车辆碰撞中驾驶员手部主动响应对人体损伤的特性.pdf

ISSN 1674-8484CN 11-5904/U汽车安全与节能学报,第14 卷 第 5 期,2023 年J Automotive Safety and Energy,Vol.14 No.5,2023车辆碰撞中驾驶员手部主动响应对人体损伤的特性杨 欣1,4，秦豪毅1,3，马 帅*2,3，宋家锋2,3,5,6，朱 勇3，王瑞祥1,3，许述财*2,3（1.河北农业大学 机电工程学院，保定 071001，中国；2.汽车安全与节能国家重点实验室，清华大学，北京 100084，中国；3.清华大学苏州汽车研究院（相城），苏州 215134，中国；4.河北省智慧农业装备技术创新中心，保定 071001，中国；5.工程仿生教育部重点实验室，吉林大学，长春 130022，中国；6.运输车辆检测、诊断与维修技术交通行业重点实验室，济南 250357，中国）摘 要：研究了车辆碰撞环境下驾驶员手部在方向盘上的主动响应及对人体损伤的影响，以便对于人体损伤标准完善及车辆安全防护设计，提供参考数据。将假人手部结构重建，使手部具备抓握能力。利用关节约束力矩模拟抓握力，设置手部具有抓握力及抓握方向盘不同位置的仿真模型，计算获得假人各部位损伤数值，与标准假人损伤对比。结果显示：抓握状态下，头部伤害指标（HIC）峰值增加37.5%，颈部伸张力矩最大值减少22.3%，胸部压缩量最大值减少3%，大腿压缩力峰值减少36.5%。将方向盘划分为表盘的位置方位，手部位置在11点和 4点方位时，头部HIC 峰值最大；手部位置在8点和4点方位时，胸部压缩量和大腿压缩力峰值最大。碰撞中驾驶员手部主动响应对人体损伤影响较大。关键词：汽车碰撞；中国体征假人；手部主动响应；人体损伤；头部伤害指标（HIC）；胸部压缩量；大腿压缩力中图分类号：U 467.14 文献标识码：A DOI:10.3969/j.issn.1674-8484.2023.05.003Characteristics on the active response of drivers hand on the human injury in vehicle crashesYANG Xin1,4,QIN Haoyi1,3,MA Shuai*2,3,SONG Jiafeng2,3,5,6,ZHU Yong3,WANG Ruixiang1,3,XU Shucai*2,3(1.College of Mechanical and Electrical Engineering,Hebei Agricultural University,Baoding 071001,China;2.State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy,Tsinghua University,Beijing 100084,China;3.Tsinghua University Suzhou Automobile Research Institute,Suzhou 215134,China;4.Technology Innovation Center of Intelligent Agricultural Equipment,Baoding 071001,China;5.The Key Laboratory of Bionic Engineering(Ministry of Education),Jilin University,Changchun130022,China;6.Key Laboratory of Transportation Industry for Transport Vehicle Detection,Diagnosis and Maintenance Technology,Jinan 250357,China)Abstract:The active response of the drivers hand on the steering wheel in a vehicle crash environment and the effect on human injury were investigated to provide reference data for the improvement of human injury 收稿日期/Received：2023-04-02。修回日期/Revised：2023-06-19。