（车辆工程专业论文）汽车与行人碰撞中下肢损伤防护及其评价方法研究.pdf

顾i 。学位沦文摘要目前，欧洲、日本已经开发出了行人模型和冲击器模型，并建立了相应的实验评价方法和评价标准，用来评价汽车前部对行人下肢的保护性能。然而，研究表明，现有下肢冲击器模型不能很好地反映不同汽车前部对行人下肢的保护性能的好坏，汽车前部结构对行人下肢的保护性能也有待进一步提高。本文研究的目的是通过改变汽车前部结构来提高对行人f 肢的保护，并开发出具有简单结构，可以用于正确评价不同车型前部对下肢的保护性能的下肢冲击器模型。为此，本文进行了大量的文献研究工作，分析了国内外在该领域的研究现状及采用的研究方法等，并从人体下肢解剖结构及损伤生物力学角度，研究了下肢损伤形式、损伤机理及相应的损伤评价标准。本文采用现有的行人多体动力学模型，利用m a d y m o 软件，建立了汽车与行人碰撞模型，通过改变汽车前部的主要结构参数，分析了汽车前部结构对行人膝关节损伤的影响，确定了在汽车与行人碰撞过程中对人体下肢损伤较小的汽车前部结构。研究表明，降低汽车前保险杠及发动机罩前端的高度，增加保险杠上下面之间的宽度及保险杠与发动机罩前端的距离有利于减小对行人膝关节的损伤，该研究结果与国外交通事故统计结果相符。本文还利用事故统计数据和数学模型对冲击器的评价性能进行了分析，在对冲击器模型进行参数分析的基础上，建立了新的下肢冲击器模型。通过仿真实验，不断改进冲击器模型的参数定义，提高了新冲击器模型的评价性能。在利用冲击器模型对三种不同时期车型前部进行评价的仿真实验中，新冲击器模型表现出了良好的综合评价性能，可以较好的用于评价汽车前部对行人下肢的保护，因而可以用于新车型的开发和评价。关键词：汽车与行人碰撞；下肢冲击器；生物特性；损伤生物力学汽爷j 行人碰撞中行人下肢安全性研究a b s t r a c ta tp r e s e m ，e 1 啪p e a nc o u n t r i e sa n dj 印a h a v ed e v e l 叩e dp e d e s 砸a nm o d e l 龇dl o w e rl e 西b 玎ni m p a c t o rm o d e l t h e yh a v ea l s oe s 协b l i s h e dc o r r e s p o n d i n ge x p 酣m e n t a la s s e s s m e n tm e t h o d sa n d 曲柚d a r d st oa s s e s st l ep r o t e c t i o np e r f - o 衄a n c eo ft l l ec a r - f 幻n tt ot h el e g so fp e d e s m a l l h o w e v e r ，s o m es t u m e si n d i c a t et l l a tt h el o 、e rl e g f o 肌i i l l p a c t o rm o d e lc a n te v a l u a l ct l l ep m t e c t i o no f t h ec a 卜f - m n tt ot l l e1 e g s 、c l l ，a n dt l l ep m t e c t i o np e r f - o m l 锄c eo f m ec a r - f 曲n tt ot h ei e g sn e e d st ob ei m p r o v e dt h ep u r p o s eo ft l l i sr e s e a r c hi st oi r n p r o v e 廿l ep m t e c t i o nt ot h el e g sb yc h a i l 垂n gt l l ec a r 矗o n ts t m c t l l r e sa n dt od e v e l o pal o w e rl e g f l o n ni i l l p a c t o rw i t l ls i m p l es t m c t u r eb u tg o o dp e r f o r m a n c ei na s s e s s i n gt h ep r o t e c t i o no fd i 如r e n tc a r - 劬n t st o 也el e g s 1 1 1 e r e f o f e ，al o to fr e s e a r c h e so nd o c u m e n t sw e r ec 枷e dm r o u g h ，r e s e a r c hs t a n j sa n dm e t h o d si nt l l i sf i e 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章绪论随着汽车碰撞安全性研究工作的不断深入，安全汽车结构及许多安全装置如安全带、安全气囊等已经在汽车上得到了广泛使用。