前碰撞中髖關節(jié)姿態(tài)對乘員骨盆骨折影響的數(shù)值研究*

蔣小晴，楊濟匡，王丙雨，張維剛

(1.湖南大學，汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082； 2.南車株洲電力機車研究所有限公司，株洲 412001；3.查爾摩斯理工大學應用力學系，瑞典哥德堡 41296)

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2015218

前碰撞中髖關節(jié)姿態(tài)對乘員骨盆骨折影響的數(shù)值研究*

蔣小晴1,2，楊濟匡1,3，王丙雨1，張維剛1

(1.湖南大學，汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082； 2.南車株洲電力機車研究所有限公司，株洲 412001；3.查爾摩斯理工大學應用力學系，瑞典哥德堡 41296)

本文旨在建立一種在汽車前碰撞中乘員骨盆損傷評價的虛擬試驗方法，以便為乘員安全設計提供相關的生物力學參數(shù)?；贚S-DYNA和某一50百分位美國男性下肢解剖學結構信息，建立了一個較為精細的乘員下肢有限元模型，并通過骨盆側向沖擊和膝-大腿-髖部的膝部軸向沖擊模擬試驗驗證了模型的有效性。對該模型進行了虛擬試驗，以研究不同屈曲角和外展角的髖關節(jié)姿態(tài)對骨盆在前碰撞的失效值的影響。結果表明：由于髖臼壁各受力點強度的不同，膝部軸向沖擊下的骨盆損傷部位和失效值也隨著髖關節(jié)姿態(tài)的改變而變化。隨著髖關節(jié)屈曲角和外展角的增大，骨盆損傷部位由髂骨轉移到髖臼；骨盆失效值隨屈曲角的增加而增大；而隨外展角的增加先增大后減小。研究結果為汽車前碰撞安全設計中的乘員骨盆損傷評價提供了參考依據(jù)。

汽車前碰撞；骨盆骨折；髖關節(jié)姿態(tài)；乘員下肢；有限元模型

前言

隨著安全帶佩戴率的提升和安全氣囊在汽車中的普遍使用，乘員的頭部和胸部在交通事故中得到了較好的保護，受到嚴重損傷的比例持續(xù)降低。而文獻[1]中對美國NASS/CDS(National Automotive Sampling System/Crashworthiness Data System)數(shù)據(jù)庫中1993-2001年的前碰撞事故進行統(tǒng)計分析后發(fā)現(xiàn)：乘員下肢在前碰撞中所占簡明損傷評定的AIS 2+損傷比例已達到36%，超過頭部和胸部而成為最容易受傷害的部位，因下肢損傷而占到前碰撞乘員的生命損失年(life-year lost to injury)更是達到了46%。而在文獻[2]中對2003年美國NASS/CDS事故統(tǒng)計的結果表明，骨盆損傷占到了下肢AIS 2+損傷的13%。由于骨盆骨折常伴隨著盆腔內部臟器的損傷，因此相對于下肢的其它部位，其損傷等級高、治療時間長，甚至會危及到生命。

人體髖部軟組織較為豐厚，骨盆骨折的主要原因是高能量外力的作用[3]。在汽車前碰撞事故中，乘員膝部與儀表臺膝墊的軸向沖擊載荷則是造成骨盆骨折的直接原因[4]。早期的乘員下肢損傷研究中，骨盆損傷并沒有引起研究者的足夠重視。在文獻[5]～文獻[7]的膝部剛性錘沖擊試驗中損傷部位僅出現(xiàn)在髕骨和股骨末端區(qū)域，因此他們將股骨受10kN軸向力作為整個膝-大腿-髖部(KTH)發(fā)生35% AIS 2+損傷風險的耐受限值，并應用于美國聯(lián)邦機動車安全標準FMVSS 208法規(guī)的下肢損傷評估中。而文獻[8]中在其進行的19組KTH部位的膝部沖擊試驗中發(fā)現(xiàn)骨盆才是KTH在前碰撞中最容易受到損傷的部位，骨盆的耐受限值僅為(5.7±1.38kN)，遠低于10kN的股骨軸向力損傷標準。文獻[9]中在2001年開展了一系列不同髖關節(jié)姿態(tài)下的乘員膝部沖擊尸體試驗。測試中，尸體大腿由水平位置上抬的角度(髖關節(jié)屈曲角)范圍為0°～21°，而大腿由平行于車輛前進方向的自然位置向外側轉動的角度(髖關節(jié)外展角)范圍為-17°～20°。結果顯示沖擊時的大腿相對于軀干的位置和碰撞力的方向變化都會產(chǎn)生不同類型的骨盆創(chuàng)傷。文獻[10]中在進行的膝部沖擊試驗中也發(fā)現(xiàn)相對正常坐姿，當髖關節(jié)屈曲角減小為90°時，骨盆的耐受限值會降低(34±4)%；而在大腿位于內收角(與外展角相對)10°時，骨盆的耐受限值降低(18±8)%。文獻[3]中對不同坐姿下的骨盆進行了16組軸向沖擊試驗。試驗中主要的骨盆損傷類型為髖臼骨折，髖關節(jié)姿態(tài)對骨盆骨折的影響與文獻[10]中的試驗結果類似。

