硕士论文-汽车前碰撞中驾驶员下肢的动力学响应和损伤防护研究.pdf

学校代号：1 0 5 3 2 学号：S 0 3 0 2 2 0 2 7 密级： 湖南大学硕士学位论文 汽车前碰撞中驾驶员下肢的 动力学响应和损伤防护研究 Y 8 9 2 3 0 9 堂僮宝擅k 蛙耋! 隆旌驺 一 昱娅蛙刍嚣驱签；搔蕴匡煎援 境羞望值! 一一 扭拭复煎芏王捏堂陆 圭些务整!茎翘王垂 盈室握窑旦塑12 Q 逝生业且Q 6 迨室簧熊目期；：2 Q Q 生监旦1 2 目 簦拦霆曼叁圭廑j 签正氢 熬擅一 硕士学位论文 摘要 过去多年，在轿车上使用安全带和安全气囊大大降低了前碰撞中驾驶员头部和 胸部的损伤风险，因此，近来焦点转向了下肢损伤的研究。下肢损伤不是致命损 伤，但是在前碰撞中这类损伤非常普遍，并带来巨大的痛苦，需要长期的治疗和 恢复，甚至可能会导致永久性残废。 为了降低前碰撞中驾驶员下肢的损伤风险，本文通过对下肢损伤已采用的研 究方法和基础理论的文献研究，深入了解并总结了下肢损伤研究领域所取得的经 验和成果。下肢损伤机理非常复杂，有些问题仍然有待进一步研究。本文介绍了人 体下肢解剖结构，讨论并归类了前碰撞中驾驶员的下肢损伤机理，并阐述了各类下肢 损伤准则。 运用多刚体与有限元结合的动力学仿真方法，本文研究了轿车脚舱设计参数 对驾驶员在前碰撞中下肢损伤的影响。仿真结果表明：加速度场的改变对下肢损 伤有非常大的影响；佩戴安全带对降低下肢损伤风险有显著的作用；膝垫采用较 低刚度的材料可以较好地降低大腿，膝部以及胫骨的受力和损伤；右脚放在刹车 踏板上会使得右脚损伤风险明显加大；车体前部碰撞变形产生的脚舱侵入量对人 体下肢的损伤会产生一定的影响。 本文还研究了前碰撞中针对驾驶员下肢损伤的相关防护措施，包括安装膝部气囊 和脚部气囊以及其它一些方法，这些防护措施对于降低下肢损伤风险有显著的效果。 以上主要采用了计算机仿真研究方法。这种方法有效地研究了脚舱设计参数对 驾驶员在前碰撞中下肢损伤的影响，并研究提出了有效的下肢损伤防护措施。这些 研究结果将对国内的乘员损伤研究和损伤防护技术的开发起到一定的作用。 关键词：前碰撞、下肢损伤防护、人体损伤生物力学、计算机仿真、安全性设计 硕七学位论文 A b s t r a c t O v e rt h ep a s ts e v e r a ly e a r s ，t h eu s eo fa d v a n c e ds a f e t yb e l ta n da i r b a g ss y s t e m si n p a s s e n g e rc a r sh a dl e dt oar e d u c t i o no fs e v e r ed r i v e rh e a da n dc h e s ti n j u r i e s A t t e n t i o n h a st h e r e f o r eb e c o m em o r ef o c u s e do nl o w e re x t r e m i t yi n j u r i e s T h e s ea r en o tn e c e s s a r i l y l i f et h r e a t e n i n g ，b u tv e r yo f t e nc a u s ec o n s i d e r a b l ep a i na n df r e q u e n t l yr e q u i r el o n g 。t e r m t r e a t m e n ta n dr e h a b i l i t a t i o na n dt h e yC a ne v e nr e s u l ti np e r m a n e n td i s a b i l i t y T or e d u c er i s ko fd r i v e rl o w e re x t r e m i t yi n j u r yi nf r o n t a li m p a c t ，o nt h eb a s i so f l i t e r a t u r es t u d y i n ga b o u tt h ew e l l - a d o p t e dr e s e a r c hm e t h o da n df u n d a m e n t a lt h e o r y ，t h e p a p e rs u m m a r i z e dt h ee x p e r i e n c ea n dr e s u l t so b t a i n e di n t h ef i e l do fd r i v e rl o w e r e x t r e m i t yi n j u r yr e s e a r c h T h em e c h a n i s mo fl o w e re x t r e m i t yi n j u r yi s av e r yc o m p l e x p r o b l e ma n dm a n yp r o b l e m ss