这些安全结构和装置对车内乘员起到了明显的保护作用，使得在汽车与汽车的碰撞事故中的乘员伤亡率大大降低。然而，汽车对行人及其它车外人员造成的伤害仍然很严重。在所有的交通事故中，行人是最没有保护和最易受到伤害的群体。2 0 0 3 年，在美国的交通事故中，行人的伤亡人数约占交通事故伤亡总数的1 0 【l 】；在部分欧洲国家和日本，行人在交通事故中的伤亡率则高达3 0 【l 】。在中国，根据公安部交通管理局的统计，在2 0 0 0 、2 0 0 1 、2 0 0 2 、2 0 0 3 年交遥事故中，行人受伤人数分别为5 5 1 0 4 、7 5 1 3 7 、7 6 7 7 9 、6 8 0 4 0 人，分别占当年交通事故受伤人数的1 3 1 6 、1 3 7 5 、1 3 6 6 、1 3 8 【2 ，3 】；而行人死亡人数分别为2 4 5 8 0 、2 8 2 7 4 、2 7 5 7 5 ，2 5 6 7 3 ，分别占当年交通事故死亡人数的2 6 1 9 、2 6 6 9 、2 5 2 1 、2 4 6 0 1 3 j 。行人伤亡绝对人数已经相当大，而且，随着近年来汽车保有辆的迅速增加，驾驶员素质的参差不齐，以及中国道路长期存在的混合交通特点，行人在交通事故中的伤亡总数将居高不下，甚至会有上升趋势。行人下肢损伤是交通事故中行人最易发生的损伤形式之一，根据日本的一项调查统计，在非致命的汽车与行人碰撞交通事故中，下肢损伤占4 0 1 4 】。在中国长沙对8 9 例行人交通损伤统计中，下肢损伤占2 8 8 【5 l 。下肢损伤会导致长期的或永久性的残疾，给受害人的生活带来很多不便。因此，研究如何降低汽车与行人碰撞过程中对行人腿部及膝关节造成的伤害，对于降低事故损失及受害人的痛苦具有重要意义。1 2 国内外研究概况随着对汽车研究的不断深入，行人安全己经引起了国内外研究的广泛重视，目前已经成为研究的重点【6 ，7 1 。目前，各国主要采用主动防护方法和被动防护方法来提高汽车与行人碰撞中对行人的保护。主动防护方法是在发生汽车与行人碰撞事故前或在事故发生时主动采取一些措施来避免事故发q i 或减小事故后果；而被动防护方法则是通过改变车身结构来减少在碰撞过程中对行人产生的伤害。汽车与行人碰撞中f 肢损伤防护及其评价方法研究目前，国内外对于行人保护的主动防护方法主要有【8 j ：( 1 1 采用辅助制动装置，降低汽车与人碰撞的速度，从而降低对人的损伤。r 2 1 采用电子行人发射器和接收器，避免事故的发生。( 3 1 采用自动弹出式发动机罩，有效增加发动机罩与发动机舱中的零部件之间的间隙，避免行人头部与硬物接触，降低对行人头部的损伤。( 4 ) 采用汽车前保险杠安全气囊和前风窗安全气囊。( 5 ) 加强交通管理。由于行人与汽车发生碰撞的位景一般为汽车前部，被动防护方法主要通过改变汽车前部造型和结构，具体包括以下几个方面：( 1 ) 改变保险杠的结构和性能来降低对行人下肢的损伤。( 2 ) 改变发动机罩的结构和性能来降低对行人头部的损伤。( 3 ) 改变翼子板的支撑结构和性能，设计成容易压溃变形的结构，降低对行人头部的损伤。( 4 1 改变汽车前部造型，寻求对行人损伤较小的汽车前部造型。在现有的车型中，途安加装了两个泡沫件作为缓冲材料附着与保险杠横梁上，在碰撞时，前保险杠与翼子板能适度沉陷，从而保护行人安全，获得了n c a p行人保护3 星评价【9 】。雪铁龙c 6 以4 星的成绩，成为全球第一辆在欧洲n c a p安全实验中行人保护方面获得高分的轿车【l0 1 。该车保险杠后面布置了吸收器，以便减缓冲击并避免腿部弯曲，从而保护下肢。保险杠和进气隔栅的上部以及发动枫罩的底部经过柔化处理，以缓减冲击，从而保护股骨。发动机罩及内衬的尺寸设计考虑了对头部冲击的减缓作用，并且发动机罩具有主动保护功能，若与行人发生碰撞，该装置能将发动机罩在其铰链处拾起，由此可增加机罩和机罩内刚性机械件之间的距离，从而吸收变形的能量并减轻头部与机罩碰撞的冲击力，从而对头部具有很好的保护作用。