基金项目/Supported by：国家重点研发计划项目（2018YFE0204302）；国家自然科学基金（51305223）；国家现代农业产业技术体系建设专项（CARS-27）；工程仿生教育部重点实验室开放基金（K202208）；运输车辆检测、诊断与维修技术交通行业重点实验室开放课题（JTZL2102）；河北省教育厅在读研究生创新能力培养项目（CXZZBS2023080）。第一作者/First author：杨欣（1974），男（汉），河北，教授。E-mail:。*通讯作者/Corresponding author：许述财，副研究员.E-mail：。3/13544 554545杨欣，等：车辆碰撞中驾驶员手部主动响应对人体损伤的特性standards and the design of vehicle safety protection.The hand structure of the dummy was reconstructed so that the hand had the ability to grasp.Using the joint constraint moment to simulate the gripping force,researchers set up the simulation model of the hand with gripping force and different positions of the steering wheel,and calculated the damage values of each part of the dummy,and compared them with the damage of the standard dummy.The results show that in the gripping condition,the peak value of head injury criterion(HIC)increases by 37.5%,the maximum value of neck extension moment decreases by 22.3%,the maximum value of chest compression decreases by 3%,and the peak value of thigh compression force decreases by 36.5%.Dividing the steering wheel into positional azimuths of the dial,the peak head HIC is greatest when the hand position is in the 11 oclock and 4 oclock azimuth,and the peak chest compression and thigh compression forces are greatest when the hand position is in the 8 oclock and 4 oclock azimuth.The active response of the drivers hand in a collision is a major influence on human damage.Key words:car collisions;Chinese physical dummies;active response of drivers hand;human injury;head injury criterion(HIC);chest compression;thigh compression force汽车行业是我国的主导产业之一1，交通事故随汽车销量增长日益增多。在汽车碰撞事故中，发生正面碰撞的概率为 59%，侧面碰撞的发生概率为 27%2。正面碰撞工况下的车辆行驶安全是汽车制造与安全测试研究中尤为重要的课题。在汽车被动安全领域，假人常被用来作为评估汽车安全性能以及各种保护成员设备性能的工具。利用数字假人以及物理假人代替真人做测试试验，通过分析汽车碰撞时假人所承载的力、加速度、位移等物理量来量化人体的伤害程度，因此，碰撞试验假人成为汽车安全性能测试中的核心技术3-6。在事故发生前即预碰撞阶段，人的大脑发出生物信号，使身体各部位迅速做出响应动作，不同驾驶员在碰撞前的驾驶行为对交通事故的影响较大7，手部抓握方向盘是十分常见的应急响应。然而，目前大多数汽车安全试验中假人被安装在固定位置，在当前碰撞测试中忽略了 人的主观意识行为，假人的手放在方向盘上处于自由姿态没有考虑驾驶员在面对事故发生前的应急反应。