t i l ln e e dt o b es t u d i e da b o u ti t H u m a nl o w e re x t r e m i t y a n a t o m ys t r u c t u r ew a si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r ，t h em e c h a n i s mo fd r i v e rl o w e re x t r e m i t y i n j u r yd u r i n gaf r o n t a li m p a c tw a sd i s c u s s e da n dc a t e g o r i z e d ，a n di n j u r yc r i t e r i aa n dt h e i r b a s i sw e r er e v i e w e d B ym e a n so fd y n a m i cs i m u l a t i o no fm u l t i b o d ya n df i n i t ee l e m e n tm e t h o d s ，t h e i n f l u e n c eo ft h ef o o t w e l ld e s i g np a r a m e t e r st ol o w e re x t r e m i t yi n j u r i e so ft h ed r i v e ri n p a s s e n g e rc a rf r o n t a li m p a c t sw a ss t u d i e d T h es i m u l a t i o nr e s e ts h o w e dt h a t ：V a r i e t yo f i m p a c ta c c e l e r a t i o nf i e l dh a sg r e a ti n f l u e n c eo nl o w e re x t r e m i t yi n j u r i e s ；U s i n gs a f e t y b e l th a sp r o m i n e n te f f i c i e n c yt or e d u c el o w e re x t r e m i t yi n j u r i e s ；u s i n gk n e eb o l s t e r w i t hl o w e rs t i f f n e s sc a nr e d u c et h el o a d st of e m u r ，k n e ea n dt i b i a ；T h er i g h tf o o tp l a c e d o nt h eb r a k ep e d a lw i l li n c r e a s et h er i s ko ff o o ti n j u r ye v i d e n t l yV a r i e t yo ff o o t w e l l i n t r u s i o ni n d u c e db yi m p a c td e f o r mo fc a rf o r e p a r tw i l li n f l u e n c el o w e re x t r e m i t y i n j u r i e ss e v e r i t yt oa c e r t a i nd e g r e e ，C o u n t e r m e a s u r e st o r e d u c et h er i s ko fl o w e re x t r e m i t yi n j u r yw e r es t u d i e d ， i n c l u d i n gi n s t a l l a t i o no fk n e ea i r b a g a n df o o ta i r b a ga n ds o m eo t h e rw a y s T h e s e c o u n t e r m e a s u r e ss h o wp r o m i n e n tp r o t e c t i o ne f f i c i e n c yo nr e d u c t i o no fd r i v e r l o w e r e x t r e m i t y M e t h o do ft h i sp a p e ri sm a i n l ys i m u l a t i o n ，t h r o u g hw h i c hp a r a m e t e rs t u d yw a s c a r r i e do u ta n de f f e c t i v ec o u n t e r m e a s u r e sw e r ep u tf o r w a r d R e s u l t so ft h i sr e s e a r c h l I 硕士学位论文 