为了很好的分析行人在汽车与行人过程中受到的伤害，评价汽车前部对行人的保护性能，欧美及目本等汽车工业发达国家在行人碰撞安全性研究领域已经开展了许多卓有成效的研究工作。研究了人体的碰撞生物力学响应特性及损伤机理，建立了汽车对行人损伤的实验评价方法及实验准则，开发了行人模型和行人冲击器模型，并且要求在一定时间内，其所属范围内的所有车型逐步满足行人损伤评价的实验要求7 ，一4 1 。然而，由于人体下肢生物力学结构和损伤机理的复杂性，目前，该方向的研究内容仍是国际汽车安全领域的重点和难点之一i l ”j 。中国目前正在普及汽车正面碰撞安全性法规实验，侧面碰撞法规实验也将于2 0 0 6 年开始实施，这些都将对提高汽车的安全性起到积极的推动作用。在汽车与行人的碰撞安全性研究方面也已开展了一些前期研究工作，主要体现在对行人与汽车碰撞的计算机仿真研究及道路交通事故统计分析等方面【5 、1 8 。然而，国内目前对汽车与行人的碰撞安全性尚未引起足够重视，但随着中国汽车工业与世界汽车工业接轨的需要，特别是根据中国的道路交通状况与人口密集特点，汽车与行人的碰撞安全性研究必将成为国内汽车安全性研究领域的重点。1 3 国内外研究的主要内容1 3 1 交通事故调查与分析研究交通事故调查与分析就是调查和分析道路交通车辆事故中的车辆、乘员及行人损伤情况，分析事故发生过程，研究人、车、道路等因素之间的关系，并对这些事故中所采取的安全措施及其降低损伤率的有效性进行评估比较，主要包括交通事故调查与统计分析、事故重建等方面的内容。在对汽车与行人碰撞研究方面，通过交通事故统计，建立较完备的汽车与行人碰撞事故分析数据库，包括发生碰撞的行人特点( 身高、性别、年龄等) 、碰撞发生时的路面及天气状况、碰撞车速、行人与车的碰撞部位、碰撞时行人手和腿的位置状态、行人受伤害的程度等。根据这些统计数据，可以知道当行人与车发生碰撞时，可能性较大的行人状态、碰撞位置、易发生碰撞人群等，从而为计算机仿真和实验参数定义提供参考，并可以用于指导减少行人损伤相关措施的制定【2 1 1 。1 3 2 损伤生物力学研究在对行人下肢损伤研究方面，国内外目前主要从医学、生物力学角度，通过开发人体模型和进行仿真实验等方法对行人膝关节损伤进行研究【2 2 也4 1 。保险杠和发动机罩前缘是导致下肢损伤的主要部件，通常行人在碰撞事故中造成的损伤包括腿骨骨折、关节骨折、关节脱臼、韧带撕裂、皮肤软组织损伤等，这些损伤形式之间存在着相互影响和制约的作用【2 ”。由于行人膝关节结构复杂，对载荷响应敏感，主要采用对真实碰撞事故损伤分析统计及事故重建的方法进行膝关节损伤机理研究。另外，也可以通过p m h s 实验来分析膝关节损伤机理。k a j z e re la l ，利用人的尸体进行了多次实验，分析了膝关节在剪切、弯曲实验中的响应及损伤机理【2 ”。其实验结论对目前开展膝关节损伤研究及下肢冲击器模型的建立有指导和评价作用。1 3 3 行人模型研究具有较高人体生物特性的行人模型对实验的有效性有重要影响，利用行人模型展开研究是分析汽车对行人损伤重要手段和方法。国内对行人模型的研究处于起始阶段，目前还没有开发出能模拟人体特性的行人模型。国外在行人模型研究方面已经开展了很多工作，开发出了一系列的行人模型，并且通过对行人模型的汽车与行人碰撞中f 肢损伤防护及其评价方法研究尺寸及特性迸行缩放，得到不同身材的行人模型【2 ”。这些模型分为可用于实车实验的实物模型和用于仿真实验的有限元模型和多刚体模型。行人模型被广泛用于分析汽车前部造型及结构对行人损伤的影响，其实验结果与人体在实际碰撞中的损伤基本相符。1 3 4 行人冲击器模型研究利用行人冲击器模型也是分析汽车前部对行人损伤的重要方法之一。由于冲击器实验布置简单、实验成本低、实验可重复性高，目前采用冲击器模型对汽车前部进行评价已经成为研究的重点，该实验方法已成为对新车评价的主要方法。目前，各国研究人员根据各自的研究重点，提出了多种人体下肢的损伤机理和评价方法，并建立了多种下肢冲击器实物及仿真模型，然而，这些方法和实验模型存在着各自的局限性【2 8 】。e e v c 冲击器模型膝关节刚度太大，导致剪切位移太小；胫骨上端的加速度传感器可以反映胫骨上端骨折情况，但当碰撞部位改变时，即使只有很小的加速度也会产生骨折现象，因而该装置无法准确反映其它受撞击部位受损情况。