【The K 聊汽车安全（2）】汽车工程是如何进行人体伤害评价的？
汽车碰撞安全设计主要考量的，就是在发生碰撞事故时保护乘员和行人等道路弱势群体，减轻事故给乘员和道路弱势群体造成的伤害。我们在上一讲中已经对全球主要的汽车安全法规和C-NCAP类第三方评价规程进行了详细的解读。The K：【The K 聊汽车安全（1）】带你认识全球汽车碰撞安全法规不管是什么安全法规，判断安全性能好坏的标准，都是以人为本，从人可能受到伤害的严重程度出发，综合评价，从而给出车辆的安全等级。那么，如何对人体所受伤害的严重程度进行评价呢？总体而言，人体伤害一般分为两个评价维度：第一，人体各部位所能承受的机械载荷限值。第二，根据伤害风险曲线来判断载荷作用下发生伤害的可能性。一般来说，我们按不同的区域将人体的损伤度量区域分为头部、颈部、胸部、下肢。接下来我将分部位给大家介绍评价捋一捋，针对人体不同区域，汽车工程是如何对所受伤害的严重程度进行评价的。头部伤害头部是人体中极为重要且易受伤害的部位。一旦头部遭受外伤，可能导致头骨骨折或变形，进而压迫内部的软组织，造成损伤。在没有明显外伤的情况下，头部的撞击也可能引起内部软组织的伤害。这种情况通常是因为内部软组织与头骨之间发生剧烈碰撞，这种现象在汽车安全领域被称为"三次碰撞"。“一次碰撞”指的是事故的起因，例如车与外界车辆或障碍物之间的碰撞。“二次碰撞”指的是事故发生后，乘员的身体在车内与车辆之间发生的碰撞。“三次碰撞”指的是乘员身体内部的器官与身体腔体之间发生的碰撞。当头部承受过大的外部加速度时，就会引起大脑内组织发生“三次碰撞”。汽车三次碰撞示意图保护头部非常重要，特别是在可能发生撞击的情况下。正常情况下，大脑组织漂浮在一层脑脊液中，这层液体像一个缓冲垫，通常可以防止与颅骨内表面发生磕碰，避免大脑受损。但在车祸等情况下，即使没有直接撞击，头部的快速移动也可能让大脑和头骨发生碰撞，导致脑震荡。脑部“三次碰撞”伤害与颈部受力生物力学的研究表明，头部受伤的严重性不仅取决于头部受到的最快加速度有多大，还取决于这种加速度作用了多久。简单来说，如果加速度很高但作用时间很短，可能就不会对人脑造成伤害。所以我们用来评价头部损伤的关键指标，既包含冲击加速度，也包含持续时间。起源于美国军方的Wayne伤害曲线WSTC（Wayne State Tolerance Curve）是当下头部伤害评价的原型基础，WSTC是全球第一个基于生物力学研究的头部损伤标准。WSTC 描述的是，给定不同的持续时间内，不会导致颅骨骨折的最大加速度限值。也就是说，加速度和持续作用时间在。这是第一个基于生物力学研究的头部损伤标准 。NHTSA根据WSTC理论，提出了80g、3ms的头部撞击标准。就是说超过80g以上加速度的作用时间不得超过3ms。这个标准，至今还广泛应用于汽车内饰、安全座椅的要求中。Wayne伤害曲线WSTC（Wayne State Tolerance Curve）（1966年修正）各法规主管部门和NCAP评测机构，后续在WSTC基础上衍生和发展出了很多种评价指标。目前应用最为广泛的是头部伤害指数HIC（Head Injury Criterion）。NHTSA于1972年开始采用HIC，并沿用至今。HIC是对图所示的加速度-时间波形积分，在任意两个时间点t 1 和t 2 之间，计算平均加速度，并同时考虑时间因素和头部的加权指数2.5，构建一个新的头部伤害指数HIC（Head Injury Criterion）目前Δt =t1 -t2的时间区域长度，广泛采用的是15ms，对应的头部伤害指数为HIC15。除了HIC值，对头部的伤害还需要考虑加速度峰值，因为短于3ms的加速度峰值也不会给大脑带来实质伤害，所以一般会考虑持续3ms以上的加速度峰值。举例来说，我们在第一讲中所介绍过的C-NCAP评价规程，正面MPDB碰撞前排假人的头部评价指标，就是由HIC15和累计3ms合成加速度值进行评价。