w i l lc o n t r i b u t et ot h er e s e a r c ho no c c u p a n ti n j u r ym e c h a n i s ma n dd e v e l o p m e n to f i n j u r yp r o t e c t i v ed e v i c e K e yw o r d s ：F r o n t a li m p a c t ；L o w e re x t r e m i t yi n j u r yp r e v e n t i o n ；I n j u r yb i o m e c h a n i c s ； C o m p e e rs i m u l a t i o n ；S a f e t yd e s i g n 1 1 I 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：西，阴台日期：扫6 年印月卵日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密妇。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 日期：p 。年 日期口易年 牛月节日 争月砷日 ， 硕士学位论文 第1 章绪论 汽车安全与节能和环保问题已成为当今汽车工程领域三大具有重要社会、经 济意义的研究热点，并且得到了有关政府部门的高度重视。汽车安全性可分为主 动安全性和被动安全性两大类，其中主动安全性是指汽车避免发生意外事故的能 力；被动安全性，则是指汽车在发生意外事故时对乘员进行有效保护的能力。通 俗地讲，主动安全性就是要使汽车在行驶时“有惊无险”；而被动安全性则要做到 汽车发生事故时“车毁人不亡”。 汽车碰撞安全性问题自汽车诞生以来就存在，但在早期由于车速较低，车辆 相对较少而未引起人们的重视。随着轿车的大规模生产和使用，也由于车速的不 断提高，汽车碰撞安全性问题变得越来越突出。汽车发生碰撞事故后，不仅给车 辆本身造成损坏，更重要的是造成乘员受伤，甚至死亡。 本章旨在介绍论文课题的研究意义和研究重点，并介绍了汽车前碰撞中驾驶 员下肢损伤的研究现状。 1 1 本课题研究的背景和意义 随着我国国民经济的快速增长，人民生活水平不断提高和安全意识的增强， 汽车工业和交通运输事业将不断向高层次发展，这必然对汽车安全性提出新的要 求。汽车交通事故已被公认为是威胁人类安全的“第一公害”。我国成为汽车交通 事故死亡入数最高的国家之一。如表1 1 所示，2 0 0 3 年全国公安交通管理部门共 受理一般以上道路交通事故6 6 7 5 0 7 起，造成1 0 4 3 7 2 人死亡、4 9 4 1 7 4 人受伤、直 接经济损失3 3 7 亿元【1 1 。事故伤亡加上事故现场抢救、伤亡善后处理、生产力和 劳动力损失，所付出的各种费用，给国家造成巨大的社会经济损失。我国已将汽 车工业作为推动国民经济发展和技术水平进步的支柱产业，并将汽车安全作为重 点发展的技术。最大限度地减少汽车交通事故中的人员伤亡是车辆工程和相关研 究领域要解决的重要科技问题。 减少交通事故中的人员伤亡，是汽车被动安全研究的首要目标。安全带、安全气 囊以及安全座椅、安全头枕等等，都属于这方面的研究成果。 下肢损伤是发生频率第二高的损伤，仅次于头面部；由于发生率高，治疗困难， 每年给社会带来巨大的经济损失【2 】。所以虽然不是导致死亡的主要原因，下驶伤害指 标也被最早列入美国联邦机动车安全法规F M V S S ( F e d e r MM o t o rV e h i c l eS a f e S t a n d a r d ) 。下肢在乘员约束系统中运动幅度大，受到的保护小，容易受到伤害，它的 损伤机理和防护应该得到早日重视。 汽车前碰撞中驾驶员下肢的动力学响应和损伤防护研究 表1 1 1 9 9 8 2 0 0 3 年全国道路交通事故统计 年份事故次数，次死亡人数，人受伤人数，人 直接经济损失，万元 1 9 9 83 4 6 1 2 97 8 0 6 7 2 2 2 7 2 l1 9 2 9 5 1 1 9 9 94 1 2 8 6 0 8 3 5 2 9 2 8 6 0 8 02 1 2 4 0 2 2 0 0 06 1 6 9 7 l9 3 8 5 34 18 7 2 12 6 6 8 9 0 2 0 0 17 5 4 9 1 91 0 5 9 3 05 4 6 4 8 5 3 0 8 7 8 7 2 0 0 27 7 3 1 3 71 0 9 3 8 15 6 2 0 7 43 3 2 4 3 8 2 0 0 36 6 7 5 0 71 0 4 3 7 24 9 4 1 7 43 3 6 9 1 4 对汽车驾驶员在前碰撞事故中的损伤因素和损伤机理的碰撞生物力学问题的 深刻理解是改进汽车安全性的重要理论基础。通过对驾驶员下肢损伤的分析研究， 确定导致损伤的原因及其与汽车安全相关的因素。本文通过完整的前碰撞模型， 研究了轿车脚舱设计参数对驾驶员在前碰撞中下肢损伤的影响，并研究了降低损伤 的相关防护措施。 