日本也开发出了较复杂的行人下肢冲击器模型，具有较高的生物特性，但实验可重复性不大，评价性能仍然有待提高。我国在对行人下肢损伤方面已经开展了一些的研究，主要利用仿真软件对行人损伤进行分析。吉林大学、清华大学、湖南大学等高校在行人损伤事故统计、事故重建以及分析汽车前部结构对行人的保护性能等方面进行了一定的研究。清华大学已经开始研究开发新的下肢冲击器模型，我校目前正与第三军医大学、瑞典查尔摩斯大学合作开展人体下肢损伤生物力学研究，并计划在近期内开发具有简单结构、能有效地评价汽车前部对行人下肢的保护性能的下肢冲击器模型，并逐步建立实验评价标准。1 3 5 行人安全性实验评价方法研究由于在汽车与行人的碰撞事故中，轿车、轻型越野车和轻型载货车占8 0 以上，而其中轿车约占7 0 ，因此，目前对汽车与行人的碰撞安全性评价主要是针对轿车及类似轿车的轻型车等来进行。汽车与行人碰撞安全性的实验评价方法通常有两种。一种是利用实车与行人假人模型进行碰撞实验，另一种是利用模拟假人的部件对实车或汽车部件进行冲击实验【2 1 1 。利用实车与行人假人机械模型进行碰撞的实验比较接近于真实碰撞事故，仅事故中的行人被换为假人。在以往的实验中，由于没有特殊的行人假人，通常采用车内正面碰撞假人来代替，导致实验过程中假人的运动特性与实际事故中行人表现出来的特性差别较大。因此，目前欧洲和日本正在开发和完善生物拟合性能碗士学位论文较好的行人假人，如本田公司开发的p o l a r i i d u m m y 等。利用实车与实验用行人假入进行碰撞的实验费用较高，测试过程复杂，实验结果的重复性较低，且假人的姿势及碰撞前假人相对于实车的位置等对碰撞结果影响较大。因此，该方法目前多用于与计算机仿真进行对比分析，不适用于对汽车与行人的碰撞安全性进行全面评价。目前，一般都采用冲击器对汽车前部进行评价。一种较好的评价方法是利用计算机仿真技术与实验相结合的方法来进行更加符合实际的实验评价。该实验方法的指导思想是基于实际事故分析，采用计算机仿真技术根据不同车型的特点计算出行人在实际碰撞过程中的运动学特性及与实验车的相互作用，以此来指导实验。在研究阶段，主要进行仿真实验，可以很容易的改变各种参数进行分析，节省成本，提高研究效率。1 9 8 7 年，欧洲增强汽车安全委员会( e e v c ) 成立了一个工作组w g l 0 开始从事行人安全研究工作。该工作组于1 9 9 1 年提出了汽车与行人碰撞安全性的部件冲击实验评价方法【2 9 1 。该实验方法将行人分为下肢、上肢( 大腿及骨盆) 、头部等三个部分( 头部又分为成人和儿童两种) 对汽车整车或汽车前部与行人碰撞相关的部件进行冲击实验，测量相应的性能参数，并进行相应的评价，如图1 1所示。图1 1 部件冲击实验示意图1 9 9 8 年，e e v cw g l 7 对该实验方法进行了修订和完善1 3 。于1 9 9 8 年修订了用部件冲击器对行人损伤进行评价的方法，并提出了相应的实验评价指标。利用下肢冲击器对车型前部的保护性能的评价标准如表1 1 所示。e e v cw g l 7 制定的评价方法中对下肢损伤的评价是下肢冲击器模型以1 1 1 士o 2m s 水平撞击保险杠，要求输出的胫骨上端加速度小于1 5 0 9 ，膝关节剪切位移小于6 m m ，弯曲角度小于1 5 。欧洲新车评价程序c a p ) 于2 0 0 4 年制定的新车评价标准采用了e e v c 提出的实验评价指标对新车型进行评价。然而，目前的许多车型难以全面达到要求。因此，欧洲汽车工业协会( a c e a ) 对该实验方法提出了部分修改，分为两个阶段对车型进行评价，现阶段主要要求满足a c e a ( p a r ta 1 的评价标准。即采用下肢冲击器埘汽车前保险杠进行冲击实验，冲击速度为1 1 1 0 2 m s ，要求输出的胫骨上端加速度不大于2 0 0 9 ，模拟膝关节剪切位移不大于6 m m ，弯曲角度不大于2 1 。2 0 l o 年后逐步满足b 部分的要求【30 1 。表1 1 行人下肢冲击器实验评价标准实验评价标准评价部门实验速度胫骨加速度剪切位移弯鳆角度e e v c ( 19 9 8 )1 1 1 士o 2m ，s1 5 0 96 m m1 5 。n c a p ( 2 0 0 4 )i i i 士o ，2m s1 5 0 96 m m1 5 。a e c a ( p a r ta )1 1 1 土o 2m s2 0 0 96 m m2 l 。