C-NCAP评价规程2024版，正面MPDB碰撞前排假人的头部评价指标在理解了头部伤害的评价逻辑之后，对其他身体部位的伤害评价逻辑理解起来就简单了。颈部伤害颈部承受的最大轴向负荷是通过研究足球运动中的受伤情况来确定的。拉伸和剪切负荷的极限值是基于模拟实际碰撞场景来建立的。而颈部的弯曲负荷极限则是通过在志愿者身上进行台车实验来测量得到的。以下是相关研究中测量到的颈部承受负荷的极限数据。载荷类别限值轴向压缩4 000N轴向拉伸3 300N前／后向剪切力3 100N前曲弯矩190N·m后仰弯矩57N·m基本上所有的颈部伤害直接评价指标都来源于此，或是基于以上基础指标派生出来的指标。以C-NCAP评价规程2024版为例，在正面100%重叠刚性壁障碰撞试验和正面50%重叠移动渐进变形壁障（MPDB）碰撞试验的评价标准中，对颈部伤害的评价指标，采用了以上轴向拉伸、前/后向剪切力和后仰弯矩三项评价指标。C-NCAP评价规程2024版，正面100%碰撞前排假人颈部评价指标胸部伤害胸部伤害评价指标一般是由胸部压缩变形量和粘性指数（VC）两个指标进行判断。粘性指数（VC）是瞬时胸部变形率（V ）与瞬时胸部变形（C ）的乘积。胸部压缩量定义为瞬时胸部变形相对于初始胸部厚度的比率。C-NCAP评价规程2024版，正面100%碰撞前排假人胸部评价指标下肢伤害虽然乘员约束系统性能的提高能够显著减少上肢的伤害，但对下肢的关注远不及头部和胸部。这是因为下肢伤害通常不会致命。以C-NCAP评价规程2024版正面100%碰撞前排假人下肢伤害评价指标为例。规程将大腿和小腿分开进行了评价。其中，大腿主要由大腿压缩力和膝盖滑动位移两项指标构成。C-NCAP评价规程2024版，正面100%碰撞前排假人大腿评价指标小腿主要由胫骨指数和小腿压缩力两项指标构成。C-NCAP评价规程2024版，正面100%碰撞前排假人小腿评价指标其中胫骨指数TI是用来衡量胫骨载荷极限的指标，由轴向压缩力Fz、内翻／外翻力矩Mx 与背屈／跖屈力矩My的合力矩MR的加权组合计算而成。计算公式如下：Mx和My示意图 来源：知乎 www.zhihu.com 作者：The K 【知乎日报】千万用户的选择，做朋友圈里的新鲜事分享大牛。 点击下载
汽车碰撞安全设计主要考量的，就是在发生碰撞事故时保护乘员和行人等道路弱势群体，减轻事故给乘员和道路弱势群体造成的伤害。
我们在上一讲中已经对全球主要的汽车安全法规和C-NCAP类第三方评价规程进行了详细的解读。The K：【The K 聊汽车安全（1）】带你认识全球汽车碰撞安全法规
不管是什么安全法规，判断安全性能好坏的标准，都是以人为本，从人可能受到伤害的严重程度出发，综合评价，从而给出车辆的安全等级。
那么，如何对人体所受伤害的严重程度进行评价呢？
总体而言，人体伤害一般分为两个评价维度：第一，人体各部位所能承受的机械载荷限值。第二，根据伤害风险曲线来判断载荷作用下发生伤害的可能性。
一般来说，我们按不同的区域将人体的损伤度量区域分为头部、颈部、胸部、下肢。
接下来我将分部位给大家介绍评价捋一捋，针对人体不同区域，汽车工程是如何对所受伤害的严重程度进行评价的。
头部伤害
头部是人体中极为重要且易受伤害的部位。
一旦头部遭受外伤，可能导致头骨骨折或变形，进而压迫内部的软组织，造成损伤。
在没有明显外伤的情况下，头部的撞击也可能引起内部软组织的伤害。这种情况通常是因为内部软组织与头骨之间发生剧烈碰撞，这种现象在汽车安全领域被称为"三次碰撞"。
“一次碰撞”指的是事故的起因，例如车与外界车辆或障碍物之间的碰撞。
“二次碰撞”指的是事故发生后，乘员的身体在车内与车辆之间发生的碰撞。
“三次碰撞”指的是乘员身体内部的器官与身体腔体之间发生的碰撞。当头部承受过大的外部加速度时，就会引起大脑内组织发生“三次碰撞”。
保护头部非常重要，特别是在可能发生撞击的情况下。
正常情况下，大脑组织漂浮在一层脑脊液中，这层液体像一个缓冲垫，通常可以防止与颅骨内表面发生磕碰，避免大脑受损。但在车祸等情况下，即使没有直接撞击，头部的快速移动也可能让大脑和头骨发生碰撞，导致脑震荡。