通过研究下肢的损伤机理，从而改进汽车安全性设计，降低下肢损伤风险， 是汽车安全性领域持续研究且尚未彻底解决的科技问题，我国对这些方面的研究 才刚刚起步。本课题在消化和吸收国内外相关文献中的研究成果的基础上，探索 国外研究成果的应用，并希望能对驾驶员下肢损伤的研究有所发展。本课题具有一 定的现实的经济和社会意义，可为我国汽车乘员保护的研究做出一点贡献。 1 2 汽车被动安全研究现状 1 2 1 汽车碰撞事故分类及特征 汽车碰撞事故可分为单车事故和多车事故，其中单车事故又可细分为翻车事 故和与障碍物碰撞事故。与障碍物碰撞事故主要可分为前撞、尾撞和侧撞，其中 前撞和尾撞较常见，而侧撞较少发生。 单车事故中汽车可受到前、后、左、右、上、下的冲击载荷，且对汽车施加 冲击载荷的障碍物可以是有生命的人体或动物体，也可以是无生命的物体。显然 障碍物的特性和运动状态对汽车事故的后果影响较大。这些特性包括质量、形状、 尺寸和刚性等。这些特性参数的实际变化范围很大，如人体的质量远比牛这类动 物体的质量小，而路面和混凝土墙豹刚性远比护栏和松土的刚性大。障碍物特性 和状态的千变万化导致的结果是对事故车辆及乘员造成不同类型和不同程度的伤 害。由于汽车刚度和强度的不均匀性以及障碍物的不均匀性，汽车的变形和加速 度等特性参数的分布也将是极不均匀的，因此难以用少数的参数来完全描述。但 从安全性分析的角度来看，提炼出一些特征参数来定性表述安全性的好坏是非常 有益的。这些特征参数包括乘员空间在六个方向的最大变形量和汽车质心加速度 敢士学位论文 分量等。显然，乘员空间变形造成了对乘员直接损伤的威胁，而汽车的加速度则 通过改变乘员与汽车的相对运动关系间接威胁乘员的安全。由于轮胎的缓冲作用 和汽车底部具有较大刚性结构的保护，一般由来自汽车下面的冲击载荷产生的乘 员空间的变形和加速度，远比其它方向冲击载荷产生的乘员空间变形和加速度小。 多车事故为两辆以上的汽车在同一事故中发生碰撞。正面碰撞和侧面碰撞都 是具有极大危险性的典型事故，且占事故的7 0 以上。追尾事故在市内交通中发 生时，一般相对碰撞速度较低。但由于追尾可造成被撞车辆中乘员颈部的严重损 伤和致残，其后果仍然十分严重。在多车事故中，汽车的变形模式也是千变万化 的，但与单车事故比，它有两个明显的特征：在多车事故中一般没有来自上、下 方向的的冲击载荷；给事故车辆施加冲击力的均为其它车辆，尽管不同车辆的刚 性不一样，但没有单车事故中障碍物的刚性变化大。 1 2 2 汽车碰撞安全法规 为了减轻汽车碰撞事故对人类造成的危害，汽车工业发达国家先后针对汽车 碰撞事故中常见的人体损伤和和其它危害制定了相应的汽车碰撞安全法规。其中 最著名的是美国和欧洲的碰撞安全法规，除此之外，日本、澳大利亚和我国也都 先后建立了自己的碰撞安全法规。汽车安全法规一般包括防止事故发生、减轻碰 撞事故时对乘员的损伤以及发生故事故后豹防护等内容。对车辆而言，最难以满 足的性能要求也就是法规关于碰撞安全性方面的要求。 碰撞安全法规主要规定车辆对车内乘员、路上行人的碰撞保护性能。目前， 美国、欧洲、日本和澳大利亚等国家的汽车碰撞安全法规针对的主要碰撞事故类 型是前碰撞( 包括正面碰撞与偏量碰撞) 和侧面碰撞，但发展的方向会将行人碰 撞保护包括在内，目前碰撞安全法规主要是针对轿车而制定的，并将逐步扩大到 轻型载货汽车、多用途客车等车型上。 相对于欧、美、日等汽车工业发达国家来说，我国的汽车碰撞安全法规制定 得较晚，直到2 0 0 2 年才开始实旌，并且目前法规涉及的主要内容也只是车辆前部 正面碰撞，其中最主要的法规是C M V D R 2 9 4 关于正面碰撞乘员保护的设计 规则。随着我国加入W T O ，我国的汽车碰撞安全法规将会很快达到与国际接轨 的程度。 1 2 3 前碰撞中驾驶员下肢损伤研究现状 过去多年，汽车被动安全研究研究取得了很大的进展，许多专家对于汽车前 碰撞中驾驶员下肢现象进行了系统深入豹研究，下面对这些研究成果作一些介绍。 L a u r e n t 等人研究了汽车脚围板和仪表板侵入造成的下肢损伤的风险【l ”，如图 1 1 所示。 汽车前碰撞中驾驶员下肢的动力学响应和损伤防护研究 O 1501 50 35 0350 + 脚围扳侵入( mm ) 仪表板侵入 (mm) 囝1 。1 脚固板和仪表板的侵入量与下肢损伤风险的关系 从上图中可以清楚地发现随着脚围板和仪表板侵入量的加大，下肢损伤风险 会逐步地增大。 N i l d a s 通过仿真模拟了脚围板侵入的影响，发现侵入量对胫骨力的影响并不是 线性上升的【8 1 ，如下图1 2 所示。 8 基6 Rt 塞。 D 一口口5 口0 5 O 1 50 2 5 馕入纛( D 豳1 2 脚围板侵入量对胫骨力的影响 P e t eT h o m a s 等人发现脚舱的侵入和刹车踏板都与驾驶员下肢损伤有很大关 系，脚舱侵入与碰撞速度二者之间对腿部损伤的影响是相互独立的，并且脚舱侵 入对腿部损伤的影响更大，侵入量并不是碰撞速度的代理量：当脚舱侵入量达到 2 0 c m 时，踏板因素使得腿部损伤增加5 4 1 8 】。