汽车碰撞事故中的人体碰撞响应与损伤

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碰撞力学人体损伤被动安全伤害生物力学

汽车碰撞事故中的人体碰撞响应与损伤

看清碰撞瞬间人体各部位受力机制、损伤边界，以及安全结构如何吸收能量救命

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碰撞力学人体损伤被动安全伤害生物力学

汽车碰撞事故中的人体碰撞响应与损伤

看清碰撞瞬间人体各部位受力机制、损伤边界，以及安全结构如何吸收能量救命

1第 1 页 · 汽车碰撞事故中的人体碰撞响应与损伤

冲击载荷的基本概念

上页我们看到碰撞能在毫秒间造成致命伤害——这背后真正的「主角」是冲击载荷。它和日常所说的「力」有本质区别。

冲击载荷
极短时间内幅值巨大的载荷，以毫秒甚至微秒为单位
加载速率 dF/dt
力随时间上升的快慢，是冲击区别于静态的核心参数
时间窗口
同样冲量下，持续0.01s与1s相比，峰值力可差百倍
碰撞=冲击
车速从60km/h到0仅约100ms，速度骤变天然产生极高加载速率
西瓜被锤击对应 →冲击载荷

同样大的力，慢压不碎，一锤就裂——时间尺度决定破坏

$J=\int F\,dt=\Delta p$
2第 2 页 · 冲击载荷的基本概念

人体受伤机理的定义与分类

上一节我们讲了冲击载荷怎么定义——力的大小×作用时间决定能量多少。这一节看这些能量到了人体之后，伤害到底是怎么发生的。

直接机械损伤
撞击物直接作用在身体某处，造成局部穿刺、撕裂、骨折
间接损伤
力没作用在此处，却通过惯性传递或挤压，让远处组织受伤
区分关键
看「力的落脚点」与「伤害发生的部位」是否在同一个地方
用手拍桌子 vs 推倒第一块多米诺对应 →直接损伤 vs 间接损伤

手拍=接触点直接裂开；多米诺=撞头倒下的是尾端

3第 3 页 · 人体受伤机理的定义与分类

冲击载荷下人体响应的发展过程

冲击下人体的响应是从外到内、从形变到损伤的连续时序过程。

1
接触与载荷输入
身体与车内结构接触，外力开始作用于体表
2
载荷向体内传递
力经软组织传至骨骼，骨骼成为主要承载路径
3
组织与器官响应
内脏因惯性产生相对运动，承受压力与剪切并变形
4
损伤阈值突破
局部应变超过耐受极限，发生骨折、器官破裂或出血
5
整体运动与二次碰撞
身体整体位移，可能下潜、抛射或造成二次冲击
4第 4 页 · 冲击载荷下人体响应的发展过程

冲击载荷下人体的力学响应概述

用手指戳脸颊——你感受到'力'，脸颊凹下去叫'变形'。碰撞中人体受的也是这两件事：力随时间怎么变、组织怎么变形。工程师靠这两把尺子判断伤不伤。

力-时间曲线
冲击过程中力的大小随时间变化的曲线，分加载、峰值、卸载三段
弹性与塑性变形
力小时形变能恢复（弹性），超过阈值则永久变形或破裂（塑性=损伤）
变形速率敏感
同样的力，作用时间越短伤害越大——组织来不及缓冲变形
能量吸收
力-变形曲线下方的面积代表吸收的能量，面积越大伤害越严重
用力按压一个软沙发垫对应 →人体组织在冲击下的力学响应

慢慢按能弹回（弹性），猛压一下就闷在里面（塑性）；按得越急越费力——对应速率效应

J=∫F dt=m⋅ΔvJ = \int F \, dt = m \cdot \Delta v
5第 5 页 · 冲击载荷下人体的力学响应概述

冲击载荷下人体胸部的力学响应

上一页讲过人体各部位对冲击的整体响应策略——刚度匹配、分层缓冲。胸廓作为人体最大的中空结构，它的力学行为既特殊又关键：既不能太硬伤内脏，也不能太软挡不住。

粘弹性双重特性
同时具备弹性（像弹簧，能回弹）与粘性（像阻尼，耗散能量），响应取决于变形量和变形速率
三阶段变形过程
初始低刚度阶段→压缩30mm后刚度急剧上升→极限破坏，前后刚度可相差数倍
加载速率敏感
同等变形量下，加载速度越快所需冲击力越大，胸部损伤阈值显著降低
力-变形曲线特征
呈强非线性，曲线下面积代表吸收能量，是评估防护性能的核心指标
各向异性结构
胸骨、肋骨弓、侧肋各向刚度差异大，正碰与侧碰响应截然不同
捏海绵的快慢对应 →胸廓冲击速率效应

