（车辆工程专业论文）行人在汽车碰撞事故中下肢骨折的有限元仿真研究.pdf

行人在汽车碰撞事敲中下肚骨折的有限元仿真研究 摘要 在车辆交通碰撞事故中，行人因为没有保护而具有高度的损伤风险。通常行 人f 肢是伤害风险最高的部位之一。为了减少行人在碰撞事故中下肢的损伤风险， 本文采用有限元分析的方法，研究了行人下肢的碰撞生物力学响应和损伤机理， 并模拟分析预测了下肢的骨折风险，研究结果可为改进车辆保险杠系统的安全性 能提供依据。 行人下肢有限元模型根据人体下肢的解剖学结构建立。模型由骨骼组织和韧 带组织构成。其中，有较大骨折风险的长骨包括股骨、胫骨和腓骨用实体单元建 模以获得较好的力学响应特性。其他部分如足骨等由壳单元和弹簧阻尼单元构 成。 本文中采用了l s d y n a 仿真软件，在已有的行人下肢模型( h b m 1 0 w e r l i m b ) 的基础上进行了改进。模型的有效性通过模拟胫骨的弯曲实验和下肢的剪切与弯 曲实验，并比照相同条件下的生物试验结果验证。通过运用本模型，模拟了不同 的高度的冲击载荷时下肢的生物力学响应和骨折情况，并通过比较不同载荷条件 下下肢的力学响应，分析了碰撞位置等参数与下肢损伤之间的联系。 本文的研究结果表明，在相同速度的条件下，适当降低汽车前部保险杠的高 度可以降低行人下肢的损伤风险。人体下肢的有限元模型具有较好的生物逼真度， 可用于研究下肢的生物力学响应和损伤机理。对于本模型而言，在模拟下肢的软 组织结构和更合理的失效机制两个方面有待改进。该模型的建立对国内的行人下 肢损伤研究和防护技术开发将起到一定的作用。 关键词：行人下肢、骨折、损伤生物力学、有限元方法、计算机仿真 i i a b s t r a e t i nc a r - t o - p e d e s t r i a na c c i d e n t ，p e d e s t r i a nh a v eah i g hi n j u r yr i s kd u et ol a c ko f p r o t e c t i o nf r o mc a ri m p a c t s + t h el o w e re x t r e m i t i e so fp e d e s t r i a na r et h em o s t f r e q u e n t l yi n j u r e dp a r t so fh u m a nb o d y i nt h i sp a p e r ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) w a su s e dt os t u d yt h eb i o m e c h a n i c a lr e s p o n s e sa n di n j u r ym e c h a n i s mo fp e d e s t r i a n l o w e re x t r e m i t i e si nt r a f f i ca c c i d e n t s t h ef e mm o d e lw a su s e da l s ot op r e d i c tt h er i s k o fb o n ef r a c t u r eo ft h el o w e re x t r e m i t i e s ，f h er e s u l t sf r o mt h i ss t u d yc a nf o r m sa b a c k g r o u n dk n o w l e d g et oi m p r o v et h es a f e t yp e r f o r m a n c eo fp a s s e n g e rc a rb u m p e r s y s t e mf o rp r o t e c t i o no fp e d e s t r i a nl o w e re x t r e m i t i e si nt r a f f i cc o l l i s i o n s ， a ne x i s t i n gf em o d e lo fl o w e re x t r e m i t y ( h b m - l o w e rl i m b ) w a si m p r o v e da n d u s e di nt h i ss t u d y 。