根据他的研究，A I S 2 以上的腿部 损伤风险可由以下公式得出： 损伤风险= l ( 1 1 ) 式中i n t r u s i o n 指脚舱侵入量，D e l t a - V 指碰撞速度。该公式表明，下肢损伤风 险与侵入量和碰撞条件同方向变化。他还研究发现。司机比乘员更易遭受小腿损 伤，这主要是因为司机侧会遭受更大程度的侵入。在他的统计中他发现，1 9 的 乘员和3 1 的司机遭受侵入。他也分析了侵入量对下肢各区域损伤的影响，如表 1 2 所示。 4 I 、lIljllll1llr O D O O 0 O 5 3 2 1 x ) 坚墨$ 帑 硕士学位论文 表1 2侵入对于下肢各区域A I S 2 + 损伤的影响 下肢损伤区域无侵入侵入 骨盆 3 6 ( 4 2 )5 0 ( 5 8 ) 大腿 3 2 ( 2 0 )1 2 5 ( 8 0 ) 膝部 4 7( 5 2 )4 4 ( 4 8 ) 胫骨腓骨3 2 ( 1 9 ) 1 3 3 ( 8 j ) 踝部5 2 ( 3 8 )8 5 ( 6 2 ) 脚部3 5( 2 3 )1 1 8 ( 7 7 ) 总计 2 3 4 ( 3 0 ) 5 5 5 ( 7 0 ) M o r g a n 等人认为，踏板因素引起了4 3 的踝部损伤，并根据N A S S 数据推出 背屈是踝部损伤的主要原因【2 l 。而L e s t i n a 却发现6 5 的踝部损伤是由于内翻和外 翻而引起的1 16 1 。 N a h u m 等人研究了1 8 6 例汽车前碰撞中乘员的下肢损伤，发现下肢损伤随着 碰撞速度的增加而增加，并发现脚踝的损伤主要是因扭曲和弯曲而引起1 1 7 1 0 H u e l k e 等人通过N A S S 文件研究下肢损伤，发现配戴安全带能使得损伤频率 有效地降低【28 1 。D i e t m a rO t t e 等人也发现配戴安全带能够使得下肢损伤频率有效 地降低戳1 。 在另一篇文献中D O t t e 等人发现四分之三的脚部骨折是由于脚舱的变形引起 的【2 ”，这些损伤都是因直接碰撞加载和身体相对运动引起，按照这一机理，脚部 受到沿小腿方向的载荷而身体的运动方向与此相反，所以脚滑脱踏板或者夹在踏 板下面会引起脚部旋转。然后当脚舱侵入变形时，脚会夹在变形的脚舱内，并赢 接受到弯矩和压力，所以避免脚部骨折的办法是尽量减小脚舱的变形侵入，这说 明一个稳定的乘员舱是很重要的。他还提出改变踏板系统的几何特征，认为踏板 的边缘应该做的尽量宽广，以及采用电子传感器式的踏板以降低脚踝损伤。他认 为，比起其它损伤，脚部骨折更难于治疗，根据德国职业商业协会的调查，脚踝 损伤比起其它损伤，需要高出8 的固定治疗费，多出1 9 的疑难杂症，康复的 时间也比其它损伤高出2 l 。跟骨和踝关节骨折分别会导致2 5 和2 6 6 的人丧 失谋生能力，从创伤学角度脚部骨折必须被视为严重损伤类型，所以脚舱设计的 改进是非常重要的。 N i k l a sH o g l u n d 等人对使用和不使用前部安全气囊两种情形下的下肢响应计 算发现2 2 1 ，在所有响应的峰值中平均差别只有1 5 ，而对于胫骨轴向力，脚踝的 旋转和力矩的峰值，平均差别不到l ，也就是说，使用前部安全气囊并没有降低 下肢的损伤。他还研究了脚部气囊的可行性，并通过仿真模拟了脚部气囊的保护 效果，采用脚部气囊明显降低了右下肢的胫骨力，如图1 3 所示。 汽车前碰撞中驾驶员下肢的动力学响应和损伤防护研究 8 蠹4 u - R 趣2 盛 婶 0 - 2 1 3 本文的研究重点 一基车攥望 脚新气囊 八 一搬 5 01 0 0 时问( 册) 图13 采用脚部气囊的右胫骨力 本文紧紧围绕汽车前碰撞中的驾驶员下肢损伤事故，用计算机仿真的方法作 了动力学响应研究和防护措施研究，主要研究内容如下： ( 1 ) 驾驶员r 肢损伤文献的研究，总结了人体下肢解剖结构、生物力学特征及其 运动范围的相关知识，总结了计算机仿真研究方法及其在汽车被动安全研究 中的应用，分析了驾驶员下肢损伤研究的历史和现状、损伤现象、损伤机理 及其研究方法。 ( 2 ) 汽车前碰撞中驾驶员下肢损伤类型和损伤机理的分析研究。 ( 3 ) 用多刚体与有限元相结合的动力学仿真方法，针对汽车驾驶员脚舱相关设计 参数，如加速度场，约束系统，脚部位置，膝垫刚度，脚舱侵入量等等，分 析研究了在前碰撞中驾驶员下肢动力学响应过程及这些设计参数对损伤的 影响。 ( 4 ) 用计算机仿真的方法研究了前碰撞中降低驾驶员下肢损伤的相关防护措施。在 损伤机理和参数分析的基础上，初步探讨了碰撞事故中防止驾驶员下肢损伤 的相关对策，包括安装膝部气囊和脚部气囊以及其它一些方法。并发现这些 措施对降低驾驶员的下肢损伤有明显的作用。 6 硕士学位论文 第2 章人体下肢生物力学 本章旨在介绍人体下肢损伤生物力学及其解剖结构，并介绍了下肢的运动学基 础知识。 2 1 损伤生物力学的研究内容 2 1 1 损伤生物力学的基本理论 生物力学是根据已经确定的力学原理来研究生物体中力学问题的学科。是力 学、生物学、医学等学科之间相互渗透的边缘学科，它将这些学科的基本原理和 方法有机的结合起来，体现了近代科学的发展。 损伤生物力学是生物力学的一个重要研究分支。