a e c a ( p a l u b )1 1 1 士o 2m s1 5 0 96 m m1 5 。g t r ( 草案)1 1 1 士o 2m ，s2 0 0 96 m m2 l 。日前，国际上还没有制订部件冲击器对汽车结构进行实验评价的标准，国际技术法规组织( g t r l 正在制订该方面的法规，并提出了草案，其中关于行人下肢冲击器实验实验方法及评价标准与欧洲汽车工业协会( a c e a ) 中a 部分的定义的几乎相同u “。因此，e e v cw g l 7 建立了评价方法，通过输出膝关节骨节错位、膝关节弯曲角度及胫骨上端加速度来评价车型前部结构对行人下肢的保护性能，是目前唯一较完善的将用于欧溯汽车工业领域的评价方法。然而，很多学者认为该实验评价方法仍然需要改进和完善，建议采用膝关节受到的力和力矩来进行评价膝关节的损伤32 。，或采用力传感器代替加速度传感器等【2 。目前，在没有更完善的评价方法和评价标准的情况下，欧洲仍然采用上述e e v c 提出的评价方法对新车型进行评价。为了提高新车型前部对行人的保护性能，欧盟决定从2 0 0 5 年7 月l 闩起，最迟于2 0 0 5 年1 0 月l 同，a c e a 所有成员中将上市的新机动车型都必须通过部件冲击实验评价。到2 0 1 0 年7 月1 日，8 0 的新车必须通过评价实验，2 0 1 1 年达到9 0 ，到2 0 1 2 年达到1 0 0 。i s 0 ( i n t e m a t i o n a l0 r g a n i z a t i o nf o rs t a n d a r d i z a t i o n ) 也已经制定了用于保险杠和发动机罩的实验方法。i s o 实验方法与e e v c 的实验方法相似，其目的主要用于研究和技术开发，而不是当作法规使用。1 9 9 7 年，i h r a ( i n t e r n a t i o n a lh a r m o n i s e dr e s e a r c ha c t i v i t i e sc o m m i t t e e l 成立行人安全工作组。由于e e v c 在风窗前支撑区域、a 柱、风窗上梁以及顶盖区域还没有提出实验方法，i h r a 将制定用于这些区域的实验方法【2 8 l 。日本m l i t 在日本汽车生产协会( j a m a ) 和日本汽车研究所( j a r i ) 的帮助下，制定了行人头部实验方法及保护要求。该实验方法将于2 0 0 5 年9 月1 闩用于乘用车新车型和车重小于2 5 t 的由乘用车改装成的卡车新车型，并将于2 0 1 0 年9月1 同起用于所有的车型【2 8 】。美国u ne c e ( u n i t e dn a t i o n se c o n o m i cc o m m i s s i o nf o re u r o p e ) 工作组正在根据现有豹研究成果开发行久碰撞g t r f g 】o b a lt e c h n i c a lr e g u l a | j o n ) ，而且根据6硕士学位论文j a r i 和日本m l i t 的工作，制定了头部冲击实验程序。他们下一步也将制定下腿与保险杠的冲击的实验方法【2 引。1 4 本文主要研究目的、研究内容和方法及研究意义1 4 1 研究目的( 1 ) 分析汽车前部结构的改变对行人下肢损伤的影响，得到对行人下肢保护性能较好的汽车前部结构，提高对行人下肢，尤其是对膝关节的保护性能。( 2 ) 分析现有e e v c 下肢冲击器数学模型的评价性能，建立新e e v c 下肢冲击器模型，提高其用于评价汽车前部对行人下肢保护性能的评价性髓。1 4 2 研究内容和方法针对目前国内外在汽车与行人碰撞行人下肢安全性研究的现状，根据交通事故损伤分析统计及现有的数学模型，利用m a d y m 0 分析软件，本文主要在以下几个方面进行研究：( 1 ) 针对汽车与行人碰撞安全性进行大量文献研究工作，分析该课题的国内外研究现状、研究方法及目前有待深入研究的问题等。( 2 ) 进行人体下肢解剖结构及损伤生物力学文献研究，在对人体下肢结构了解的基础上进行损伤生物力学分析，研究下肢损伤形式、损伤机理及相应的损伤评价标准。( 3 ) 汽车前部结构对行人膝关节损伤安全性研究。