t h ef em o d e lo fp e d e s t r i a nl o w e re x t r e m i t yi sb a s e do nt h e a n a t o m yo fh u m a nl o w e re x t r e m i t y t h i sm o d e lc o m p o s e so fs k e l e t o ns y s t e ma n d l i g a m e n ts y s t e m i nt h i sm o d e l ，f e m u ra n dt i b i aa n df i b u l aa r em o d e l e db yu s i n gs o l i d e l e m e n t s t h er e s tp a r t sa r em o d e l e db yu s i n gs h e l le l e m e n t sa n dl i n e a rs p r i n g d u m p e r e l e m e n t s i nt h i sp a p e r ，t h ep r o g r a ml s - d y n aw a su s e d t h em o d e lw a sv a l i d a t e db y s i m u l a t i n gt h et i b i at h r e e p o i n tb e n d i n gt e s ta n dl o w e re x t r e m i t ys h e e r i n ga n db e n d i n g t e s t s t h er e s u l t sf r o ms i m u l a t i o n sw e r ec o m p a r e dw i t ht h er e s u l t sf r o mt h e b i o m e c h a n i c a lt e s t s ，b yu s i n gt h i sm o d e l ，l o w e re x t r e m i t yi m p a c ti nd i f f e r e n tl o a d s w a ss i m u l a t e d t h ei n f l u e n c eo fi m p a c tl o c a t i o nt ol o w e re x t r e m i t yi n j u r i e sw a s a n a l y z e da n dd i s c u s s e d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h er i s ko fl o w e re x t r e m i t yi n j u r yc o u l db er e d u c e db y l o w e r i n gb u m p e rh e i g h t t h i sm o d e le n a b l e d t os t u d yt h eb i o m e c h a n i c a lr e s p o n s e sa n d i n j u r ym e c h a n i s mo ft h el o w e re x t r e m i t i e s i tw a ss u g g e s t e df o rf u r t h e ri m p r o v e m e n t o ft h i sm o d e li nt e r m so ft h es o f tt i s s u ea n db e t t e rr u p t u r em e c h a n i s m t h i sm o d e lh a s g o o db i o - f i d e l i t y a n dw i l tc o n t r i b u t et ot h er e s e a r c ho nl o w e re x t r e m i t y i n j u r y m e c h a n i s m sa n dd e v e l o p m e n to fi n j u r yp r o t e c t i o nd e v i c e k e yw o r d s ：p e d e s t r i a nl o w e re x t r e m i t y ；b o n ef r a c t u r e ；i n j u r yb i o m e c h a n i c s ；f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ；c o m p u t e rs i m u l a t i o n l l l 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： 壹胥日期：喃年r 月2 ；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 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 日期：j 阳噶年f 月q 日 一， 1 日期：乞6 年f 月乞；日 辩4 ，一 巷。剥 勘0 名名签签者师作导 第1 章绪论 在过去的几十年间，汽车的安全性受到了汽车工业和各国政府的高度重视， 随着各项安全法规的实施以及主动安全性和被动安全性技术的革新，在道路交通 事故中，人员的伤害呈现出逐年下降的趋势。尽管如此，伤亡的绝对数字依然十 分庞大。 行人伤害主要发生在城市地区。近几年来，在城市交通管理中已采取了诸如 过街天桥、过街地下通道以及交通安全岛等许多措施来保护行人的安全。