基于人體有限元模型的汽車前碰撞中駕駛員下肢損傷生物力學研究.pdf

1、隨著安全帶配帶率的提升及安全氣囊在汽車中的普遍使用，乘員頭部及胸部在交通事故中受到嚴重損傷的比例持續(xù)降低。美國NASS/CDS的1993－2001年事故統(tǒng)計結果顯示，在前碰撞所有AIS2+損傷中，下肢占36％，損失的生命年（LLI）所占比率達到了46%，下肢損傷已超過頭、胸部成為事故中受到中等程度及以上（AIS2+）損傷風險最大的部位。下肢損傷一般不是交通事故中導致乘員死亡的直接因素，但其恢復期較長、且會導致巨大的傷痛、下肢生理機能喪失

2、甚至殘疾，是汽車碰撞安全研究中不容忽視的問題。
　　為了更好地分析乘員下肢在前碰撞中的損傷機理及耐受限值，本文基于一名中等身材的成年男性下肢解剖學結構，使用軟件Hyperworks11.0建立起一個能較好反映下肢生理學特征的坐姿下肢有限元模型，模型包含骨骼（骨盆、骶骨、股骨、髕骨、脛/腓骨、足部骨骼）及軟組織（肌肉、皮膚、關節(jié)囊、關節(jié)軟骨、韌帶、肌腱）。建立后的下肢模型含有97個部件，單元總數(shù)為65,626。其中實體單元為40,1

3、55，殼體單元25,263，彈簧單元208個。通過與9組經典的尸體實驗結果對比驗證，表明下肢有限元模型建模方法正確、材料選用合理，具有較好的生物逼真度，可用于后續(xù)的乘員下肢損傷機理及損傷預測研究中。
　　基于建立的乘員下肢模型，文中開展了一系列前碰撞載荷條件下的車內乘員下肢損傷生物力學研究，包括：股骨在受到膝部軸向壓力-外部彎矩時的損傷機理、耐受限值研究；乘員下肢受膝墊碰撞力作用時不同髖關節(jié)姿態(tài)對骨盆損傷的影響分析；足/踝部在乘員

4、艙侵入條件下的損傷機理及防護參數(shù)研究。最后，結合整車有限元模型進行了不同重疊率前碰撞下的下肢損傷對比分析。
　　在建立下肢模型基礎上，本文就股骨生理特性對其耐受限值的影響進行分析。在之后開展的外部彎矩對股骨耐受限值影響研究中，本文使用曲梁力學模型及有限元虛擬實驗分析了股骨分別受到膝部軸向壓力-股骨髁彎矩及膝部軸向力-股骨干橫向沖擊彎矩兩種形式載荷時的損傷機理及耐受限值。結果表明：外部彎矩載荷不僅會影響到股骨的失效部位，而且會影響到

5、股骨的耐受限值。在6組受軸向力-股骨髁彎矩載荷的虛擬試驗中，預加軸向力為8.0kN及以上時，失效部位發(fā)生股骨頸部，其失效截面彎矩為285Nm~295Nm，而預加軸向力為0-6kN時，失效位置在距股骨末端134.9~171mm的股骨干區(qū)域，其失效截面彎矩為381Nm~443Nm；在受軸向力-股骨干橫向沖擊載荷的虛擬試驗中，載荷為8.0kN-0.64kN及8.9kN-0kN時，失效同樣發(fā)生股骨頸部，其失效截面彎矩為307.2Nm和296Nm

6、；而預加軸向力為0-6kN時，股骨中截面骨折，失效彎矩為382 Nm~400.7 Nm。研究結果解釋了膝部軸向沖擊實驗中股骨失效全發(fā)生在頸部，而前碰撞事故中卻有大量股骨干骨折發(fā)生時軸向力比損傷準則(10kN)中小的現(xiàn)象。
　　基于下肢模型，本文進行了不同的髖關節(jié)屈曲角及展角下的膝部軸向力沖擊虛擬試驗研究。結果表明：由于髖臼壁各受力點強度不同，膝部軸向沖擊下的髖關節(jié)姿態(tài)會直接影響到骨盆骨折部位及失效值。隨著髖關節(jié)屈曲角及展角的增大，

7、損傷部位由髂骨轉移到髖臼。骨盆失效值隨屈曲角的增加而增大13.5%~34.4%，但其失效值隨展角的增加先增大后減小，且變化范圍為6.0%~20.9%。
　　足/踝部是前碰撞中下肢最容易受到損傷的部位，結合下肢有限元模型，先建立并驗證了奇瑞某車型的駕駛員-約束系統(tǒng)有限元模型。然后對前碰撞中引起足/踝部損傷的儀表臺設計角度、踏板的向后和向上侵入量、踏板內/外翻角度及踏板的背屈翻轉角度五組參數(shù)進行了16組正交實驗分析。結果表明：其中11

8、組實驗產生了小腿或足/髁部的損傷；對脛骨軸向力最敏感的參數(shù)是踏板向上侵入量；脛骨合成彎矩和脛骨指數(shù)最敏感的參數(shù)是踏板向后侵入量；踏板背屈轉角及踏板后移量的增大會引起到踝關節(jié)最大背屈角的增加；在一定范圍內，膝墊夾角越大，越有助于減小因背屈引起的踝關節(jié)損傷。對實驗結果進行深入分析還發(fā)現(xiàn)：脛骨指數(shù)與踝關節(jié)的損傷沒有必然聯(lián)系，而背屈及內/外翻轉角超過了踝關節(jié)的生理活動范圍是引起踝關節(jié)損傷的直接原因。
　　為研究不同重疊率前碰撞中駕駛員下肢

9、的損傷特點，首先對奇瑞公司某有限元整車模型進行了驗證；然后使用其進行全寬正面碰撞、40%及25%偏置碰撞的模擬，并總結了三種重疊率前碰撞形式下的整車耐撞性特點；最后分別提取三種碰撞形式下的乘員艙侵入情況及整車加速度作為初始邊界條件，結合已建立的駕駛員-約束系統(tǒng)模型開展了三種前碰撞形式的下肢損傷研究。結果顯示：由于重疊率不同，整車加速度、乘員艙侵入部位及大小都有較大差別，重疊率越小，則侵入量越大，平均加速度則越小；不同的碰撞特征造成了不同

10、的下肢損傷特點：在25%偏置碰撞中，巨大的膝墊及踏板侵入引起了左側股骨頸骨折和雙側踝關節(jié)損傷；在100%正面碰撞中也產生了右側踝關節(jié)損傷，而40%偏置碰撞中無下肢損傷。進一步分析表明：下肢的損傷風險與整車碰撞加速度波形直接相關；乘員艙侵入量與足/踝損傷并不是線性關系；同等侵入量下，加速踏板比歇腳踏板更容易造成踝關節(jié)背屈的后距脛韌帶失效及距骨骨折損傷。
　　綜上所述，文中建立的下肢有限元模型可作為乘員下肢損傷生物力學研究的有效工具。