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原文传递基于人体有限元模型的汽车前碰撞中驾驶员下肢损伤生物力学研究

论文题名：	基于人体有限元模型的汽车前碰撞中驾驶员下肢损伤生物力学研究
关键词：	汽车前碰撞;安全防护;驾驶员;下肢损伤;生物力学;人体有限元模型
摘要：	随着安全带配带率的提升及安全气囊在汽车中的普遍使用，乘员头部及胸部在交通事故中受到严重损伤的比例持续降低。美国NASS/CDS的1993－2001年事故统计结果显示，在前碰撞所有AIS2+损伤中，下肢占36％，损失的生命年（LLI）所占比率达到了46%，下肢损伤已超过头、胸部成为事故中受到中等程度及以上（AIS2+）损伤风险最大的部位。下肢损伤一般不是交通事故中导致乘员死亡的直接因素，但其恢复期较长、且会导致巨大的伤痛、下肢生理机能丧失甚至残疾，是汽车碰撞安全研究中不容忽视的问题。　　为了更好地分析乘员下肢在前碰撞中的损伤机理及耐受限值，本文基于一名中等身材的成年男性下肢解剖学结构，使用软件Hyperworks11.0建立起一个能较好反映下肢生理学特征的坐姿下肢有限元模型，模型包含骨骼（骨盆、骶骨、股骨、髌骨、胫/腓骨、足部骨骼）及软组织（肌肉、皮肤、关节囊、关节软骨、韧带、肌腱）。建立后的下肢模型含有97个部件，单元总数为65,626。其中实体单元为40,155，壳体单元25,263，弹簧单元208个。通过与9组经典的尸体实验结果对比验证，表明下肢有限元模型建模方法正确、材料选用合理，具有较好的生物逼真度，可用于后续的乘员下肢损伤机理及损伤预测研究中。　　基于建立的乘员下肢模型，文中开展了一系列前碰撞载荷条件下的车内乘员下肢损伤生物力学研究，包括：股骨在受到膝部轴向压力-外部弯矩时的损伤机理、耐受限值研究；乘员下肢受膝垫碰撞力作用时不同髋关节姿态对骨盆损伤的影响分析；足/踝部在乘员舱侵入条件下的损伤机理及防护参数研究。最后，结合整车有限元模型进行了不同重叠率前碰撞下的下肢损伤对比分析。　　在建立下肢模型基础上，本文就股骨生理特性对其耐受限值的影响进行分析。在之后开展的外部弯矩对股骨耐受限值影响研究中，本文使用曲梁力学模型及有限元虚拟实验分析了股骨分别受到膝部轴向压力-股骨髁弯矩及膝部轴向力-股骨干横向冲击弯矩两种形式载荷时的损伤机理及耐受限值。结果表明：外部弯矩载荷不仅会影响到股骨的失效部位，而且会影响到股骨的耐受限值。在6组受轴向力-股骨髁弯矩载荷的虚拟试验中，预加轴向力为8.0kN及以上时，失效部位发生股骨颈部，其失效截面弯矩为285Nm~295Nm，而预加轴向力为0-6kN时，失效位置在距股骨末端134.9~171mm的股骨干区域，其失效截面弯矩为381Nm~443Nm；在受轴向力-股骨干横向冲击载荷的虚拟试验中，载荷为8.0kN-0.64kN及8.9kN-0kN时，失效同样发生股骨颈部，其失效截面弯矩为307.2Nm和296Nm；而预加轴向力为0-6kN时，股骨中截面骨折，失效弯矩为382 Nm~400.7 Nm。研究结果解释了膝部轴向冲击实验中股骨失效全发生在颈部，而前碰撞事故中却有大量股骨干骨折发生时轴向力比损伤准则(10kN)中小的现象。　　基于下肢模型，本文进行了不同的髋关节屈曲角及展角下的膝部轴向力冲击虚拟试验研究。结果表明：由于髋臼壁各受力点强度不同，膝部轴向冲击下的髋关节姿态会直接影响到骨盆骨折部位及失效值。随着髋关节屈曲角及展角的增大，损伤部位由髂骨转移到髋臼。骨盆失效值随屈曲角的增加而增大13.5%~34.4%，但其失效值随展角的增加先增大后减小，且变化范围为6.0%~20.9%。　　足/踝部是前碰撞中下肢最容易受到损伤的部位，结合下肢有限元模型，先建立并验证了奇瑞某车型的驾驶员-约束系统有限元模型。然后对前碰撞中引起足/踝部损伤的仪表台设计角度、踏板的向后和向上侵入量、踏板内/外翻角度及踏板的背屈翻转角度五组参数进行了16组正交实验分析。结果表明：其中11组实验产生了小腿或足/髁部的损伤；对胫骨轴向力最敏感的参数是踏板向上侵入量；胫骨合成弯矩和胫骨指数最敏感的参数是踏板向后侵入量；踏板背屈转角及踏板后移量的增大会引起到踝关节最大背屈角的增加；在一定范围内，膝垫夹角越大，越有助于减小因背屈引起的踝关节损伤。对实验结果进行深入分析还发现：胫骨指数与踝关节的损伤没有必然联系，而背屈及内/外翻转角超过了踝关节的生理活动范围是引起踝关节损伤的直接原因。　　为研究不同重叠率前碰撞中驾驶员下肢的损伤特点，首先对奇瑞公司某有限元整车模型进行了验证；然后使用其进行全宽正面碰撞、40%及25%偏置碰撞的模拟，并总结了三种重叠率前碰撞形式下的整车耐撞性特点；最后分别提取三种碰撞形式下的乘员舱侵入情况及整车加速度作为初始边界条件，结合已建立的驾驶员-约束系统模型开展了三种前碰撞形式的下肢损伤研究。结果显示：由于重叠率不同，整车加速度、乘员舱侵入部位及大小都有较大差别，重叠率越小，则侵入量越大，平均加速度则越小；不同的碰撞特征造成了不同的下肢损伤特点：在25%偏置碰撞中，巨大的膝垫及踏板侵入引起了左侧股骨颈骨折和双侧踝关节损伤；在100%正面碰撞中也产生了右侧踝关节损伤，而40%偏置碰撞中无下肢损伤。进一步分析表明：下肢的损伤风险与整车碰撞加速度波形直接相关；乘员舱侵入量与足/踝损伤并不是线性关系；同等侵入量下，加速踏板比歇脚踏板更容易造成踝关节背屈的后距胫韧带失效及距骨骨折损伤。　　综上所述，文中建立的下肢有限元模型可作为乘员下肢损伤生物力学研究的有效工具。而使用该模型进行的股骨、骨盆、足/踝部损伤机理、耐受限值及损伤防护的研究结果为前碰撞载荷下的驾驶员下肢损伤防护设计提供了有益的参考。
作者：	蒋小晴
专业：	车辆工程
导师：	杨济匡
授予学位：	博士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文