这些措 施也取得了很大的成效，尽管如此，行人伤害的人数仍然很大。因此如何保护行 人，减轻其在与车辆发生碰撞时的伤害已经逐渐成为各国汽车安全性研究的新领 域和焦点问题。 1 1 选题背景及研究意义 在碰撞事故中，行人因为没有保护而具有高度的损伤风险。统计表明在德国 和欧洲其它国家，行人死亡占据交通事故死亡人数的第2 位。从数据上看，在欧 洲每年有大约4 3 0 0 0 人死于交通事故，其中，约6 9 0 0 个是道路上的行人，占死亡 总数的1 6 。这只是平均数字，欧洲各国由于情况不同，行人死亡率的差异也较 大，在比利时为1 0 4 ，而到了爱尔兰这一数字增长到2 7 5 蚶”。 中国的道路交通伤害死亡人数和死亡率居世界前列。如表1 1 ，公安部公布的 统计数字显示，我国道路交通事故死亡人数1 9 9 9 年是8 4 万人，2 0 0 0 年9 2 万人， 2 0 0 1 年1 0 4 万人，2 0 0 2 年1 0 9 万人，2 0 0 3 年1 0 5 万人，2 0 0 4 年达到1 0 7 万人。 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、真接经济损失3 3 7 亿元。在交通发达国家的交通 死亡事故中，机动车驾驶员与交通弱者( 行人、乘员、骑自行车人) 的死亡之比是 表1 11 9 9 8 2 0 0 3 年度全国道路交通事故统计【2 年份 事故次数死亡人数 受伤人数直接经济损失 1 9 9 83 4 6 1 2 97 8 0 6 72 2 2 7 2 11 9 2 9 5 1 1 9 9 94 1 2 8 6 08 3 5 2 9 2 8 6 0 8 02 1 2 4 0 2 2 0 0 06 1 6 9 7 19 3 8 5 34 1 8 7 2 12 6 6 8 9 0 2 0 0 17 5 4 9 1 91 0 5 9 3 0 5 4 6 4 8 53 0 8 7 8 7 2 0 0 27 7 3 1 3 71 0 9 3 8 l5 6 2 0 7 43 3 2 4 3 8 2 0 0 36 6 7 5 0 7 1 0 4 3 7 2 4 9 4 17 4 3 3 6 9 1 4 3 ：l ，而我国则恰恰相反，这一比例为l ：3 ，就是说有7 5 以上的死亡人数为燹 通弱者。 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。一位 从事汽车设计的专家认为，中国与欧、美、日的交通状况有很大不同，国内道路 大多是行人、自行车、摩托车和汽车混行，行人、自行车、摩托车造成的交通事 故比例很高。在中国使用的汽车，更应该优先考虑行人的交通安全问题，降低交 通事故发生时对行人的伤害。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。 根据事故数据分析，在我国的汽车交通事故中车辆与行人相撞的比例最高， 共占汽车交通事故总数的2 7 。在这些事故中头颈部和下肢的损伤又占损伤总数 的7 0 以上【3 l 。而其中下肢损伤是交通事故中人员致残的主要因素。因此研究车 辆与行人相撞事故中行人下肢的生物力学响应及损伤机理是汽车安全领域应优先 考虑的问题之一。 对汽车与行人碰撞事故中行人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。通过对汽车与行人碰撞交通事故中 行人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 文建立了一个人体下肢的有限元模型，并用已有实验数据对此模型进行了验证。 运用此模型可对行人下肢的损伤生物力学问题进行研究。 通过建立人体下肢有限元模型来研究下肢的损伤机理，从而改进汽车安全设 计，减少下肢损伤风险，是世界汽车安全性领域持续研究且尚未彻底解决的科技 问题，在我国则几乎还是空白。因此本课题具有现实的经济和社会意义，可为我 国行人安全的研究做出一定的贡献。 1 2 课题研究重点 本文以损伤生物力学、有限元方法与多刚体动力学为基础，采用计算机仿真 相结合的研究方法，研究车辆与行人相撞的交通事故中行人的损伤机理，确定导 致行人损伤的原因及其它与汽车安全相关的因素，并由此探索在车辆与行人相撞 的交通事故中行人损伤防护的方法和新途径。 本论文工作侧重于建立开发一个人体下肢的有限元模型，该模型可用来对冲 击载荷下的人体下肢的生物力学响应参数进行分析和研究。归纳起来，本论文开 展的研究工作包括： ( 1 ) 人体下肢损伤文献的研究，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，计算机仿真研究方法及其在汽车被动安全研究中的应用， 分析人体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 ) 人体下肢有限元模型的改进：力学模型的处理、有限元单元的选择及网格 的划分；叙述建模理论动态有限元显式解法的基本概念，阐述有限元人体下肢模 型的建立原则和方法；分析人体下肢有限元模型各部分结构的材料特性参数和生 物力学响应参数； ( 3 ) 人体下肢有限元模型的验证：通过仿真实验用已有的试验数据对该模型的 有效性进行了分析与评价； ( 4 ) 模型的仿真研究及参数分析：利用验证后的模型对人体下肢运动过程的动 力学及运动学响应等情况作分析，着重研究碰撞位置对下肢损伤的影响， ( 5 ) 人体下肢损伤防护对策研究：在损伤机理和参数分析的基础上，初步探讨 碰撞事故中防止行人下肢损伤的相关对策。 