°坐姿生物力學(xué)計算模型，進而根據(jù)Euro NCAP試驗要求建立后碰撞試驗有限元仿真模型，分析不同坐姿角度對頸部損傷影響及損傷指標變化規(guī)律。該論文為天津科技大學(xué)李海巖教授團隊的工作，在今年美國汽車工程師學(xué)會年會上進行了宣講。

不同坐姿六歲兒童乘員

生物力學(xué)計算模型開發(fā)

本團隊基于圖1所示的經(jīng)過驗證的六歲兒童乘員生物力學(xué)計算模型開發(fā)了120°和135°坐姿生物力學(xué)計算模型。圖2展示了坐姿角度為120°的六歲兒童乘員生物力學(xué)計算模型開發(fā)過程，主要包括旋轉(zhuǎn)中心及旋轉(zhuǎn)軸的建立、上軀干模型的調(diào)整、相關(guān)組織結(jié)構(gòu)的建立。基于Euro NCAP后碰撞試驗要求，建立了如圖3所示的不同坐姿后碰撞試驗仿真模型。

圖1    六歲兒童乘員標準坐姿(105°)有限元模型

圖2 六歲兒童乘員120°坐姿有限元模型開發(fā)流程

 (a) 確定髖臼中心；(b) 定義旋轉(zhuǎn)軸；

 (c) 刪除腹部網(wǎng)格；(d) 旋轉(zhuǎn)上軀干；

(e) 重建腹部網(wǎng)格

圖3    后碰撞試驗仿真模型

(a) 105°坐姿；(b) 120°坐姿；(c) 135°坐姿

本研究設(shè)定和分析了后碰撞試驗中三種不同坐姿兒童乘員有限元模型頸部損傷程度，損傷指標包括頸部損傷指數(shù)(Neck Injury Criterion, NIC)、頸部損傷值(Neck Protection Criteria, Nkm)、頸部剪切力(Fx)、頸部軸向力(Fz)、頸部力矩(My)、頸椎應(yīng)力及脊髓應(yīng)力。我們以此為評價標準比較不同坐姿對頸部損傷程度的影響。

仿真結(jié)果與分析

后碰工況中，兒童乘員頸部損傷風(fēng)險與頸部過度拉伸或過度屈曲相關(guān)，因此，本文采用頸部運動學(xué)參數(shù)及生物力學(xué)參數(shù)綜合分析拉伸階段及屈曲階段頸部損傷風(fēng)險。表1列出了三種坐姿角度下頸部損傷仿真值，并以標準坐姿為基準，探究了坐姿角度對損傷參數(shù)的影響。

表1    不同坐姿下頸部損傷參數(shù)比較

針對后碰試驗，坐姿角度的改變，分力的大小發(fā)生了變化，主要表現(xiàn)為隨著兒童乘員坐姿角度的增加，頸部軸向載荷增加，剪切載荷減小，且坐姿角度每增加15°頸部軸向載荷增加約0.9g。頸部剪切載荷的降低，減輕了頸部伸展，使得頭部反彈時的水平速度降低，頸部屈曲角度減小，因此頸部力矩逐漸減?。贿\動過程中，由于兒童安全座椅頭枕的約束，頭部向后移動的水平位移小于頭部反彈的位移，因此，頸部屈曲力矩大于伸展力矩。

頸部伸展階段的相對速度大于頭部反彈時的相對速度，導(dǎo)致相對速度峰值均出現(xiàn)在頭部后移階段，但坐姿角度的增加縮短了頭部向后移動的距離，因此，在兒童安全座椅的約束下，相對速度呈下降趨勢，由于相對速度是影響頸部損傷指數(shù)（NIC）的主要因素，所以不同坐姿角度下NIC變化趨勢與相對速度相似。

椎體間擠壓效應(yīng)是影響頸椎von Mises應(yīng)力的主要因素，隨著上半身角度的增加，頸椎的伸展程度和椎體間的擠壓作用力逐漸減小，頸椎最大von Mises應(yīng)力呈減小趨勢。脊髓損傷主要是由C7和T1之間的相互擠壓引起，坐姿角度的增加使頭部和胸部的相對速度逐漸降低，因此，脊髓應(yīng)力峰值與坐姿角度呈負相關(guān)。

結(jié)論

本研究采用具有詳細解剖結(jié)構(gòu)的6 歲兒童乘員三種坐姿有限元模型，加載Euro NCAP規(guī)定的鞭打試驗加速度曲線。通過分析頸部運動學(xué)和生物力學(xué)參數(shù)，研究了上軀干角度對兒童乘員頸部揮鞭性損傷的影響。通過模擬三組鞭打試驗，得出以下結(jié)論：

1、在標準坐姿（105°）下，上頸部剪切力（Fx）和頸部損傷標準（NIC）均超過Euro NCAP 規(guī)定的高性能限值，頸部存在損傷風(fēng)險，并且在120°坐姿下，F(xiàn)x 依舊超過了高性能限值。但是頸部損傷風(fēng)險隨著坐姿角度的增加而降低。

2、通過對頸部運動學(xué)參數(shù)的分析，發(fā)現(xiàn)頸部過度伸展和過度屈曲都會導(dǎo)致頸部揮鞭傷，但頸部損傷的關(guān)鍵影響因素需要對生物力學(xué)參數(shù)進行深入分析。

3、頸部生物力學(xué)評估表明，最大von Mises 應(yīng)力主要集中在寰椎與樞椎齒突的接觸部位（105°和120°姿勢）和寰椎后弓與樞椎齒突的接觸部位（135°姿勢）。通過峰值時刻發(fā)現(xiàn)，頸椎和脊髓的峰值應(yīng)力均集中在頸部伸展階段，并隨著上半身角度的增加而減小。因此，頸椎過度伸展是頸椎和脊髓損傷的主要原因，并且頸椎損傷風(fēng)險對坐姿角度更為敏感。

參考文獻

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.