生物力学的研究表明，头部受伤的严重性不仅取决于头部受到的最快加速度有多大，还取决于这种加速度作用了多久。简单来说，如果加速度很高但作用时间很短，可能就不会对人脑造成伤害。
所以我们用来评价头部损伤的关键指标，既包含冲击加速度，也包含持续时间。
起源于美国军方的Wayne伤害曲线WSTC（Wayne State Tolerance Curve）是当下头部伤害评价的原型基础，WSTC是全球第一个基于生物力学研究的头部损伤标准。
WSTC 描述的是，给定不同的持续时间内，不会导致颅骨骨折的最大加速度限值。也就是说，加速度和持续作用时间在。这是第一个基于生物力学研究的头部损伤标准 。
NHTSA根据WSTC理论，提出了80g、3ms的头部撞击标准。就是说超过80g以上加速度的作用时间不得超过3ms。这个标准，至今还广泛应用于汽车内饰、安全座椅的要求中。
各法规主管部门和NCAP评测机构，后续在WSTC基础上衍生和发展出了很多种评价指标。目前应用最为广泛的是头部伤害指数HIC（Head Injury Criterion）。
NHTSA于1972年开始采用HIC，并沿用至今。
HIC是对图所示的加速度-时间波形积分，在任意两个时间点t 1 和t 2 之间，计算平均加速度，并同时考虑时间因素和头部的加权指数2.5，构建一个新的头部伤害指数HIC（Head Injury Criterion）
目前Δt =t1 -t2的时间区域长度，广泛采用的是15ms，对应的头部伤害指数为HIC15。
除了HIC值，对头部的伤害还需要考虑加速度峰值，因为短于3ms的加速度峰值也不会给大脑带来实质伤害，所以一般会考虑持续3ms以上的加速度峰值。
举例来说，我们在第一讲中所介绍过的C-NCAP评价规程，正面MPDB碰撞前排假人的头部评价指标，就是由HIC15和累计3ms合成加速度值进行评价。
在理解了头部伤害的评价逻辑之后，对其他身体部位的伤害评价逻辑理解起来就简单了。
颈部伤害
颈部承受的最大轴向负荷是通过研究足球运动中的受伤情况来确定的。拉伸和剪切负荷的极限值是基于模拟实际碰撞场景来建立的。而颈部的弯曲负荷极限则是通过在志愿者身上进行台车实验来测量得到的。以下是相关研究中测量到的颈部承受负荷的极限数据。
| 载荷类别 | 限值 |
|---|---|
| 轴向压缩 | 4 000N |
| 轴向拉伸 | 3 300N |
| 前／后向剪切力 | 3 100N |
| 前曲弯矩 | 190N·m |
| 后仰弯矩 | 57N·m |
基本上所有的颈部伤害直接评价指标都来源于此，或是基于以上基础指标派生出来的指标。
以C-NCAP评价规程2024版为例，在正面100%重叠刚性壁障碰撞试验和正面50%重叠移动渐进变形壁障（MPDB）碰撞试验的评价标准中，对颈部伤害的评价指标，采用了以上轴向拉伸、前/后向剪切力和后仰弯矩三项评价指标。
胸部伤害
胸部伤害评价指标一般是由胸部压缩变形量和粘性指数（VC）两个指标进行判断。
粘性指数（VC）是瞬时胸部变形率（V ）与瞬时胸部变形（C ）的乘积。胸部压缩量定义为瞬时胸部变形相对于初始胸部厚度的比率。
下肢伤害
虽然乘员约束系统性能的提高能够显著减少上肢的伤害，但对下肢的关注远不及头部和胸部。这是因为下肢伤害通常不会致命。
以C-NCAP评价规程2024版正面100%碰撞前排假人下肢伤害评价指标为例。规程将大腿和小腿分开进行了评价。
其中，大腿主要由大腿压缩力和膝盖滑动位移两项指标构成。
小腿主要由胫骨指数和小腿压缩力两项指标构成。
其中胫骨指数TI是用来衡量胫骨载荷极限的指标，由轴向压缩力Fz、内翻／外翻力矩Mx 与背屈／跖屈力矩My的合力矩MR的加权组合计算而成。计算公式如下：
来源：知乎 www.zhihu.com
作者：The K
【知乎日报】千万用户的选择，做朋友圈里的新鲜事分享大牛。
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