慢慢捏形变大、用力小；快速用力捏海绵变硬、所需力暴增，损伤风险陡升

F(Δ)=k(Δ)Δ+c(Δ)Δ˙F(\Delta) = k(\Delta)\Delta + c(\Delta)\dot{\Delta}
6第 6 页 · 冲击载荷下人体胸部的力学响应

冲击载荷下人体头部的力学响应

上一页我们看到胸部像气囊一样吸收冲击，但头部完全不同。想象不戴头盔时前额撞上方向盘的那一瞬——颅骨这个硬壳里究竟发生了什么？

颅骨——封闭刚性腔
体积近似不变，受压时无法靠膨胀释放压力（Monro-Kellie 定律）
脑组织——近似不可压缩
剪切模量远小于体积模量，受压几乎不变形，以压力传递为主
压力波颅内反射叠加
冲击波在内壁多次反射，形成局部高压区
对冲伤机制
惯性使脑组织撞向撞击点对侧的颅壁，常伤于远离冲击处
装满水的硬塑料盒对应 →颅骨与脑组织

硬盒不变形、水压不动——挤压一侧时水冲向对侧撞击盒壁

V脑+V血+V脑脊液=constV_{\text{脑}} + V_{\text{血}} + V_{\text{脑脊液}} = \text{const}
7第 7 页 · 冲击载荷下人体头部的力学响应

人体的损伤容限概述

损伤容限的定义与重要性

人体的损伤容限概述
损伤容限的定义与重要性
8第 8 页 · 人体的损伤容限概述

胸部碰撞损伤容限

胸压指标与AIS评级的关系图解

胸部碰撞损伤容限
胸压指标与AIS评级的关系图解
9第 9 页 · 胸部碰撞损伤容限

头部碰撞损伤容限

HIC评估流程：加速度信号如何一步步转化为颅脑损伤等级

图解渲染中…
a4：选不同窗长，影响对短/长脉冲的敏感度a5：短脉冲冲击，FMVSS 208法规采用a6：长持续冲击，欧标ECE R21常用a7：阈值240/700/1000对应不同损伤概率
10第 10 页 · 头部碰撞损伤容限

胸部与头部损伤标准的对比

胸部用形变和黏性准则，头部用加速度和HIC——同是耐限，为什么指标完全不同？

胸部损伤准则
  • 核心指标：胸部位移与黏性准则VC
  • 防护对象：肋骨骨折与内脏挫伤
  • 适用时长：中长持续载荷50~150ms
  • 典型阈值：压缩≤50mm，VC≤1.0
头部损伤准则
  • 核心指标：合成加速度与HIC
  • 防护对象：脑震荡与颅脑损伤
  • 适用时长：短时冲击载荷3~15ms
  • 典型阈值：HIC15≤700，a≤80g
胸部关注'挤碎'——形变和黏性；头部关注'震荡'——加速度峰值。同是人体，损伤机理不同，准则自然分家。
11第 11 页 · 胸部与头部损伤标准的对比

人体冲击力学的试验方法概述

试验方法分类与技术路线

人体冲击力学的试验方法概
试验方法分类与技术路线
12第 12 页 · 人体冲击力学的试验方法概述

试验设备与方法的对应关系

从三种试验手段出发，每条分支展开其典型适用场景与能力特点。

图解渲染中…
损伤阈值标定：确定人体组织开始发生损伤的力学临界值参数化扫描：系统改变速度、角度等输入，逐个分析响应
13第 13 页 · 试验设备与方法的对应关系