损伤生物力学也称为碰撞生 物力学，是汽车被动性安全研究中人体损伤防护的重要理论基础。在碰撞交通事 故过程中，人体暴露在个机械冲击载荷的环境中，在惯性力和接触力的作用下， 人体的各部分组织将产生一定的生物力学响应。若生物力学响应使人体组织超过 可以恢复的限度或导致解剖学组织破坏或使正常生理功能变化或丧失，就会造成 人体损伤。人体组织在碰撞过程中所包含的有关力学问题就称为损伤生物力学。 V i a n o 是这样定义损伤生物力学的研究目的和研究方法的f 3 】：“损伤生物力学 的研究目的是了解人体的损伤过程并研究人体在受到过载荷时的防护方法。为了 达到这个研究目的，研究者必须了解损伤类别、人体的损伤机理、不同载荷条件 下人体各组织和器官的响应、人体的承受极限；研制出防护装置和材料来降低人 体的受伤程度；开发出可用来代替人体进行生物力学实验的机械假人和数学模 型。” 人体在受到碰撞事故中的受伤过程可以用载荷一损伤模型来说明【4 】，如图2 1 所示。 图2 1 载荷一损伤模型 该模型描述了人体从受到外部撞击到可能导致损伤的全过程。当发生交通事 故时，外部载荷通过各种方式传递到人体上，由于安全防护装置的保护作用而使 载荷强度得到了一定的降低，此时人体对此载荷做出适当的生物力学响应，当载 汽车前碰撞中驾驶员F 肢的动力学响应和损伤防护研究 荷超过人体的耐受极限时，将按照相应的损伤机理而导致人体损伤。 2 1 2 人体损伤评估标准 人体损伤的严重程度可由损伤评估标准来表示。损伤评估标准可分别从力学、 生理学或社会学的角度对人体功能丧失、解剖结构损坏、社会经济损失等进行定量 表示。从这些角度出发，损伤评估标准可以分为三类： a ) 解剖学尺度：按损伤发生的部位、损伤类型和损伤程度来评定。这种评定标 准用损伤本身而不是损伤产生的后果来衡量受伤程度。这类损伤评定标准中最有名 的是简略损伤标准a b b r e v i a t e di n j u r ys c a l e ( A I S ) 。 b ) 生理学尺度：按损伤导致人体生理学变化的程度来评定。其评定值会在损伤 的治疗期阔变化。这类标准中的代表是G l a s g o wC o m a 标准( G C S ) 。 c ) 社会学尺度：主要按对伤员和社会造成的损害来评定。这类标准并不对伤 害本身进行评定，而是评定伤害对伤员造成的经济损失、生活质量损失和对社会 造成的损失。这类标准有I C S ，I P R ，H A R M 等。 对于交通事故中的损伤评估。我们一般采用A I S 标准。A I S 是美国汽车医学协 会( A A A M ) 制定的一个解剖学尺度的损伤评定标准。这一标准原本用于界定机动 车辆碰撞中的损伤程度，现己被用于烧伤，枪伤等。A I S 是一种描述损伤对生命威 胁程度的指标，共分为7 个等级，A I S 的等级值越高就说明该项损伤对生命威胁性 就越大，但A I S 各等级数值之间并没有定量对应的关系，其具体的分级标准如表 2 1 所示5 ： 表2 1A I S 损伤分类标准 A I S损伤程度 致命性 0 无损伤0 O l 轻伤 0 O 2 轻微伤 0 1 0 4 3重伤 0 8 2 1 4 严重损伤7 9 1 0 6 5致命伤5 3 1 5 8 4 三6死亡或明显不能救活完全无法救治 其中下肢的损伤主要包括骨骼骨折、关节损伤、软组织损伤，虽然不会致命， 但是却是致残的主要原因。按A I S 分级，根据损伤部位和程度，一般在1 到3 级 之间，即轻伤、轻微伤和重伤。 对于汽车碰撞事故中的脚踝损伤分类，美国矫形外科脚踝组织协会创伤委员 会发展了一个新的系统1 6 】。系统命名为脚踝损伤严重程度( F A S S ) ，将脚踝损伤按 照严重程度( F A S S S ) 和损伤程度( F A S S I ) 分为9 1 个类型。之所以采用了2 种 程度划分，是因为它们代表了损伤的两个不同的方面。如果一辆汽车设计得能有 硕士学位论文 效地降低损伤，那么严重程度的平均标准就会下降；同时，如果一种损伤的医疗 治疗变得更有效，那么损伤程度的标准就会下降。 2 2 损伤生物力学的研究方法 人体损伤的研究方法通常有志愿者试验、入类尸体试验、机械模型试验、动 物试验和数学模型。 用人类志愿者作为模型进行试验要在确保不发生损伤的条件下进行，并有严 格的制度和试验规范。这种试验可以提供人体在没有发生损伤时响应的很多一般 性知识，其结果对于开发机械式假人和人体数学模型都很重要。此外还可以研究 活体组织在冲击载荷下的响应。但对于下肢试验来说，由于不能确保防止损伤， 所以一般不予采用。而人与其它动物的下肢生物特征差异较大，没有太多的可比 性，通常也不会采用动物试验。 下肢生物试件实验、机械模型试验和数学模型仿真是人体下肢损伤的主要研 究方法。 2 2 1P M H S 试验 人类尸体试验，也称P M H S T ( P a s tM o r t a lH u m a nS u b j e c tT e s t ) ，尸体试验是碰 撞实验研究的重要方法，主要用于人体损伤生物力学的研究，试验的结果也是验 证机械试验模型和数学仿真模型的重要依据。最初用于损伤生物力学响应研究的 人体替代物模型是人类尸体。