随着汽车被动安全研究的不断深入,建立在交通碰撞环境下与真实人类具有高逼真度的数字化假人模型和实验用假人,成为近年来研究人员关注的重点和探索的热点。碰撞发生前乘员的本能性反应,会改变乘员碰撞时的姿态以及载荷分布,最终影响碰撞结果。在碰撞仿真中,采用符合真实乘员肌肉募集策略的肌肉激活配置主动式人体数字模型,客观地评价汽车碰撞中人体损伤机制,可以为车辆结构和乘员约束系统提供设计依据。本文提出从生物力学、实验,探索在真实碰撞事故环境下车辆乘员的颈部骨骼肌肉的肌肉募集策略和损伤机理,研究驾驶员临撞下颈部本能性反应,及其对颈部损伤的影响,建立面向碰撞过程模拟的具有生理变化功能的高仿生度数字化人体模型,并以此进行车辆乘员损伤机理研究,为碰撞安全保护技术提供依据。主要研究内容如下:首先,利用驾驶模拟器构造具有高度虚拟现实感的汽车正碰工况,嵌入真实驾驶员,使用生理记录仪采集在碰撞发生瞬间驾驶员的部分颈部肌肉信号,研究突发正面碰撞中驾驶员颈部肌肉激活。选取10名志愿者分别以20km/h,50km/h,80km/h,100km/h驾驶模拟器,记录在碰撞发生时驾驶员胸锁乳突肌、头夹肌和斜方肌的肌肉电信号,计算它们的激活程度。实验结果表明由于驾驶员在意识到即将发生的碰撞时一般会发生本能性自我保护动作,此时主要工作肌群的肌肉电信号较正常驾驶时明显升高,头夹肌激活程度较正常驾驶升高了13%,斜方肌激活程度则升高了23%。肌电信号随着车速增加呈现整体增大态势,胸锁乳突肌和斜方肌的激活程度增幅较大,但头夹肌激活程度增幅不大。其次,提出了基于颈部生理结构特征的肌肉激活计算方法,对正面碰撞驾驶员全部颈部肌肉激活进行分析,通过在碰撞仿真中为主动假人设置颈部肌肉激活,研究正面碰撞时颈部肌肉活动对颈部损伤的影响。按照解剖结构将颈部肌肉分为深层肌肉和浅层肌肉两部分,使用优化算法计算深层肌肉激活程度;在志愿者实验数据的基础上,依据解剖结构和功能分组计算浅层肌肉激活程度。通过碰撞仿真分析,在低速正面碰撞中颈部主动肌肉力能够降低颈部损伤,高速碰撞中情况则比较复杂,以斜方肌为代表的后侧肌肉会产生离心收缩而受到损伤。依据志愿者低速正面台车碰撞实验,获得由冲击力触发颈部肌肉激活。通过仿真发现,冲击力引起的肌肉激活,对低速碰撞的乘员运动和损伤影响较大,对高速碰撞影响较小。然后,依据惊跳反射的肌肉激活策略和应激反射激活策略,研究后碰撞时颈部肌肉活动以及对颈部损伤的影响。惊跳反射通过两个一阶系统实现,并考虑了神经系统延迟;应激反射激活从嵌入志愿者的低速后碰撞台车实验中获得。在此基础上,使用静态优化算法分别计算碰撞发生前深层肌肉和浅层肌肉的激活值。两种方法结合起来,表征后碰撞发生时乘员颈部肌肉激活。在碰撞仿真中发现,颈部肌肉力会减轻后碰撞时颈部损伤;在低速后碰撞中,由于冲击力较小,乘员颈部没有受到伤害,颈部肌肉力对乘员的运动姿态影响较大。接下来,在考虑乘员肌肉收缩的基础上,乘员分别采取上身前倾和头部向右转动30°的驾乘姿态对颈部损伤的影响。惊跳反射降低颈部在后碰撞中的损伤指标,相比于正常姿态,头部向右转动会降低损伤指标,头部前倾会加大对颈部的伤害。最后,按照姿态保持的肌肉控制策略,研究了乘员应对由汽车自动紧急制动引起的外部低载荷干扰。PID控制器使用颈椎角度和长度两个闭环控制模拟姿态保持的肌肉募集策略控制浅层肌肉,静态优化的方法计算深层肌肉激活。深层肌肉的激活程度决定颈椎的刚度,相比于最小激活和最大激活,深层肌肉采用中等激活,PID控制器的对颈部取得最佳控制效果。仿真结果表明,由于自动紧急制动的作用,主动模型和被动模型在颈部肌肉力和运动姿态上存在区别,致使碰撞发生时两者的约束条件存在差异,主动模型的各项指标均高于被动模型。