1 3 损伤生物力学基础 损伤生物力学是汽车被动性安全研究中人体防护的重要理论基础。在碰撞事 故过程中，人体暴露在一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，或导致正常生理功能变化或丧失，这 时就发生了人体损伤，人体组织在碰撞过程中所包含的有关力学问题就称之为损 伤生物力学【4 1 。 该领域学科交叉的特点十分显著。作为被动安全技术开展的重要基础，历史 上对不同形式碰撞中人体受伤机理、人体各部分的伤害极限、人体碰撞机械响应 特性以及碰撞人体替代物等都有研究。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i “，最终可以精确评价人体损 伤，并开发保护系统用于减少并合理分配作用于人体上的碰撞能量。人体耐冲击 性的定量化，更便于对被动安全中人体伤害指标的认识和操作。 同时，一些制造商和研究机构成立了生理实验室，致力于通过实验和调查数 据对汽车的安全性和乘员的伤害极限进行研究。 碰撞试验的伤害性决定了碰撞试验不可能采用真人进行，除非在低速或危险 性不大的情况下才能通过志愿者进行。早期生物力学研究中，人们采用活体动物 ( 猴、猪、兔等) ，尤其是灵长类动物，后由于动物保护组织的反对而逐步减少。 人类死尸虽然是理想的人体替代物，但收集和保管也有困难，且死尸在生物力学 响应方面随年龄及性别而有较大差异，可比性较差。因此人们依据志愿者和死尸 生物力学试验得到的有关数据设计出了碰撞试验假人( d u m m y ) ，又称为拟人试验 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 ) ，假人通过复杂的设计，不仅保证了严 格的生物可信度( 即假人的尺寸、外形、质量分布、刚度和碰撞中的能量吸收特 性与相应的人体十分相近，进而使模拟碰撞环境下其动力学响应与人体也十分相 近) ，而且假人的设计也有利于安装大量的传感器以采集有关的加速度、负荷、积 压变形量等数据。通过这些物理量的分析处理，可以定量地衡量汽车产品的碰撞 安全性。目前最常用的是美国福特公司开发的h y b r i d l i i 系列假人以及用于侧面碰 撞试验的s i d 假人和e u r o s i d l 假人。8 0 年代以来，为客观全面地评价汽车对乘 员的安全保护能力和性能，并随着人体生物力学研究的深入，各种用于定量地衡 量汽车产品碰撞安全性的新型假人陆续开发出来：如新一代的正面碰撞试验假人 t h o r ，侧面碰撞假人e u r o s i d 2 及w o r l d s i d ，各种儿童假人甚至孕妇假人等。之 所以在不同碰撞中采用不同假人，是由于受假人制造技术的限制，不能使假人符 合不同方向碰撞和不同体形人体的生物力学响应和伤害特性。适合于多种碰撞情 形的假人如美国n h t s a 开发的a a t d 假人正在研制中。 为了使汽车产品的碰撞安全性得以客观的评价，还必须进行人体伤害承受极 限的基础研究，这方面的研究工作大多由美国、欧洲的一些大学和研究机构完成 的。目前已经在中等身材的成年人的正面碰撞、侧面碰撞的生物力学响应及评价 指标方面作了大量的研究工作，将来还将进一步阐明婴儿、儿童、成年中小身材 女性和大身材男性等假人的生物力学响应要求和耐受限度。多年的技术积累使人 们对头部、颈部在正碰和侧碰中的伤害机理有了较深入的研究，并对肩部、胸部 及骨盆在侧碰中的伤害机理进行了探索。一系列伤害指标也逐步形成并被广泛采 用。如在1 9 6 0 美国韦恩州伤害标准w s t c 曲线基础上形成的头部伤害标准h i c ， 与胸部、大腿及骨盆、胫骨、膝骨、腹部、肩部、脸部有关的的一些伤害耐受极 限也都进行了研究。一些准确的碰撞响应曲线也为生物力学的研究和伤害指标的 计算奠定了基础。这些都使得对汽车产品的碰撞安全性评价越来越全面、完整和 客观。 图1 1 载荷损伤模型【6 硕十学位论文 人体在受到碰撞事故中的受伤过程可以用载荷损伤模型来说明，如图1 1 所 示。 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 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。 1 3 1 损伤评估标准 损伤的评估标准和指标是损伤流行病学研究的重要基础，它被用来区别和衡 量事故中人体损伤的程度( s e v e r i t y ) ，也称为损伤评分( s c a l i n g ) 。它可以从力 学和生理学的角度，定义为生理学或解剖学意义上的、使人体功能丧失或解剖结 构损坏方面的量：也可以定义为生理学和与之相关的社会学意义方面的量。