《Results in Engineering》：Development of a finite element-multibody coupled model for child brain injury prediction in electric two-wheeler accidents
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针对传统多体（MB）与有限元（FE）建模在儿童损伤预测中难以平衡精度与效率的问题，Zengbo Zhang等开发了FE-MB耦合模型，将FE头颈模型与MB儿童模型整合，验证显示峰值力误差<5%，计算时间
随着电动两轮车（ETW）在亚太及欧洲市场的普及，其交通事故已成为重要公共安全问题。儿童由于神经系统仍在发育，生理脆弱性使其在ETW碰撞中面临更高风险——据世界卫生组织统计，儿童创伤性脑损伤（TBI）占ETW-轿车碰撞严重伤害的38%–45%，死亡率是成年骑手的1.8倍。然而，准确预测儿童脑损伤面临两难困境：多体（MB）模型计算高效但无法捕捉脑组织变形；有限元（FE）模型虽能解析组织应变，却计算成本高昂且难以调整儿童骑行姿势。更棘手的是，现有成人FE-MB耦合方法无法直接迁移至儿童，因两者在解剖缩放和组织特性上存在显著差异。如何开发兼顾精度与效率的儿童专用模型，成为揭示损伤机制、优化防护设计的关键瓶颈。
为破解这一难题，Zengbo Zhang、Qiang Liu等来自中山大学深圳校区智能系统工程学院的研究团队，在《Results in Engineering》发表了创新性研究。他们构建了全球首个针对ETW-轿车碰撞的儿童FE-MB耦合模型，将高保真FE头颈模型与MB儿童模型整合，同时建立FE引擎盖与MB轿车模型的耦合系统。通过头部/面部冲击验证、事故重建及参数敏感性分析，系统评估了模型可靠性，并揭示了引擎盖位置偏移对儿童运动学响应及脑损伤的调控规律。
研究采用的关键技术方法包括：（1）基于THUMS 6岁儿童模型提取FE头颈复合体（184,502单元），通过壳单元交互界面与MB儿童模型（Hybrid III 6YO）实现运动学耦合约束；（2）采用LS-DYNA与MADYMO耦合求解，建立FE-MB双向力-运动传输；（3）以23.4 kg冲击器进行2.0/5.5 m/s头部冲击及13.0 kg冲击器6.73 m/s面部冲击验证；（4）基于真实监控录像重建ETW（18 km/h）与轿车（26 km/h）60°角碰撞事故；（5）运用最大主应变（MPS，阈值0.88）和累积应变损伤测量（CSDM，阈值55%）评估脑挫伤与弥漫性轴索损伤（DAI）风险；（6）系统分析网格尺寸（1.25–5 mm）、接触间隙（0–1.5 mm）及颈椎连接模式（C4/C6单椎体 vs. 多椎体+椎间盘）对计算稳定性的影响；（7）设置±20 mm的X/Z向引擎盖偏移参数研究。
研究结果部分，研究首先在"耦合儿童模型性能评估"中验证模型有效性。头部冲击（2.0 m/s）显示耦合模型峰值力4,117.46 N，与FE模型（4,048.51 N）和MB模型（4,113.51 N）误差分别仅1.7%和0.1%；5.5 m/s冲击下误差仍<5%。面部冲击（6.73 m/s）峰值力15,045.64 N，误差<3%。关键效率指标上，耦合模型计算时间952秒，虽慢于纯MB模型（25秒），但仅为全尺度FE模型（9,773秒）的<10%。HIC误差亦<5%，证实模型兼具生物保真度与计算经济性。
在"事故重建运动学验证"中，研究团队通过真实案例重建检验模型可靠性。监控显示ETW以26 km/h撞击轿车左前部，制动减速度7.1 m/s。耦合模型准确复现了儿童头部撞击引擎盖（0.20秒）、成人-儿童头部相互挤压缓冲、以及儿童头部较晚触地（1.04秒 vs. MB模型0.90秒）的复杂运动学序列。耦合模型HIC（1,433.91）较MB模型（1,306.65）高9.74%，与实际事故报告的蛛网膜下腔出血（AIS 4级）严重颅内损伤风险一致，凸显了高保真颅骨几何对捕捉头部间瞬态接触缓冲效应的必要性。
"儿童乘客侧向碰撞响应"部分揭示了典型碰撞场景（轿车40 km/h垂直撞击ETW 15 km/h）的损伤机制。运动学上，儿童下肢接触保险杠、上肢撞击引擎盖后被抛射空中，左臂与成人碰撞，头部于130毫秒撞击引擎盖，身体旋转约430°后右足先触地（1,000毫秒），头部最终1,070毫秒触地。脑挫伤方面，儿童遭受对冲性脑挫伤，左脑MPS达0.76，峰值位于脑干-大脑相邻区；头部触地时MPS升至0.81，峰值转移至大脑，反映冲击点差异（头顶部vs下颌部）导致的变形模式变化。DAI评估显示CSDM为48.01%，低于50%风险阈值；峰值首次出现于头-引擎盖撞击期，小脑因硬脑膜缓冲作用DAI风险最低，大脑与脑干风险最高。
"耦合模型参数研究"深入探讨数值稳定性。网格敏感性分析表明，头颈耦合模型5 mm边界网格即可保证峰值力预测精度，而单纯头部耦合需2.5 mm；1.25 mm网格虽精度最高但可能因刚度失配导致求解错误。接触间隙研究显示，<1.5 mm间隙会因限制头颈晚期旋转产生二次力峰，建议FE头部模型采用1.5 mm间隙以提升稳健性，而头颈模型因边界位于颈基部对间隙不敏感。颈椎连接模式比较发现，单椎体连接（C4或C6）刚度最弱、波动最小，多椎体+椎间盘连接刚度最强；推荐采用C6单椎体连接以最小化耦合刚度干扰。
"引擎盖位置对儿童乘客的影响"参数研究具有重要工程价值。X向偏移（±20 mm）对运动学影响微弱，仅负偏移时儿童右足触地姿态略有差异。Z向偏移则显著改变动力学：正偏移增加头-引擎盖接触区、提升能量吸收，降低后续阶段头重心线速度（V）；负偏移则相反。脑损伤风险呈现复杂规律——Z-20 mm模型DAI风险超50%（CSDM峰值出现于头-地撞击），而Z+20 mm因撞击点靠近颅顶、压力波衰减，DAI风险显著降低。脑挫伤风险在初始、Z-20 mm及Z+10 mm模型中超50%，Z向偏移>10 mm时负偏移显著增加、正偏移显著降低CSDM。
研究结论与讨论部分强调，FE-MB耦合模型成功平衡了计算效率与生物保真度，为儿童ETW乘客脑损伤研究提供了可扩展的工具平台。Z向引擎盖位置对运动学及脑损伤风险的显著调控作用，揭示了车辆前端几何设计（尤其是引擎盖前缘高度）作为儿童保护关键靶点的工程意义。研究局限性包括未考虑肌肉主动响应、采用成人脑组织阈值及未纳入头盔防护，未来需在这些方向深化。该工作不仅填补了儿童ETW乘客损伤机制的研究空白，更为儿童友好型车辆前端结构的大规模参数化优化奠定了方法论基础，对降低亚太地区高发的ETW相关儿童TBI具有直接公共卫生价值。