采用现有的行人多刚体模型，利用多刚体动力学软件( m a d y m 0 ) ，建立汽车与行人碰撞模型，改变汽车前部的主要结构参数，如保险杠的高度、保险杠前端面与发动机罩前端的距离、保险杠上下作用面的宽度、发动机罩前端的离地高度，较详细的分析汽车前部结构轮廓对行人膝关节损伤的影响，确定在汽车与行人碰撞过程中对人体下肢损伤较小的汽车前部结构。( 4 ) 建立具有简单结构，可以很好评价汽车前部对行人下肢的保护性能的下肢冲击器模型。研究国内外下肢冲击器模型发展现状及实验验证方法，比较各个冲击器模型的特点及存在的局限性，建立下肢冲击器静态剪切、弯曲验证多刚体仿真模型。在对e e v c 下肢冲击器多刚体模型进行参数分析的基础上，建立与其具有相同特性的行人下肢冲击器模型，并对新建冲击器模型进行有效性对比验证。然后，从理论和仿真实验上进行分析，提出了提高冲击器的评价性能的措施。通过改变新建冲击器模型的部分定义参数，使新冲击器模型能很好评价汽车前部对行人下肢的保护。1 4 3 研究意义通过开展人体下肢损伤生物力学研究，掌握下肢损伤机理，可以针对具体的损伤形式采取相应的措施，增强对行人下肢的保护。通过对汽车与行人碰撞安全性的研究，分析汽车前部结构的改变对行人损伤的影响，得到对行人下肢损伤较小的汽车前部结构，可以用于指导汽车造型及结构设计。研究成果可以应用于汽车开发，提高汽车安全性，降低汽车与行人发生碰撞时对人体下肢的损伤。目前，对行人下肢冲击器模型的研究在国内刚刚起步，通过分析国内外冲击器模型发展现状可以指导该领域课题研究的展开。建立的静态剪切、弯曲验证多刚体模型可以对冲击器的性能进行评价。通过建立新的冲击器模型并提出了改进措施，使改进后的新冲击器模型与行人模型具有相同的评价性能，可以很好的综合性评价不同车型前部对行人下肢的保护性能，可应用于指导汽车设计和开发，增强在汽车与行人碰撞过程中对行人下肢的保护，也有利于中国对新车评价法规的建立。硕士学位论文第2 章人体下肢解剖结构及损伤生物力学研究本文主要针对在汽车与行人碰撞中对行入下肢的保护展开研究，掌握人体下肢结构及损伤机理是很必要的。本章主要从解剖学角度对下肢的主要组成部件进行论述，研究了下肢结构、损伤机理及相应的损伤评价标准。2 1 人体下肢解剖结构l，广骨骼系统i自由下肢骨j纂三罨：二，ik 如m 。，僻蒹9图2 2 人体下肢生物结构图2 1 1 股骨股骨( f e m u r ) 是人体中最大的长管状骨，可分为一体两端【34 1 。如图2 3 所示，上端朝向内上方，其末端膨大呈球形，叫股骨头，与髋臼相关节。头的中央稍下方，有一小凹，叫做股骨头凹，为股骨头韧带的附着处。头的外下方较细的部分称股骨颈。颈与体的夹角称颈干角，约为1 2 0 1 3 0 。颈体交界处的外侧，有一向上的隆起，叫做大转子，其内下方较小的隆起叫做小转子。大转子的内侧面有一凹陷称为转子窝。大、小转子间，前有转子间线，后有转子间嵴相连。下端为两个膨大的隆起，向后方卷曲，分别叫做内侧髁和外侧髁。两髁的下面和后面都有关节面与胫骨上端相关节，前面的光滑关节面接髌骨，称为髌面。在后方，两髁之间有一深凹陷，叫做髁间窝。内侧髁的内侧面和外侧髁的外侧面各有一粗糙隆起，分别叫做内上髁和外上髁。内上髁的上方有一三角形突起，叫做骨收肌结节，为内收肌腱附着处。图2 3 股骨2 1 2 小腿骨小腿骨主要包括胫骨和腓骨，如图2 4 所示，胫骨位于内侧，腓骨位于外侧。胫骨为主体，上端单独与股骨下端相接，腓骨未参与膝关节的组成，而以微动关节及韧带连接于胫骨外侧。两骨的下端都参与踝关节的构成。硕士学位论文胫骨( t i b i a ) 可分为一体和两端。上端膨大，形成内侧髁和外侧髁，与股骨下端的内、外侧髁以及髌骨共同构成膝关节。两髁之间的骨面隆凸叫做髁间隆起。隆起前后各有一凹陷的粗糙面，分别叫做髁间前窝和髁间后窝。上端的前面有一粗糙的隆起，叫做胫骨粗隆。外侧髁的后下面有一关节面，接腓骨小头，叫做腓关节面。下端膨大，下面有与距骨相接的关节面，内侧有伸向下的骨突，h q 做内踝。外侧有与腓骨相接的三角形凹隐，叫做腓骨切迹。腓骨( f i b u l a ) 细长，也分为一体和两端。上端膨大叫做腓骨小头，由皮肤表面可以触及。小头内上面有关节面与胫骨上端外面的关节面相关节，小头下方缩细处叫做腓骨颈。腓骨体形状不规则，其骨间嵴与胫骨同名嵴相对，为骨间膜的附着处。下端也稍膨大，叫外踝，外踝的内面有呈三角形的关节面，和胫骨下端的关节面共同构成关节窝，与距骨形成关节连接。图2 4 胫骨与腓骨2 1 3 膝关节膝关节( k n e e i o i n t ) 由股骨内、外侧髁和胫骨内、外侧髁以及髌骨构成，为人体最大且构造最复杂，损伤较多的关节。