基于此问题国内外学者开展了相关的研究，例如李锵强8等人利用 Madymo 软件建立大客车与假人模型，建立大客车驾驶员手部有无抓握力的正面碰撞模拟仿真环境，研究得出手部存在抓握力状态下假人的损伤程度小于手部没有抓握力状态下的假人。魏玉钊9等人利用 LS-PREPOST 和 Oasys PRIMER 软件建立手部具有抓握力的数字假人并对在自由状态下以及手部抓握顶棚扶手状态下的假人损伤程度进行对比分析，仿真结果表明存在手部抓握力状态下假人主要部位的损伤不同程度的小于自由坐姿姿态下的假人。H.Morvan10等人基于模拟驾驶器分析碰撞前驾驶员手部的行为，利用 Madymo 软件搭建驾驶员手部处于不同位置姿态下的仿真模型分析仿真结果得出结论，手部处于不同位置姿态下假人头部以及颈部的损害程度存在差异。因此，驾驶员手部对方向盘的抓握和保持能力对于人体损伤评价是不可忽视的一个重要因素，但以上研究未能全面准确的反映碰撞测试中人的主观意识行为以及在碰撞环境下手部的反射反应对人体损伤程度的影响。为了探究手部抓握方向盘以及不同抓握位置姿态与人体碰撞损伤之间的关系，本文基于现有的假人模型重构手部结构模型，使其各关节具有一定的自由度，实现对方向盘的抓握，并通过相关软件对各关节设计铰链实现手部抓握保持力和不同抓握位置姿态的调节，进一步研究碰撞时驾驶员手部主动响应对人体损伤特性的影响，从而与手部在自由状态下的人体损伤进行对比分析。研究结果将对完善人体损伤评价标准和车辆安全防护设计具有重要的参考意义。1 中国体征假人有限元模型本实验所使用的碰撞假人模型如图1 所示，该模型是根据中国人体特征尺寸数据11（GB10000-88）所建立的。1.1 假人上肢模型建立假人上肢有限元模型，需参考人体真实的上肢结构。各骨骼间的运动是由各上肢关节决定的，由于实际的人体上肢组织结构复杂，在建立上肢的有限汽车安全与节能学报546第 14 卷 第 5 期 2023 年元模型时往往将其进行简化。关节处通过铰链定义运动，由于上肢各部分的基本属性不同，所以在导入HyperMesh 2019 后，需要对各部分进行不同的有限元划分处理12-13。原有假人的手部结构经过简化后，忽略了手指关节运动影响，仅仅保留了手部某个形态，如图 2 所示，在仿真试验中手部无法发生动作，往往处于被动运动状态，很容易与方向盘脱离。一体成型结构图 2 上肢有限元模型结构1.2 手部模型重建设计手部总体的结构，从而实现在碰撞过程中能够抓握方向盘的功能需要参考人手的骨骼结构、运动机理以及主要功能。由于人手非常灵活，约 21 个自由度14，且骨骼复杂，所以根据仿真实验环境，对手部结构设计进行简化。因为人手的灵活性是通过手腕和手之间的相互配合来实现的，所以手部的抓握功能需要分析抓握过程中手部与腕部作用，手对应的功能是抓握，而手腕对应的作用是手部在执行抓握运动时对手部姿态进行调整。基于对人手的运动研究，仅保留各指节间的转动以及大拇指翻转共 15 个自由度。根据中国体征假人手部模型，对各指节数据进行测量，详细的数据如表 1 所示。指节的运动状态都可近似看作一个自由度，可以由一个旋转铰链进行模拟。根据中国男性飞行员人体尺寸（GJB4856-2003）15提取的手指数据，并利用 SolidWorks 软件，建立三维模型；利用有限元前处理软件 HyperMesh，对手指各部分进行网格划分，并利用 HyperMesh 1D 面板中的fejoints，建立铰链模型。手的材料为*MAT7 橡胶材料，设置密度=0.9 g/cm3，剪切模量设置为 0.19 GPa。结构模型和处理完成的有限元模型如图 3 所示。(b)有限元模型远指节中指节近指节腕指节（a)结构模型图 3 重建的手部模型图 1 中国体征假人有限元模型表 1 手指各指节长度和转角表手指部位 尺寸/mm转角/（）近指节长度近指节直径中指节长度中指节直径远指节长度远指节直径腕指关节近指关节中指关节远指关节拇指2328262035170900600100食指2819211623150900100085中指3020261823170900100085无名指2618241724160900100085小指2116161522140900100085（a）侧视图（b）正视图（c）轴测图547杨欣，等：车辆碰撞中驾驶员手部主动响应对人体损伤的特性2 碰撞仿真模型构建2.1 碰撞驾驶环境为了便于观察假人的运动姿态和缩短仿真计算时间，对车辆模型进行简化，仅保留汽车驾驶室的模型，并将整车其他部分简化成一个质点，将模型的质量以及转动惯量等数值赋予质点。