与损 伤程度密切相关的另一个量称为损伤标准( i n j u r yc r i t e r i o n ) ，他是通过一些物理 参数或函数定义表示的。这些参数常常反映了引起某一程度损伤发生的损伤理学 因素。如身体某部分的线性加速度或角加速度。人体的某一部分对损伤载荷的承 受能力称为耐受度( t o l e r a n c e ) ，它定义为导致某种类型损伤发生或达到某种损伤 标准的阈值时的载荷大小，或者是由于这种载荷换算出来的量。应该注意到，不 同年龄和个体之间耐受度的差别是很大的，一般只能用试验和统计学的方法来确 定。人体耐受度是损伤生物力学研究的重要内容，也是损伤防护研究的基础。 行人损伤通常从损伤的类型和严重程度等方面进行评价。评价的方法有很多 种，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。评价的方法有很多种，这里着重介绍三种【”。 简明损伤定级法( a b b r e v i a t e di n j u r ys c a l e ，a i s ) 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。a i s 用于界定机动车辆碰撞 中的损伤程度，按损伤发生的部位、损伤类型和损伤程度来评定。a i s 是一种描 述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损伤对 表1 2a i s 损伤分类标准8 a i s i n j u r ys e v e r i t y 损伤程度 on oi n j u r y 无损伤 l m i n o r 轻伤 2m o d e r a t e 轻微伤 3 s e r i o u s重伤 4s e v e r e 严重损伤 5 c r i t i c a l致命伤 6m a x i m u mi n j u r y 死亡或明显不能救活 仃人在汽车碰撞事故中下肢骨折的有限儿仿真研究 伤员的生命威胁性越大。a i s 的缺点是对多发伤员的总伤势无法估计，伤员a i s 的总和与各个器官的a i s 分值之间呈非线性关系，不能简单地相加或求得平均数。 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 是致残的主要原因。按照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。 损伤严重度记分( i n j u r i e ss e v e r i t ys c o r e ，i s s ) 定义身体3 个最严重损伤区域 的最高a i s 分值的平方和。公式为 i s s 2 ( a i s l 2 t 1 6 2 2 t 沁2 ) 损伤严重度分为三度：轻度损伤，a i s 曼2 ( i s ss8 分) ；中重度损伤，a i s = 3 ( i s s = 9 - 1 5 分、；严重度损伤，a i s 4 ( i s s _ 1 6 分1 。 格拉斯哥昏迷分级法( g l a s g o wc o m as c a l e ，g c s ) g c s 对伤者的眼睛、言 语和运动3 方面的反应进行记分，最高分为1 5 分，最低分为3 分。分数越低表明 意识障碍程度越重，8 分以下为昏迷。 1 3 2e e v c 损伤标准 人体的损伤标准是通过一些物理参数或函数定义来表示的。这些参数常常反 映了引起某一程度损伤发生时的损伤生物力学因素。如身体某部分的直线加速度 或角加速度，作用于人体的合力或合力矩，或者是由这些力而导致的变形等。人 体的各部位通常有其各自的损伤准则。 e e v c w g l 0 子系统设定：试验模拟一辆以速度为4 0 千米4 , 时速度行驶的车 辆与一个横穿公路的行人之间的事故。实验采用了3 个冲击器分别是头部冲击器、 大腿冲击器和小腿冲击器。3 个冲击器分别与发动机罩、发动机罩边缘和保险杠之 间发生碰撞。e e v c 条件下的腿部试验：冲击器质量1 5 4 千克，冲击速度4 0 公路d , 时。行人碰撞事故中行人下肢通常承受侧向的冲击，弯曲和剪切是两种主要的变 形，其损伤标准如表1 3 所示。 表1 3 行人下肢的损伤标准9 损伤标准极限值试验装置米源和评估 膝关节侧向弯曲角 1 5 e e v c 完整的腿部 膝关节侧向剪切位移 6 r a m 机械模型 胫骨加速度 1 5 0 9 e e v c ( 1 9 9 8 ) 股骨弯曲力矩 3 0 0 n m e e v c 人腿机械模 股骨载荷力 5 k g 犁 1 3 3 损伤耐受限度 人体的某一部分对损伤载荷的承受能力称为耐受限度，它定义为导致某种类 型损伤发生或达到某种损伤标准阈值时的载荷大小。不同年龄、不同个体之问对 于某一类型的损伤耐受度的差别是很大的，一般只能用实验和统计学的方法来确 定。人体耐受度是损伤生物力学研究的重要内容，也是行人下肢损伤防护研究的 基础【4 1 。 