从人类学的角度来说，P M H S 的材料与活人是一致的， 但是制作准备的技术和死亡相隔的时间对试验结果都有影响。一般P M H S 试样的 血压是靠注射维持。使用P M H S 的不足之处使肌肉的强度和生理学反应无法确定。 此外人体的很多组织与年龄相关，若P M H S 的年龄偏大，也难以将试验数据用于 一般人群。但目前该模型仍然经常使用。 这些数据通常是来自于对尸体的试验，而大多数是交通事故引起法律纠纷时 的法医鉴定，但这些结果通常并不准确，因为活人的细胞组织与死人的细胞组织 的运动特性是完全不同的。为了进一步分析事故细节，相关的数据都要被记录下 来以便重现伤害过程，另外，医生在外科手术中的结论对探知和证明相应的伤害 很有帮助，而尸检报告也能提供重要的发现。图2 2 是雷诺汽车公司的坐姿乘员下 肢动态背屈尸体试验的示意图1 7 J 。 踏板 图2 2P M H S T 坐姿乘员下肢动态背屈尸体试验 9 汽车前碰撞中驾驶员F 肢的动力学响应和损伤防护研究 2 2 2 机械模型 机械模型也称为碰撞试验用假人模型( d u m m y ) 或拟人试验装置 ( A T D - A n t h r o p o m o r p h i cT e s tD e v i c e ) 。假人在结构、尺寸、质量分布和冲击运动 学、动力学特征方面与人类都相似，并在重要部位的冲击响应方面具有生物力学 保真度。在试验中假人与约束系统一起使用，可以评价汽车安全装置的性能，并 可测试汽车整车的安全性。由于假人用途广泛，目前世界各国汽车安全性评价主 要依赖于假人模型，所以假人的测试能力常常影响到交通安全有关法规的制定。 图2 t 3 为一个下肢的机械模型峭j 。 图2 3 下肢的机槭模型 2 2 3 数学模型 人体的动力学响应及损伤评价可以通过计算机仿真模型来研究。该模型必须 建立在以上所述模型的基础上，可以用来研究机械模型所不能测量的数据。而且 相对于其他的模型，该模型的经济性和可重复性的特点非常突出。但是数学模型 的局限性就是模型的有效性和可靠性，雨这些取决于多方面因素，如：试验验证 数据可靠性，分析软件的可靠性和分析人员的经验等等。图2 4 是一个带类人膝关 节的多刚体数学模型1 9 1 。 数学模型具有可重复实验性，并可以较短时间和较低成本进行参数研究。同 时计算机仿真可以对实验条件下一些无法测得的参数进行计算，例如局部结构的 应力应变分布等。目前，在人体生物力学模型研究中主要用到的数学模型有两类： 髓关节 躲关节 踝关节 上矗赝量 段臂 大麓 4 惺 罡 图2 4 带类人膝关节的下肢多刚体数学模型 多刚体模型采用多刚体动力学的计算方法，用椭球体、平面等一些简单的几 何形体来模拟人体的各个部位，相互之间通过各种铰节点进行连接，可计算出运 动系统的速度、加速度、位移、力等各种动力学响应参数【1 0 1 。其主要仿真软件有 M A D Y M O ，A T B ，A D A M S 等。其中在损伤生物力学领域应用最广泛的是 l O 硕士学位论文 j = j = _ 自t 置自喜! ! 兰! 日自日z = # _ I 1 1 g ! 自! 岂e _ - E t _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ = 自= = 目_ 自= | 鲁= = = 2 1 = ! = 2 = 巴 M A D Y M O ( M a t h e m a t i c a lD y n a m i cM o d e l ) 。 有限元模型采用有限元计算方法。其基本思想是：把一个原来是连续的物体 离散成有限个单元，且它们相互连接在有限个节点上，受等效的节点载荷的作用， 并根据平衡条件来进行分析；然后根据变形协调条件把这些单元重新合起来成为 一个组合体再综合求解。有限元模型不仅可以求得诸如速度、加速度等动力学响 应参数，而且可以求得任意部位的应力应变、能量分布等参数。其主要仿真软件 有L S D Y N A 3 D ，P A M C R A S H 和R A D I O S S 等；其中在损伤生物力学领域应用最广 泛的是L S D Y N A 3 D 。图2 5 是一个坐立姿势的乘员右下肢的有限元模型【6 】。 围2 5 坐立姿势的乘员右下肢有限元模型 2 3 人体下肢的生物结构 l ， f1务斑下睦骨j!：三：I；!；：fll撕“的(tibia) iIr 跗骨( t a r s u s ) 7 ；l 足骨( f o o tt m 舯s ) I 髑( ( M t a t a r s u s ) 5 图2 6 人体下肢解剖学结构图 汽车前碰撞中驾驶员下肢的动力学响应和损伤防护研究 图2 7 人体下肢生物结构图 2 4 人体下肢生物力学基础 损伤生物力学从医学观点出发是就损伤的诊断，治疗，和康复来讨论研究车辆交 通事故中的人体组织和器官所受到的破坏。 从工程学观点出发是就损伤的起因和在工程设计中考虑避免和减少事故损伤来讨 论车辆交通事故中的人体损伤。汽车碰撞事故中损伤生物力学的研究内容包括： 1 ) 人体的损伤机理的研究 2 ) 人体在冲击载荷条件下的耐受限度 3 ) 损伤准则的研究和制定 4 ) 损伤准则在汽车安全开发研究中的应用 人体下肢的主要生物力学功能是行走、支撑整个身体质量。