根据假人在正面碰撞情况时损伤部位所接触的模型，简化驾驶室的模型如图 4所示。?图 4 驾驶室模型驾驶室的模型主要有顶棚、车门、前窗、地板、安全带和仪表盘等。根据（China-New Car Assessment Program,C-NCAP）实验规定，提取整车碰撞试验的加速度曲线将模型赋予加速度曲线，来模拟实车碰撞的过程。其加速度曲线如图 5 所示。-2000200400600050100a/(ms-2)t/ms 图 5 碰撞过程加速度2.2 假人手部模型替换在已有中国体征坐姿假人的模型基础上，只对假人的手部进行替换。保持原有的手部和腕部的接触关 系，利用关键 字*CONTACT_TIED_NODES_TO_SURFACE 定义手部和腕部的接触，用旋转铰链定义两者转动关系。为防止碰撞过程中由于速度过高网格出现大变形，赋予整个手部一层 NULL 面，材料为*MAT9，Poisson 比为 0.3。通常在有限元仿真过程中不能出现各 COMPONENT 之间相互穿透以及自穿透，因此根据标准和规范调整手部与方向盘、手部与假人其他部位之间为*CONTACT_TIED_SURFACE_TO_SURFACE。替换前后的假人姿态如图 6 所示。无抓握存在抓握(a)替换前(b)替换后图 6 碰撞测试假人模型与车辆交互2.3 手部抓握保持力设置将划分网格后的人手，导入软件 Primer 11中进行铰链的旋转角度参数设置，根据假人各部位间的连接关系，设置手指和手掌，手掌和手臂之间的子母关系，实现手部抓握方向盘的动作姿态。据密歇根大学的统计，汽车高速状态下人手抓握方向盘的力平均值为189.6 N 16。基于已有研究对此方向的探讨，以坐姿状态下驾驶员手部握紧方向盘的 190 N握力为例。在 HyperMesh 中，通过设置铰链属性利用关键字*JOLINT_STIFFNESS_GENERLIZED 对刚度和约束力矩进行调整以此来模拟驾驶员握紧方向盘的保持力8-9。参照相关文献并对照相关方面的数据12，可以确定拇指关节的约束力矩为 53.2 mNm，四指关节约束力矩值为1.143 Nm。2.4 手部抓握位置设置在碰撞过程中，驾驶员手部主要与方向盘进行交互。为便于探究驾驶员抓握方向盘不同位置对人体损伤状况的影响，将方向盘按表盘分布划分成不同方位。参考相关文献对驾驶员驾驶习惯的研究，左手在方向盘上的位置概率如图 7 所示10。由于双手抓握方向盘可以更好的控制车辆，右手的位置分布与左手对称，因此根据图中手部对应的抓握几率，选择 3 种不同的双手抓握位置（如图 8a8c所示）。同时考虑到碰撞过程中，驾驶员的手部会出现应激反应而发生急打方向盘的动作，设置如图 8d 所示手部抓握动作。汽车安全与节能学报548第 14 卷 第 5 期 2023 年4%2%9%9%12%24%12%9%9%6%3%3%图 7 驾驶员左手在方向盘上的方位分布概率（a）姿态 1（10 点和 2 点方位）（c）姿态 3（8 点和 4点方位）（b）姿态 2（9点和 3点方位）（d）姿态 4（11点和 4点方位）图 8 假人模型双手与方向盘交互姿态3 碰撞结果分析对替换手部模型后的中国体征假人有限元模型导入 LS-DYNA SMP 13.0 进行碰撞仿真实验，通过与无手部抓握力碰撞情况下得出的数据进行对比，分析重建模型后驾驶员各部位的损伤数值，同时设置不同驾驶姿态，研究手部在方向盘不同位置时对自身损伤数值的影响。3.1 假人姿态响应对比分析碰撞过程中车内驾驶员在惯性的作用下身体会向前倾，而不同的姿态变化可能会导致安全气囊、安全带等保护装置不能提供驾驶员最有效地保护，从而造成身体各部位损伤程度不同17。仿真试验 2 种状态下的假人运动姿态如图 9 所示，图中、分别表示碰撞中无手部抓握与存在手部抓握情况下假人上下臂之间的夹角。从图 9 可得：碰撞发生后，车体减速，假人身体保持向前运动，受安全带限制，假人的头颈部先于上半身前倾。060 ms 内，2 种状态下的假人运动姿态相同。在 60 ms 时，2 种状态下的假人头部开始接触安全气囊，无手部抓握力的假人手部已经脱离方向盘。在80 ms 时，无抓握力的手部已经完全脱离方向盘，在80120 ms 之间，手部由于惯性向上运动，存在手部抓握力的假人上肢运动姿态基本保持一致。在整个碰撞过程中，存在手部抓握力的假人，由于手部与方向盘存在接触和力的关系，导致假人在向前运动的同时受到向后的作用力，所以相较于无手部抓握力的假人，头部与安全气囊接触的时间短，在 100 ms时图中可以看出存在手部抓握力假人的头部已经脱离安XZ无抓握力有抓握力t=30 ms60 ms80 ms100 ms120 ms图 9 碰撞中手部有无抓握力情况下假人状态响应549杨欣，等：车辆碰撞中驾驶员手部主动响应对人体损伤的特性全气囊。