乘员下肢生物力学模型与kth正面碰撞损伤分析

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2、system股骨颈部骨折U0Ci«^=10276>02NoOe^13741LocalUrn1134E.01Node^3892723ms(d)试验与仿真股骨骨折部摘要：为了研究汽车正面碰掩車故屮乘员膝关节-大腿-髋关节(Knee-Thigh-Hip,KTH)部位的损伤机理，基于成人下肢CT影像数据建立丫乘员下肢生物力学有限元模型，包括赀盆、股货、髌骨、小腿骨、髋关节、膝关节以及皮肤、肌肉等重要解剖学结构。根据Haut、Kerrigan以及Rupp等的生物力学试验，针对该模型进行了全面的有效性验证，表明K•能够准确模拟正面碰

3、撞事故巾乘员KTH的生物力学响应与损伤。同时，仿真分析了正面碰撞条件下碰撞面与乘员KTH相对碰撞角度对KTH损伤的影响。结果表明，KTH损伤风险和撞击面法线与乘员股骨轴线在水平面和矢状面上的投影角紧密相关，其损伤风险随水平面投影角绝对值的增大而降低，水平面投影角为0°时损伤风险敁大;而当矢状面投影角为-10°时，乘员KTH损伤风险较髙。关键词：汽车安全；乘员下肢；有限元模型；生物力学；损伤机理屮图分类号：U461.91文献标文献标识码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2016.02.04

4、汽车正面碰摘事故中，下肢是乘员最容易受到伤害的部位之一。裾统计，当乘员系匕安全带以及汽车配有安全气囊时，下肢损伤所占比例约为头部损伤的两倍，而下肢损伤屮55%的AIS2+损伤为KTH部位的损伤［1］。正面碰撞事故中KTH部位的损伤类型主要包括髌骨骨折、股骨骨折（包括股骨髁部、头颈部和骨干骨折）以及髋关节损伤等，尽管不会直接危及生命，但致残率髙，且康复期长,给伤者和社会带来沉重的负担。因此，乘员KTH部位损伤研究足汽车乘员保护领域的電要课题。鉴于乘员KTH部位损伤的多发性和严重性，相关学者对正面碰摘壤故中乘员KTH部位的损

5、伤机理和耐受极限等进行了人S的生物力学试验研宂。Powell［2-3】、Melvin［4］和Viano［5-6］等通过膝部撞击试验研究了KTH部位的损伤闽值，美国联邦机动车安全标准FMVSS208法规以此为依据，将股骨轴向压缩力（10kN）作力乘员下肢的损伤评价标准。而Rupp等［7］通过19组KTH部位正面碰掩试验得知：乘负骨盆的耐受极限远低于股骨，其损伤闽值仅为5.70（±1.38）kN。因此，正面碰撺事故中乘员KTH部位的损伤机理和耐受极限存在较人争议，目前尚无定论。为研宂交通事故屮乘员KTH部位的损伤机理，建立了

6、一个高仿真度的屮国乘员下肢生物力学有限元模型，着重对其KTH部位的有效性进行了验证，并通过计算机仿真模拟，研宂了正面碰撞事故中汽车乘员舱前端碰撞面与KTH部位的相对位置关系对乘员KTH部位损伤程度的影响，为汽车安全性设讣提供参考。1乘员下肢模型的建立根据国标GB10000屮50百分位屮国成年男性的身体尺寸标准（身高1678mm,体重59kg）,选定一位30岁，盘商1680mm,体重约60kg的中国成年男性志愿者进行下肢螺旋CT扫描，获得人体下肢的医学影像数据，并重建下肢骨骼的三维几何模型。在此基础上，利用ANSYSICE

7、MCFD软件及其独特的Block-Controlled网格划分法建立下肢骨骼的有限元模型。由于肌陶、初带等下肢软组织难以从CT影像中提取，木文通过研究其解剖学结构确定不肢各软组织的形态特征，在下肢赀骼模型的棊础上利用HyperMesh存限元前处理软件构建下肢软组织的有限元模型。建立的屮国乘员下肢生物力学有限元模型如图1所示。该模型具有完整的下肢解剖学结构，包拈下肢骨骼、关节以及皮肤、肌肉等软组织。下肢骨骼模型包括骨盆、股骨、髌骨以及小腿骨等，均采用六面体单元划分，区分了皮质骨和松质货。皮质'W*除长骨饳骺区域采用一M实体

8、单元模拟外，其余部位如长•于、髌赀等均采用两足单元划分，以获得较好的计算精度和效率，且皮质骨模型厚度按照CT影像屮皮质骨的真实厚度连续变化，最大程度再现下肢骨骼的解剖学特征。关节模型则包括下肢两个重耍关节一膝关节和髋关节。在交通事故屮，乘员膝关节往往首先与汽车乘员舱前部发生碰撺，首当其冲。膝关节软组织模型包栝初带、关