表1 4 下肢长骨的耐受限度9 1 人体部位轴向压缩力( k n )扭矩男女( n m )弯矩( n m )剪切力( k n ) 3 1 0 3 2 0 股骨 7 7 ( 男) 7 1 ( 女) 1 7 5 1 3 63 1 0 ( m ) 1 8 0 ( f )3 9 ( m ) 2 6 ( f ) 2 5 8 3 1 7 黯( m ) 4 7 士i a ( m ) 2 7 8 1 3 0 ( f )4 1 士1 2 ( f ) 脆骨 1 0 4 ( m ) 7 5 ( f )8 9 5 62 0 7 ( m ) 1 2 4 ( f )3 4 ( m ) 2 3 ( f ) 2 0 8 ( 2 0 2 9 y e a r ) 1 6 4 ( 7 0 8 9 y e a r ) 腓骨0 6 ( m ) 0 5 ( f )9 1 1 02 7 ( m ) 1 7 ( f )o 5 ( m ) 0 3 ( f ) 人体下肢的耐受限度是通过人体试件在各种载荷条件下的实验与人车事故 中人体的损伤状况联合确定的。损伤限度受到很多参数的影响，如性别，年龄， 人体尺寸，健康状况和实验条件。在行人车的事故中，主要的损伤标准有：弯矩， 横向力和骨骼中的应力。 峰值冲击力也是一个很重要的损伤准则。k r a m e r ( 1 9 7 3 ) 进行了2 0 9 次胫骨 冲击实验说明了胫骨的损伤耐受限度是一个较大的范围。有些胫骨骨折出现在 4 m s ，冲击力为1 0 千牛，有些可以达到7 1 m s ，冲击力是5 _ 8 千牛【l 。研究表明， 下肢在骨折时承受的载荷的大小与载荷的作用时间有联系。图1 3 表示胫骨骨折与 载荷大小及作用时间的关系。胫骨承受的载荷越大、作用时间越长，胫骨骨折的 风险就越大。 载荷持续时间 图1 3 侧向载荷与持续时间对胫骨骨折的影响 表1 5 长骨的拉伸强度1 9 1 年龄弹性模量( m p a )屈服强度( m p a )极限强度( m p a ) 2 0 2 9 1 7 0 0 01 2 01 4 0 3 0 - 3 91 7 6 0 0 1 2 01 3 6 4 0 4 91 7 7 0 01 2 11 3 9 股骨 5 0 5 9 1 6 6 0 01 1 l1 3 l 6 0 6 91 7 1 0 0 1 1 21 2 9 7 0 7 91 6 3 0 0l l l1 2 9 8 0 8 91 5 6 0 01 0 41 2 0 2 0 2 91 8 9 0 012 61 6 1 3 0 一3 92 7 0 0 01 2 91 5 4 4 0 4 92 8 8 0 0 1 4 01 7 0 胫骨 5 0 5 92 3 1 0 013 3 1 6 4 6 0 6 91 9 9 0 012 41 4 7 7 0 7 91 9 9 0 0 1 2 01 4 5 8 0 墙91 9 2 0 01 3 11 5 6 表1 6 长骨的压缩强度9 年龄弹性模量( m p a ) 屈服强度( m p a ) 极限强度( m p a ) 2 0 2 91 8 1 0 0 2 0 9 3 0 3 91 8 6 0 02 0 9 4 0 4 91 8 7 0 02 0 0 股骨 5 0 5 91 8 2 0 01 9 2 6 0 6 91 5 9 0 01 7 9 7 0 7 91 8 0 0 01 9 0 8 0 - 8 91 5 4 0 018 0 3 0 3 93 5 3 0 02 1 3 4 0 4 93 0 6 0 02 0 4 5 0 5 92 4 5 0 01 9 2 胫骨 6 0 6 92 5 1 0 01 8 3 7 0 7 92 6 7 0 018 3 8 0 - 8 92 5 9 0 01 9 7 膝关节的损伤也是下肢损伤研究的一部分。f 肢的剪切和弯曲实验是为了研 究在人车碰撞中下肢受到侧向的载荷时下肢的耐受限度以及膝部的损伤机制 ( k a j z e r 等，1 9 9 7 ) 1 ”。剪切和弯曲实验分别模拟了人一车碰撞中下肢受到的典型载 荷。膝关节的剪切耐受限度等级在冲击速度为1 5 ，2 0 和4 0 千米小时的条件f 分 硕士学位论文 = = = = = = = = ! = = = = = = ! = = = = = = = = = = = = = = = = ! = = = = = = = = = = = ! = ! = = = = = = = ! = ! = = = 詈= 葛! ,j i , , i l l = = 别是l _ 8 ，2 5 7 和2 6 千牛，相同条件下的弯曲耐受限度分别是1 0 1 ，1 2 3 和3 3 1 牛米。 1 4 研究历史及其现状 由于车与行人相撞的情况过于复杂，对行人的保护还远远达不到要求。相对 于车内乘客固定的位置，行人与车辆相撞时不同的部位会造成完全不同的后果。 行人受伤害的风险大小取决于他本人的体质和诸如年龄，身高，体重等方面的因 素，但这几方面的相互关联程度还需进一步地研究。有关行人保障的研究使人们 能更深入地了解行人与车辆碰撞的复杂过程。高水平的技术分析和对碰撞的深刻 理解对加强行人的安全保护有重要的意义。汽车界的科研人员和医学专家花费了 数十年的时间搜集和分析相关的数据，发展技术解决方案，进行相关研究。 