如图2 5 所示。关节囊较薄而松弛，附着于各关节软骨的周缘。关节囊的周围有韧带加固。前方的叫髌韧带，是股四头肌肌腱的延续( 髌骨为该肌腱内的籽骨) ，从髌骨下端延伸至胫骨粗隆，在髌韧带的两侧，有髌内、外侧支持带，为股内侧肌和股外侧肌腱膜的下延，并与膝关节囊相互编织；后方有胭斜韧带加强，由半膜肌的腱纤维部分编入关节囊所形成；内侧有胫侧副韧带，为扁带状，起自内收肌结节，向下放散编织于关节囊纤维层：外侧为腓侧副韧带，是独立于关节囊外的圆形纤维束，起自股骨外上髁，止于腓骨小头。膝关节内有两条交叉韧带( 图2 5 ) 。前交叉韧带附着于胫骨髁间前窝，斜向后外上方，止于股骨外侧髁内面的后端，有制止胫骨前移的作用。后交叉韧带位于前交叉韧带的后内侧，较前交叉韧带短，起自胫骨髁问后窝及外侧半月板的后端，向内斜向前上方，附于股骨内侧髁外面的前端，具有限制胫骨后移的作用。图2 ，5 膝关节由于股骨内、外侧髁的关节面呈球面凸隆，而胫骨髁的关节窝较浅，彼此很不适合，在关节内，生有由纤维软骨构成的半月板，如图2 6 所示。半月板的外缘较厚，与关节囊紧密愈着，内缘薄而游离；上面略凹陷，面向股骨髁，下面平坦，朝向胫骨髁。内侧半月板大而较薄，呈“c ”形，前端狭窄而后端较宽。前端起于胫骨髁间前窝的前端，位于前交叉韧带的前方，后端附着于髁间后窝，位于外侧半月板与后交叉韧带附着点之间，边缘与关节囊纤维层及胫侧副韧带紧密愈合。外侧半月板较小，呈环形，中部宽阔，前、后部均较狭窄。前端附着于髁间前窝，位于前交叉韧带的后外侧，后端止于髁间后窝，位于内侧半月板后端的前方，外缘附着于关节囊，但不能与腓侧副韧带相连。半月板具有一定的弹性，能缓冲重力，起着保护关节面的作用。图2 6 膝美节半月板半月板将膝关节腔分为不完全分隔的上、下两腔，使关节头和关节窝更加适应，增加了运动的灵活性，屈伸运动主要在上关节腔进行，而屈膝时的轻度的回旋运动则主要在下腔完成。此外，半月板还具有一定的活动性，屈膝时，半月板向后移，伸膝时则向前移。在强力骤然运动时，易造成损伤，甚至撕裂。当膝关节处于弯曲而胫骨固定时，股骨下端由于外力骤然过度旋内、伸直，可导致内侧半月板撕裂：同理，如该时股骨下端骤然外旋、伸直，外侧半月板也可发生破裂。2 2 行人下肢损伤生物力学2 2 1 损伤机理当发生汽车与行人碰撞事故时，外部载荷通过车辆前部与人体接触传递到人体下肢上。当生物力学响应使人体下肢的变形超过了人体下肢的损伤耐受度时，就会导致下肢生物组织的损伤和正常生理功能的破坏。行人下肢损伤形式主要有股骨骨折、胫骨和腓骨骨折及膝关节损伤等25 1 ，如图2 7 所示。稠2 7 行人下肢受侧面撞击时主要损伤形式2 2 1 1 腿骨骨折在汽车与行人碰撞中，汽车保险杠和发动机罩边缘是造成胫骨、腓骨及股骨损伤的主要因素。i t a r d a 的一项分析报告指出，发动机罩的前部边缘结构会造成行人大腿骨折，而胫骨和腓骨的骨折与前部保险杠及挡板有关1 3 ”。汽车保险杠从侧面撞击行人下肢时会使胫骨产生弯曲运动，造成胫骨损伤。胫骨弯曲使其在受力的一侧产生挤压应力，而相对的一侧产生拉应力，当应力超过胫骨耐受极限时就会产生骨折。腓骨骨折及股骨受发动机罩边缘撞击产生骨折的原理与胫骨骨折的原理相同1 2 “。通过分析行人下肢在受到各种载荷冲击时损伤状况，包括分析行人下肢在与汽车发生碰撞时受到弯矩、侧向冲击力作用的损伤状况，得到行人下肢腿骨的耐受程度。股骨骨折的碰撞力峰值为3 一l o k n ，力矩为3 2 0 n m ( k r e s se ta 1 ，1 9 9 3 ) o ”j 。胫骨骨折的碰撞力峰值为2 5 8 k n ( k r a m e r 等，1 9 7 3 ：p r i t z ，1 9 7 8 ) 1 ” 3 。n y q u i s t等人( 1 9 8 5 ) 使用尸体下肢样本做胫骨动态三点弯曲实验，测量胫骨的耐受限度，得出男性胫骨骨折的碰撞力峰值为4 7 士1 4k n ，弯曲力矩为3 1 7 士8 8 n m ，女性胫骨骨折的碰撞力峰值为4 1 士1 2 k n ，弯曲力矩为2 7 8 士3 0 n m 【”】。造成腿骨开始骨折的力的大小取决于载荷的加载速度及作用的时间。胫骨骨折与载荷的的大小及作用时问的关系如图2 8 所示1 4 。胫骨受到的力越大、作用时间越长，其造成骨折的可能性就越大。当作用力为7 5 k n 时，只要加载时间超过4 m s ，就能造成胫骨骨折。