在无手部抓握力情况下假人手部被气囊弹飞，在碰撞过程中 角的角度变化范围很小，因此整个上臂的姿态变化受限，而有手部抓握力作用的模型由于存在肘部、腕部等相关关节的变化，使 角的角度变化范围相对较大则更显真实。如图10 所示：2 种姿态下假人头部与肩部在 X 和Z 方向的位移存在差异，存在手部抓握力假人的头部在 X 与 Z 方向的位移峰值小于无抓握力姿态下的假人，峰值相对减小了40.3%和 39.7%。无抓握力姿态下的假人肩部在 X 方向上的位移峰值相对存在手部抓握力的假人上升了42.6%，但在 Z 方向上存在手部抓握力的假人位移峰值要高于无手部抓握力姿态下的假人。由于手部与方向盘之间存在力的关系导致存在手部抓握力假人的肘部力峰值和无手部抓握力假人相比增大了49.4%，而肩部力峰值相对减小了29.7%。假人头部与安全气囊接触时间存在 10 ms 的差值，下肢与仪表盘的接触时间也同样存在差异，如表 2 所示。由 2 种不同状态下的假人姿态分析可得，通过设置手部抓握力，会对碰撞环境下假人的运动姿态，有较为明显的影响。（a）头部 X 方向位移（b）肩部 X 方向位移（c）头部 Z 方向位移（d）肩部 Z 方向位移（e）假人肘部力（f）假人肩部力图 10 有无手部抓握力假人姿态变化对比-1000100200300050100Dx/mmt/ms -50050100150050100t/ms Dx/mm-20020406080050100t/ms Dz/mm-20020406080050100Dz/mmt/ms 0.00.51.0050100Fe/kN t/ms 0.00.51.01.5050100?Fs/kN t/ms 汽车安全与节能学报550第 14 卷 第 5 期 2023 年3.2 假人损伤对比分析根据美国国家事故中心提供的数据以及结合 2021年 C-NCAP 管理规则。为更加全面、准确分析不同抓握力以及姿态之间假人损伤的差异性，本文对假人的头部、颈部、胸部及下肢等各部位进行损伤的对比分析。3.2.1 头部损伤结果对比仿真实验中模拟驾驶员头部的损伤，主要考虑在碰撞过程中驾驶员与汽车之间发生相对运动，头部产生加速度而导致头部受伤。根据 C-NCAP，头部的主要损伤判断指标为头部伤害指标（head injury criterion,HIC）定义为 （1）式中：t1与 t2表示碰撞时产生加速度的 2 个时间节点；a 表示头部合成加速度值。头部合成加速度对比结果如图11 所示。050100001050t/ms t/ms?1?2?3?4050100050100?a/ga/g图 11 驾驶员头部合成加速度曲线从图11可知：存在手部抓握力的假人头部合成加速度峰值要高于无抓握力状态下的假人，且到达峰值的时间晚于无抓握力的假人。分析产生差别的原因：碰撞过程中手部存在抓握力的情况下，假人的手部力会传递给腕部从而带动肘关节运动，上肢弯曲，上臂与下臂之间的夹角减小会导致加速度增大，从而导致驾驶员头部合成加速度值变大。从假人的运动姿态上也能明显看出。在 60 ms 无手部抓握力的假人头部开始接触安全气囊的瞬间，上肢受力而发生姿态变化。随之手部被气囊力弹飞而脱离方向盘，之后运动中上臂与下臂的夹角基本上没有变化。而存在手部抓握力的假人，在整个碰撞过程中上肢姿态都在变化。由于无手部抓握力的假人手部与方向盘脱离，手部与方向盘之间无作用力，所以假人头部与安全气囊接触时间较长，在 X 方向上的运动速度增大，因此导致到达峰值的点也相对提前。不同抓握位置姿态下所对应的头部合成加速度峰值也不相同。与其他 3 种姿态相比，姿态 4 的峰值最大，比最小的姿态 2 头部合成加速度峰值增大了18.1%，HIC 值增大了19.3%。分析原因：在峰值前后，由于上肢姿态变化的不同，导致姿态 4 状态下的假人头部旋转角度增大如图12 所示，造成头部合成加速度值增大。4 种姿态、有无手部抓握力的头部损伤 HIC 及3 ms 合成加速度见表 3。79 88 图 12 70 ms 时刻碰撞假人姿态3.2.2 颈部损伤结果对比颈部损伤通过测量在碰撞过程中驾驶员颈部所受到的力与力矩18-20，C-NCAP 假人颈部损伤准则如式 表 2 姿态变化数值对比手部抓握情况Dx/mmDz/mmF/kNt/ms头部肩部头部肩部肩部肘部头部与气囊下肢与仪表盘无221.499.464.848.81.280.4257.520.0存在132.257.139.154.60.900.8347.522.5551杨欣，等：车辆碰撞中驾驶员手部主动响应对人体损伤的特性（2）所示，以此判断颈部损伤程度。