对汽车行人碰撞事故的研究起源于二十世纪六十年代中期的澳大利亚 ( r o b e r t s o n 等，1 9 6 6 ) 和七十年代中期的欧美( m a cl a u g h l i n 和d a n i e l ，1 9 7 4 ；a p p e l 等，1 9 7 5 ；a s h t o n ，1 9 7 5 ) t 1 2 , 1 3 。从七十年代开始，研究人员广泛研究行人损伤机理、 耐受限度、汽车设计影响和防护对策。k r a m e r ( 1 9 7 3 ) 使用尸体实验的方法对行人下 肢的骨折机理进行了研究。实验采用摆锤作为载荷，冲击下肢试件。通过2 0 9 个 实验研究分析了下肢损伤与试件的机械和生物属性、载荷、冲击点和冲击能量之 间的联系。k r i g e r ( 1 9 7 6 ) 对行人与车辆的碰撞的过程进行全景式的实验研究，分析 行人在碰撞全过程中的运动和损伤【l4 1 。b u n k e t o r p ( 1 9 8 3 ) 通过2 0 个实验对二种不 同的汽车前部结构与行人下肢的碰撞，研究了不同的汽车前部结构对行人的下肢 损伤的影响，研究发现可以通过改变保险杠的刚度和高度来达到保护行人下肢的 目的。k a j z e r ( 1 9 9 7 ，1 9 9 9 ) 通过实验研究了行人下肢在侧向碰撞中的两种典型载荷 形式：剪切和弯龉对行人下肢膝关节损伤和长骨骨折的影响( 1 l ”i 。这些尸体实验 和其他的一系列实验提供了下肢的损伤机理、生物材料属性、损伤标准和耐受限 度的基本原理和信息。在这些尸体实验的基础上，发展出了行人的假人模型和数 学模型。 过去的几十年间，发展出了很多的数学模型，包括多刚体动力学和有限元的 模型。i s h i k a w a 等人( 1 9 9 3 ) 用c r a s h v i c t i ms i m u l a t o r 建立了一个行人的多刚体模型。 此模型的运动学响应与尸体实验的结果吻合得很好【1 6 1 。但是，行人模型的下肢需 要改进。杨济匡用m a d y m 0 建立了具有行人膝关节特点和可表现下肢骨折的行 人下肢多刚体模型。模型包括股骨骨节和膝关节中的重要韧带。但是，多刚体的 模型不能反映损伤的细节和应力应变等参数。 同时，在碰撞事故研究领域也发展出了一些行人下肢的有限元模型。b e r m o n d 等人( 1 9 9 3 ) 建立了一个有限元模型的膝关节模型，研究了行人事故中膝关节在侧向 载荷作用下的响应m 】。杨济匡( 1 9 9 6 ) 建立的行人下肢模型包括股骨、胫骨和膝关 行人在汽车碰撞事故中下肢骨折的有限元仿真研究 节，模型的外形较为简单，但其接触特性和模拟效率较好。模型通过验证分析表 明此模型可预测长骨的骨折风险和膝关节损伤风险。 近年来，交通事故中下肢的损伤成为汽车制造商持续关注的重点。由于得到 工业界的支持，建立了更先进的有限元模型，骨骼和软组织的外形和材料特性都 比以前更精确。福特公司建立了非线性的行人下肢3 d 模型。此模型通过了长骨 的静态3 点弯曲实验和动态剪切冲击实验的验证。这个模型包含足够多的细节， 可反映骨骼和膝关节的损伤，而且保持了较大的单元尺寸以提高运算速度1 1 8 。本 田公司的模型使用p a m c r a s h 软件建立，模型的骨骼、韧带和关节各自单独通 过验证，并且整个模型也通过了实验的验证 19 1 。此模型可用于研究下肢的损伤机 理。丰田公司建立的有限元模型通过了k a j z e r 的膝关节动态响应实验的验证。欧 洲的h u m o s 计划建立和验证了整个有限元行人模型，模型的几何外形基于人体 的解剖学结构建立，材料特性来自于生物物理实验。 八十年代，欧洲实验汽车委员会( e e v c ) 总结了欧洲国家行人损伤研究相关的 成果( e e v c ，1 9 8 2 ) ，并探讨了通过改进汽车设计来保护行人( e e v c ，1 9 8 5 ) 。前二 十年的研究成果集中在“行人碰撞损伤与评估研讨会”( s a e ，1 9 8 3 ) 2 1 2 【2 。 在过去的几十年中，人们使用了各种不同的方法深入地研究了汽车碰撞事故 中行人下肢的损伤机理。实验研究和计算机仿真研究是损伤生物力学领域广泛采 用的两种研究方法。实验研究大致可以分为两类，一类是生物力学基础性实验， 一类是检测汽车安全性设计的碰撞实验怛“。 关于人体肌肉与骨骼系统的生物力学研究过去主要是集中在实验研究阶段。 行人下肢的实验研究已经广泛开展( k r a m e r 等，1 9 7 3 ；p r i t z ，1 9 7 8 ；b u n k e t o r p ，1 9 8 3 ； a l d m a n 等，1 9 8 5 ) 。k a j z e r 等人( 1 9 9 7 和1 9 9 9 ) 研究了不同碰撞速度下膝关节在 横向碰撞载荷条件下的剪切、弯曲响应和损伤机理【1 1 , 15 。基于这些实验，m a t s u i ( 2 0 0 1 1 提出了下肢的损伤准则和风险函数。 早期的行人安全机械实验研究主要是建立假人机械模型，通过对假人的碰撞 研究相关的运动学，然而应用假人的结果曾受到了普遍的质疑，因为假人试验的 结果与计算器仿真的结果往往大不相同。