从而决定了下肢 的关节即要有一定的灵活性，又具有较强的稳定性。各下肢骨由韧带关节囊相连， 这些连接结构提供内源性稳定，面肌肉则提供外源性支持。 人体下肢的基本运动可以分为：曲伸、翻转和旋转，如图2 8 所示 6 1 。 人体下肢的运动范围是指人体下肢生理活动的运动幅度，主要利用x 射线检 测装置和双平面立体光学检测仪来测量。其大小受到多种因素的制约，性别，年 龄的差异都会影响到下肢的运动范围。表2 2 列出了不同人体主要关节的活动范 围，可以看出在正常情况下各关节的活动范围相差较大。 叁厨憩。，曼鼐 F l c z i 弧E x t 刚p i A b a c i A d d u c t i m 勋t 舅t i a n R o t 。t i o n 弯瞳伸璇，嘲P 翻，嘴内旋 图2 8 人体下肢的基本运动 硕士学位论文 - I 皇一i I I r i 鼍曩田盲- l _ _ - _ _ - 皇曹审景已曩t 詈皇皇= = = = 暑= 量_ E 詈皇- _ t 表2 2 人体下肢的运动范围 运动 5 0 百分位男子5 百分位女子老年人 关节 情况O le 20 1e 2e l0 2 曲伸 1 1 0 。1 0 。 1 1 6 。1 3 。9 5 。5 。 髋关节 翻转2 9 。4 l 。3 1 9 4 5 。2 2 。3 1 。 旋转2 5 。2 5 o 3 2 。一3 2 o 1 9 。一1 9 。 膝关节曲伸 0 。1 1 0 。O 。1 1 0 。3 。9 5 。 踩关节背曲 2 0 。3 0 。2 l 。3 3 o l S 。一2 7 。 从生物力学角度分析，人体行走主要依靠下肢的曲伸运动，其运动范围较大。 而其翻转与旋转的运动情况较少，其运动范围相对也较小。 2 5 本章小结 本章主要介绍了损伤生物力学的基本理论及其研究方法，并介绍了人体下肢的解 剖结构及其运动学知识。通过对这些理论知识的了解，可以为前碰撞中驾驶员下肢损 伤的研究打下一个重要的基础。 汽车前碰撞中驾驶员下肢 | 臼动力学响应和损伤防护研究 第3 章前碰撞中的驾驶员下肢损伤与防护 针对国内在汽车前碰撞事故中下肢损伤生物力学的研究刚刚开始，本章对下 肢损伤研究中N ) L 个基本问题作了简要介绍，介绍了前碰撞事故及下肢损伤现象， 详绌描述并归纳了下肢损伤机理咀及下肢损伤准则及其承受力和弯矩的耐受限 度，还介绍了常j 的车内乘员保护措施。 3 1 前碰撞事故与下肢损伤 3 1 1 前碰撞事故 汽车前碰撞是指在汽车发生碰撞事故时，主要撞击力作用十汽车的前部，并 在汽车中心轴线3 0 。范围阻内的碰撞事故【”l 。在汽车各类碰撞事故数F 1 中，前碰撞 占5 5 。6 0 ；且在导致严重损伤和死亡的事故中，前碰撞分别占了7 0 和5 0 ”】。 在我国，据1 9 9 6 、1 9 9 7 年全国的统计，正面相撞事故占交通事敏次数的2 3 9 5 ， 死亡人数占3 1 3 6 1J 。各个国家对前碰撞事故高度重视如美国制定了F M V S S 2 0 8 ， 其中规定了所有生产和销售的载人机动车辆都必须通过前碰撞乘员防护实车碰撞 试验。我国于1 9 9 9 年1 0 月颁布了M I 类乘用车前碰撞试验技术法规C M V D R 2 9 4 关于正面碰撞乘员保护的设计规则。 3 1 2 碰撞事故中的下肢损伤 D a nP a t t i m o r e 等人根据英国的C C I S 数据库，深入调查了交通事故中的汽车毁 坏和乘员损伤情况I l ”，损伤程度按照A I S 标准来评估，表3 1 为数据库中的6 2 4 6 名各类碰撞类型中乘员的损伤情况统计，从表中可以看出，下肢是第二严重的损 伤区域，仅次于头面部。 表3 1 6 2 4 6 名各类碰撞事故中汽车乘员的身体各区域损伤频率 A 1 S 身体 01 2 3456 受伤人数 区域 头，面部3 8 2 5 1 3 5 36 5 81 6 18 68 38 0 2 4 2 l ( 3 8 8 ) 颈部5 4 0 57 3 32 7 3 92 1 22 88 4 l ( 1 3 5 “) 胸郝4 5 9 81 0 2 42 7 61 3 49 56 75 21 6 4 8 ( 2 64 ) 腹部 5 6 1 43 3 38 76 5 6 5 8 2 0 6 3 2 ( 1 0 1 ) 上睦 4 4 2 81 2 6 94 4 5 +1 0 40 ，0 O1 8 1 8 ( 2 9 1 ) F 肢 3 9 2 81 7 3 52 8 62 9 340O 2 3 1 8 ( 3 7 1 ) D a nP a t t i m o r e 等人还分析了前碰撞事故中2 0 8 0 名受约束( 佩戴安全带) 的l j i 座乘员的下肢的损伤类型及区域【1 ”，如表3 2 所示。包括骨盆，大腿，膝部，小 腿和脚踝，从表中可以看出，损伤主要集中在膝部及膝部以下的区域。 腿和脚踝，从表中可以看出，损伤主要集中在膝部及膝部以下的区域。 4 硕士学位论文 表3 2 前碰撞中2 0 8 0 名受约束的前座乘员的下肢的损