（2）式中：Fx为颈部的剪切力；My为颈部的弯曲力矩；d 为传感器中心头颈交界面的距离。颈部伸张力矩仿真结果如图13 所示。-50050100001050My,i/Nm My,i/Nm?-50050100001050t/ms t/ms?1?2?3?4图13 颈部伸张力矩数值对比由图13可知：无手部抓握力假人颈部伸张力矩峰值最高，为 99.99 Nm，平均值为 28 Nm。相较于手部存在抓握力假人的颈部伸张力矩峰值升高了22.3%，平均值升高了29.5%。分析原因：在碰撞瞬间，汽车速度降低，假人受惯性影响继续向前运动。此时，安全带起到了约束作用使头颈部以较快的速度向前运动，颈部伸张力矩开始增大。在 4050 ms 头部接触安全气囊的瞬间开始反向增大。手部有抓握力假人的上下臂夹角变小，假人的头颈部位与未完全充气的安全气囊接触因此提前进入减速阶段，颈部损伤曲线到达峰值的时间点提前，因此相对受到的冲击力小，颈部伸张力矩的峰值与平均值相对没有手部抓握力的假人数值有所降低。手部处于方向盘不同位置姿态下的假人，颈部伸张力矩曲线基本保持一致。最大值为姿态 1 对应的84.02 Nm，与姿态 4 对应的最小值相比增大了12.6%。在 30 ms 左右，处于姿态 3 状态下的假人由于手臂受安全气囊挤压导致身体上半身向前运动速度变小，因此颈部向前运动的速度对应变大，所以颈部伸张力矩数值较大。结果显示 4 种姿态下的假人对颈部损伤数值影响较小。3.2.3 胸部损伤结果对比在正面碰撞中，胸部损伤主要来源于安全带束缚力、汽车内饰部件以及与方向盘之间的撞击21。通过胸部压缩量来判断损伤概率，粘性指数 VC 来衡量碰撞中的非穿透伤。仿真结果如图14 所示。由图14 可知：在 60 ms 左右4 种不同抓握位置情况下假人的胸部压缩量出现峰值，曲线变化趋势基本一致。无抓握力状态下假人最大压缩量为 39.93 mm，相对于存在手部抓握力曲线峰值升高了3%，在 50 ms之前两条曲线变化幅度差别不大，存在手部抓握力状态下的假人数值曲线略高于无手部抓握力假人的数值曲线，在之后的时间无抓握力的曲线明显较高。分析原因，在正面碰撞中，假人胸部压力来源于胸前的物品，两者之间发生挤压动作形成胸部压缩量。在碰撞初期假人受惯性而向前运动，受安全带束缚作用的影响，胸部压缩量逐渐增大，存在抓握力的假人手部与方向盘之间有接触力，导致假人上肢姿态变化，从而向前的加速度也相对增大，因此胸部压缩量略大。但在 50 ms 之后存在手部抓握力的假人与充气阶段的安全气囊接触胸部压缩量数值开始小于手部处于自由状态下的假人，受安全气囊的影响，胸部压缩量开始逐渐减小，存在手部抓握力的假人提前向后运动，因此胸部压缩量较无手部抓握力的假人小。手部处于方向盘上不同位置姿态下的假人，姿态3对应的胸部压缩量值最大，这是因为碰撞时手臂向内弯曲导致假人运动加速度过大。而姿态 4 状态下的假人由于手臂在腹部与安全气囊产生相对运动，导致假人上半身运动速度变小从而使损伤值较小。结合粘性指数曲线得出，碰撞过程中手部抓握位置在 8 点和 4点方位时胸部损伤相对较大。3.2.4 下肢损伤结果对比在汽车发生碰撞时，对腿部的损伤主要来源于人体表 3 头部损伤 HIC 及 3 ms 合成加速度假人姿态HICa/g存在抓握力471.382.6无抓握力294.872.7姿态 1514.084.2姿态 2471.382.6姿态 3473.786.3姿态 4583.8100.9汽车安全与节能学报552第 14 卷 第 5 期 2023 年腿部与仪表盘的接触22-24。大腿压缩力和胫骨指数 TI分别用来评估大腿和小腿的损伤，TI 的计算公式为：MRFZMR maxFZ max （3）式中：MR表示合成弯矩；FZ表示小腿骨轴向力；MR max图14 胸部损伤指标数值对比-40-2002040050100VC/(cms-1)VC/(cms-1)-40-2002040050100?01020304050050100?01020304050050100D/mmD/mm?1?2?3?4?1?2?3?4t/ms t/ms t/ms t/ms （a）胫骨指数 TI 值对比（b）大腿压缩力对比表示合成弯矩阀值；FZ max表示小腿骨轴向力阀值。仿真结果如图15 所示。