后来，为简化对行人与车辆之间复杂的 交互作用的分析，美国福特汽车公司丌发出子系统碰撞器试验。在以往早期的模 型中，各种结构都被简化了，特别是表现车辆和行人运动方面更是如此。 实验研究花费较大，时间较长，代价昂贵。随着高精度计算仿真技术的发展， 人类细胞组织特性的复制，汽车材料和结构的仿真都达到了一个新的高度，计算 机仿真研究越来越成为实验研究的一个不可缺少的补充手段。数学模型具有可重 复性，并可以以较短的时间和较低的成本进行参数研究。目前，在人体生物力学 模型研究中主要用到两种数学模型：多刚体模型( m b s ) 和有限元模型( f e m ) 。 1 5 本章小结 ( 1 ) 本章介绍了课题的研究背景和课题的主要研究重点。本论文工作侧重于建 立开发一个人体下肢的有限元模型，该模型可用来对冲击载荷下的人体下肢的生 物力学响应和下肢的骨折风险进行分析和研究； ( 2 ) 本章简单介绍了损伤生物力学的基本知识；介绍了行人下肢损伤的评估 标准和损伤耐受限度等相关内容。 ( 3 ) 描述了行人下肢损伤的研究历史和现状及基本研究手段。 行人在汽车碰撞事故中下肢骨折的有限元仿真研究 第2 章人体下肢损伤研究的理论与方法 人体下肢的损伤生物力学的研究是一个渐进发展的过程。随着汽车事故的增 多和社会对交通事故造成的危害的关注和重视，工程技术人员对行人下肢的损伤 生物力学的研究进入了一个新的阶段。以往的实验方法主要是通过模拟汽车行人 的碰撞事故中的一些典型的和重要的碰撞过程来获取损伤生物力学特性的认识， 与实际的行人事故是有区别的，而且其实验周期长，费用高。因此，人们一直试 图通过应用数学和力学工具来开展损伤生物力学的研究。这类分析方法可分为多 刚体动力学法和有限元法等。 2 1 人体下肢的损伤机理 在人车碰撞事故中，行人的头部和腿部最容易受到伤害。而行人伤害中的 8 5 是由于碰撞车辆的车身造成的，其中车身结构中的前保险杠、发动机罩是行 人下肢损伤的最主要伤害源 2 2 1 。 当发生行人碰撞事故时，行人下肢直接承受车辆的冲击载荷作用。当下肢的 承载单元的变形超过了人体下肢的损伤耐受限度时，就会对组织的正常生理功能 产生破坏。行人下肢的主要损伤是长骨的骨折损伤，为非穿透性损伤。如图2 1 所示，行人下肢在侧向碰撞事故中，主要的伤害形式有：股骨骨折、膝关节损伤 ( 包括股骨骨节骨折、胫骨骨节骨折和膝关节韧带断裂) 、小腿骨骨折( 胫骨骨 折和腓骨骨折) 。 图2 1 行人下肢的典型损伤 2 1 1 损伤机理 人体下肢按解剖学结构可分为大腿、膝部、小腿和足部四个部分。通过尸体 实验可以得到下肢各个部位的损伤机理，并且对于长骨骨折、骨节骨折和韧带撕 裂等类似的明显的损伤可以得到评价。 a s h t o n 等人研究了行人下肢的伤害机理，指出在车辆与行人的侧向碰撞过程 中，侧向作用力和轴向扭转载荷的综合作用，会导致下肢的多重伤害f 23 1 。n y q u i s t 和k a j z e r 更进一步指出，行人下肢与保险杠碰撞过程中，横向剪切和横向弯曲是 与下肢伤害相关的两种最重要的响应 1 1 , 2 4 】。 2 。1 2 大腿损伤 在前碰撞中，大腿腓骨骨折主要是由于因膝部受力而引起的腓骨轴向的载荷 变化造成，由于腓骨的解剖学结构在轴向上有一定的弯曲，轴向受力会导致可能 产生骨折的局部弯矩载荷。 在行人事故中，大腿的损伤主要是由于股骨与发动机罩前边缘碰撞时股骨产 生弯曲变形而导致的骨折。 2 1 3 膝部损伤 膝部的损伤主要原因是因为车辆保险杠与膝部碰撞时膝部承受的冲击力引起 的，包括股骨和胫骨的骨节骨折，髌骨骨折和韧带的撕裂。 弯曲和剪切变形在行人损伤中被视为重要的损伤机理，如图2 2 所示。当人体 下肢膝关节附近区域受到侧向冲击作用，由于股骨运动的延迟，膝关节的胫骨和 股骨骨节之间会产生剪切位移。剪切位移使得膝关节的组成韧带拉伸变形，在腓 骨骨节和胫骨髁问隆起之间产生集中接触力。接触力令股骨骨节和胫骨髁问隆起 部位产生集中应力，如果应力大于耐受限度就会在这些部位产生横向骨折。 当膝关节发生侧向弯曲时，m c l 发生拉伸变形。膝关节的韧带断裂原因在于 韧带撕裂 骨节挤压 冲击载荷 囤2 2 膝关节损伤 膝关节发生侧向的旋转时韧带的拉伸2 鲥。此时，膝关节的中间和侧面都会产生拉 行人在汽车碰撞事故中下肢骨折的有限元仿真研究 伸变形，韧带断裂会首先出现，因为骨骼的压缩极限应力大于韧带的拉伸极限应 力f 2 “。在r a m e t 的准静态实验中，通过研究2 0 个实体实验的结果表明膝关节内 部损伤最早会出现在膝关节侧向剪切位移约为1 2 m m 时。但是由于实验中并未对 膝关节预加载，所以影响到结果的准确性。弯曲实验中膝关节损伤最早发生于平 均弯曲角度约1 8 9 0 时1 2 7 。 在k a j z e r 的实验中，当预加载荷的人体膝关节暴露于弯曲载荷作用下时，膝 关节出现两种最常见的初始损伤：膝关节的平均侧向弯曲角度大于1 5 。时出现的韧 带撕裂损伤或者膝关节的平均侧向弯曲角度大于1 6 。时出现骨折。当预加载荷的人 体膝关节暴露于剪切载荷作用下时，膝关节的两种最常见