假人试验与尸体试验

上一页我们梳理了试验方法与设备的对应关系。这页聚焦其中最核心的两类——假人与尸体试验，它们在碰撞生物力学研究中互为补充。

Hybrid III假人
标准化物理模型，全身布置传感器，可反复复现同一碰撞工况。
生物力学尸体试验
使用真实人体标本，反映肌肉骨骼内脏的真实生物力学响应。
互补关系
假人关键参数以尸体试验数据标定，两者结果需交叉验证。
各自局限
尸体受伦理与样本差异限制；假人缺乏生物活性响应。
飞行模拟器与实跳训练对应 →假人试验与尸体试验

模拟器标准化、可重复、便宜；实跳贴近真实生理但次数极少

14第 14 页 · 假人试验与尸体试验

数值仿真方法

前页用损伤容限与试验结果回答“人体能承受多大冲击”，仿真还要追问：冲击在人体内部如何传递，哪个部位先超限？

有限元模型
把人体的骨、软组织等划成有限单元，计算碰撞中的应力、应变与接触压力。
多体动力学
用刚体、柔性体和关节连接表示人体，计算整体姿态、运动及载荷传递。
两类方法分工
有限元偏局部形变，多体偏全身运动；工程上可按精度、算力与目标分工或耦合。
模型可信度
仿真结果要用假人、尸体或实测数据校准，模型逼真不等于预测必然可靠。
事故录像与局部慢放对应 →多体与有限元仿真

录像对应全身运动和姿态，多体负责；慢放对应局部形变，有限元负责。

15第 15 页 · 数值仿真方法

人体其他部位碰撞损伤研究

前面讲了头和胸——它们有头盔、安全带、气囊重点保护。但人体并非只有这两块：颈椎像吊在躯干上的摆锤，下肢贴着仪表台与地板，这些部位的损伤机制完全不同。

颈部挥鞭样损伤
追尾或急刹时躯干先被座椅/安全带拉住，头因惯性滞后再猛甩，颈椎呈S形反折，损伤韧带与椎间盘
脊柱骨折
轴向冲击或腰带勒紧时椎体承受纯压缩力而发生楔形骨折；屈曲-拉伸载荷可致Chance骨折
下肢损伤
正面碰撞中AIS≥2级损伤最常出现在下肢：胫骨平台、股骨、膝关节、足踝，致残率高于头胸损伤
上肢与足踝损伤
方向盘反作用与气囊展开造成前臂、锁骨骨折；脚踏板与地板侵入是足踝损伤的主要来源
吊在线下的灯笼对应 →挥鞭样损伤中头颈的滞后运动

线=颈椎，车突然加速时头（灯笼）因惯性滞后，线被猛扯一下

16第 16 页 · 人体其他部位碰撞损伤研究

知识体系总结

  • ✓损伤评估遵循'载荷-响应-容限'三环闭环
  • ✓胸部侧重压缩损伤，头部侧重加速度损伤
  • ✓假人、尸体、数值仿真三者互补、各有边界
  • ✓损伤容限标准受个体差异与加载条件制约
  • ✓研究边界正向颈部、脊柱等部位延伸
延伸主题：主动安全系统如何降低碰撞损伤有限元人体模型的建模与验证特殊人群的碰撞损伤机理
17第 17 页 · 知识体系总结

课后思考

先自己想，再看参考答案——带着问题走出课堂。

1为什么不同身体部位的损伤容限标准差异这么大？

参考答案思考路径：差异源于组织特性——胸部是含气含血的腔体，能承受较大变形但怕持续压迫；头部是密质骨包软组织，怕的是加速度引发的脑组织相对运动。

2如果碰撞速度降低一半，损伤机理一定按比例减轻吗？

参考答案不一定。冲击响应存在阈值和饱和效应：低速下可能出现完全不同的机理（如挥鞭伤、低速颈部损伤），而非高速下典型的骨折和内脏破裂。

3假人试验数据能直接用来评估真实人体的损伤风险吗？

参考答案不能简单直接套用。假人生物逼真度有限，尸体试验补充了组织响应但缺乏活体生理反应，数值仿真能模拟个体差异——三者各有适用边界。

18第 18 页 · 课后思考
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