由图15可知：无手部抓握力假人的大腿压缩力最大值为 2.58 kN，存在手部抓握力的假人大腿压缩力曲线基本一致，上下波动较小，其最大值为1.64 kN，相比于无手部抓握力的假人大腿压缩力最大值降低了图15 下肢损伤指标数值对比-10123050100F/kN F/kN-101234050100?0.00.51.0050100TI?1?2?3?4?1?2?3?40.00.51.0050100TI?t/ms t/ms t/ms t/ms （a）胫骨指数 TI 值对比（b）大腿压缩力对比553杨欣，等：车辆碰撞中驾驶员手部主动响应对人体损伤的特性36.5%。存在手部抓握力假人大腿的损伤风险比无手部抓握力假人小。在碰撞初期，受安全带的限制，假人的躯干被束缚在座椅上。碰撞中，存在手部抓握力假人的上肢姿态变化导致假人腿部接触仪表盘的时间点提前，假人提前向后运动；因此存在手部抓握力假人的大腿压缩力相对无手部抓握力的峰值小。但从图15a胫骨指数 TI 值可以看出，2 条曲线的峰值和变化趋势差别较小；因此，有无抓握力对假人小腿的损伤影响较小。手部处于方向盘上不同位置姿态下的假人，姿态3对应的大腿压缩力最大。这是由于碰撞时手臂向内弯曲假人运动速度过大导致的。结合胫骨指数曲线得出：碰撞过程中手部抓握位置在 8点和 4点方位，下肢损伤相对较大。4 结 论通过研究重建中国体征测试假人手部模型的方法，设置手指关节的约束力矩以此实现驾驶员手部抓握保持力。利用 LS-DYNA 软件构建仿真环境，依据仿真结果分析驾驶员手部对于方向盘有无抓握姿态以及抓握位置对自身的损伤。结论如下：1）正面碰撞仿真环境下，假人手部有无抓握力对其运动姿态有显著影响，主要表现在假人上肢，存在手部抓握力的假人其手部在运动过程中没有出现脱离方向盘的现象，且对比无手部抓握力的假人，下肢姿态变化也存在差异。2）存在手部抓握力的假人相比自由状态下的假人，其头部损伤 HIC 峰值增大了37.5%，颈部伸张力矩最大值减小了22.3%，胸部压缩量峰值减小了3%，大腿压缩力最大值减小了36.5%。结果表明在碰撞过程中，存在手部抓握力对人体各部位的损伤数值有显著差异。3）经过对手部处于方向盘不同位置时的假人损伤数值对比，碰撞时抓握位置在 9点和 3点方位时，头部损伤相对较轻，在 11点和 4点方位时，颈部损伤相对较轻而在 8点和 4点方位时，胸部和下肢损伤相对较为严重。因此抓握位置的不同，也对汽车碰撞实验中人体损伤评价有很大的影响，是不可忽视的因素。参考文献（References）1 王婷.我国汽车行业发展现状与趋势 J.企业改革与管理,2020(16):214-215.WANG Ting.Development status and trend of Chinas automobile industry J.Enterprise Reform Manag,2020(16):214-215.(in Chinese)2 呼慧敏,李先学,丁立,等.汽车碰撞假人研究综述 J.标准科学,2015(7):6-9.HU Huimin,LI Xianxue,DING Li,et al.Review of research on automobile crash dummies J.Standard Sci,2015(7):6-9.(in Chinese)3 Denninger M,Huppe N,Gou M,et al.A tunable hand biofidelity-enhancing device for Hybrid III dummies J.Intl J Crashworthiness,2012,17(4):377-383.4 刘志新,武永强,马伟杰.中国体征碰撞测试假人开发路径研究 J.中国工程科学,2019,21(3):103-107.LIU Zhixin,WU Yongqiang,MA Weijie.Research on the development path of Chinese physical crash test dummy J.Eng Sci,2019,21(3):103-107.(in Chinese)5 XU Tao,SHENG Xiaoming,ZHANG Tianyi,et al.Development and validation of dummies and human models used in crash test J.Appl Bionics Biomech,2018,2018:1-12.6 陈嘉鑫.基于中国体征的正碰假人仿真研究与应用 D.长春:吉林大学,2021.CHEN Jiaxin.Research and application of 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