幸2 s 壮瞒删嘲o n 硝a i d 蝴蝣图2 8 侧向加载( 力力矩) 和载荷作用时间对胫骨骨折的影响【4 0 】2 2 1 1 膝关节损伤膝部的损伤一般是由保险杠直接撞击该部位以及膝关节处作用力的传递所致。膝部损伤包括：股骨胫骨骨节断裂，髌骨断裂和韧带的拉伤及断裂。膝部损伤主要是由剪切力和弯矩共同作用所致，而这些力和弯矩主要由韧带拉力和关节连接面的压力组成1 2 ”。膝部在受到汽车侧面碰撞时的剪切和弯曲损伤机理由k a i z e r 及合作成员( k a j z e re ta 1 ，1 9 9 0 ，1 9 9 3 ，1 9 9 7 ，1 9 9 9 ；y a n ge ta 1 ，1 9 9 5 ) 通过采用尸体样本实验提出的。图2 9 ( a ) 为膝关节剪切力和弯矩传递示意图f 2 5 1 ，汽车撞击行人下肢侧面靠近膝关节位置，这是汽车行人碰撞时最为常见的碰撞形式。由于股骨的位移延迟，膝关节面发生剪切脱臼。剪切脱臼造成膝盖韧带拉伸，从而使股骨骨节与胫骨髁间隆起接触部分产生应力集中。当应力值超过其耐受限度，就会造成胫骨髁间隆起骨折或股骨软骨损伤。当膝关节侧向弯曲时，中间间接韧带( m c l ) 由于张力而拉伸，侧面的关节界面由于与侧面骨节的发生碰撞而受到压力作用。膝关节弯曲旋转运动会给韧带施加张力，造成膝部韧带损伤。韧带组织的失效将有可能首先发生在拉伸一侧，主要取决于韧带的临界抗拉强度和腿骨的临界抗压强度。汽车与行人碰撞研究( y a n g ，1 9 9 7 b ) 表明，如图2 9 ( b ) 和( c ) 所示，保险杠与行人下肢的上部碰撞时，膝关节的损伤碰撞响应和损伤机理与腿骨是否骨折有关。m图2 9a ) 侧碰时作用于膝部的力以及可能造成的损伤；b ) 和c ) 膝部在胫骨是否骨折情况下的响应“”k a j z e r 等人( 1 9 9 0 和1 9 9 3 ) 研究了膝关节在横向冲击载荷条件下的剪切、弯曲响应和损伤机理，当碰撞速度分别为1 6 k m h 和2 0 k m ，h 时，弯曲力矩的平均峰值分别为1 0 l 2 ln m 和1 2 3 3 5n m 。当碰撞速度分别为1 5 k m h 和2 0 k m h时，剪切力的平均峰值为2 5 7 0 3 7 k n 和3 2 2 0 4 6 k n 【4 ”。r a m e t 等人( 1 9 9 5 )在准静态载荷条件下采用下肢生物样本研究了膝关节的耐受限度，测得弯曲力矩为1 0 0 n m ，力为o 7 5 3 k n 【4 ”。k e r f i g a ne ta l 等人采用人体膝关节进行动态弯曲和剪切实验，在三次弯曲实验中，弯曲力矩平均峰值为1 4 3 2 0n m ，两次剪切实验中，剪切力峰值分别为18 3 9 n 和6 9 3 n f 4 3 1 。根据1 5 2 0 k m ，h 碰撞速度下膝关节的横向剪切响应，在碰撞的第一个1 0 m s内，横向错位峰值为9 1 1 m m 。当膝盖关节1 5 2 0 k m h 碰撞速度下受侧向弯矩作用时，碰撞后2 0 m s 内侧向弯曲角度约为8 一1 3 。【2 5 l 。2 2 2 损伤评价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，损伤评估标准主要有：简略损伤标准( a i s ) 、生理学尺度标准( g c s ) 和社会学尺度( i c s ) 标准三种【4 4 1 。对于交通事故中的人体损伤评估，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。最初制订于1 9 7 1 年，后经过四次修订，现行版本为“a i s 9 0 ”。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，如表2 1 所示，a i s 的等级值越高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。下肢的损伤虽然不会致命，但却是致残的主要原因。按a i s 分级，根据损伤部位和程度，一般分为1 到3 级间，即轻伤、轻微伤和重伤。其中擦伤或软组织轻微损伤为a i s l ；关节囊、韧带或半月板产生严重的拉伸或扭曲变形，膝盖骨骨折，胫骨错位型骨折或膝关节错位等为a i s 2 ；股骨末端骨折，胫骨粉碎性骨折或韧带断裂为a i s 3 【4 引表2 1a i s 损伤分类标准【4 6 】a i si n j u r ys