目前，國內車輛結構設計和乘員損傷防護研究使用的人體模型主要為多體動力學人體模型[11-12]和機械假人模型[13]。而汽車前碰撞的乘員骨盆損傷準則還未制定。隨著近年來計算機技術的快速發(fā)展，使基于解剖學結構和前期的生物力學試驗的下肢有限元模型的應用也越來越多，但主要集中在行人保護方面[14-16]。本文中基于一名50百分位男性乘員下肢(含骨盆)解剖學結構建立了有較好生物逼真度的有限元模型，并進行了骨盆部分在側向和軸向沖擊載荷下的尸體試驗驗證。在此基礎上，開展16組不同屈曲角和內收角下的膝部軸向沖擊虛擬試驗，為考慮髖關節(jié)姿態(tài)的汽車前碰撞乘員骨盆損傷準則的制訂和汽車內飾結構設計提供參考。

1 乘員下肢模型的建立與驗證

1.1 模型介紹

本模型是在湖南大學人體有限元模型HBM(human body model)[15,17-20]的下肢部分的基礎上進行修改完善。模型幾何數(shù)據(jù)源自美國ViewpointTM公司的一名50百分位成年男性下肢解剖學結構[15]。原下肢模型為行人站姿模型，包含了下肢中主要骨骼和膝關節(jié)韌帶，并對其進行了脛骨三點彎曲和行人膝關節(jié)彎曲及剪切試驗的驗證。由于乘員與行人的損傷機理不同，針對乘員下肢損傷研究需求，在原模型的基礎上對其進行了修改完善，改進后的下肢模型在解剖學上有更準確的反映，并有較好的計算穩(wěn)定性。模型具體的修改如下：

(1) 增加髖關節(jié)囊，增加肌肉、皮膚和關節(jié)軟骨等軟組織;

(2) 細化骨盆、髕骨、股骨和膝關節(jié)韌帶;

(3) 重新選定材料模型和各部件材料參數(shù);

(4) 根據(jù)人體幾何測量學數(shù)據(jù)[21]將下肢模型調整為乘員的姿態(tài)。

下肢模型基于LS-DYNA 3D程序開發(fā)，改進后的下肢模型包含有骨盆、骶骨、股骨、髕骨、脛骨、腓骨和足部骨骼，軟組織包含有肌肉、皮膚、關節(jié)囊、關節(jié)軟骨、韌帶和肌腱。骨盆中皮質骨采用殼單元建模，而骨盆松質骨則采用六面體單元建模；長骨中骨干區(qū)皮質骨使用可變形體單元建模，考慮到模型的單元尺寸，長骨兩端和髕骨處的皮質骨則使用帶厚度的殼單元進行模擬；長骨松質骨、關節(jié)軟骨、半月板和肌肉使用可變形體單元建模；韌帶使用可變形體單元與殼單元結合的建模方法。模型中以應變作為失效標準來模擬材料失效，在材料達到預定的失效應變后系統(tǒng)自動刪除失效單元。整個模型含97個部件，單元總數(shù)為65 626，其中實體單元40 155，殼體單元25 263，彈簧單元208個，修改后的模型如圖1所示。

1.2 模型生物材料特性的選取

生物材料的力學特性較為復雜，如皮質骨材料表現(xiàn)為非線性、不均勻、各向異性的黏彈性材料特性，且對應變速率也較為敏感[22]。在數(shù)值模擬中，材料模型的選用對有限元模型的仿真精度有十分重要的影響?？紤]模型主要應用于沖擊載荷下?lián)p傷的研究，選用了LS-DYNA中可以區(qū)別定義拉伸、壓縮性能，且含有應變率和黏彈性效應的材料模型來模擬皮質骨材料；松質骨和軟骨則選用了彈塑性材料本構；使用彈性材料來模擬皮膚和半月板；肌肉組織使用黏彈性材料進行模擬；膝關節(jié)韌帶采用準線性黏彈性材料模型；使用MAT_MUSULE材料來模擬肌肉被動力。以上材料模型參數(shù)選自于相關文獻，取值如表1所示。

1.3 下肢模型的驗證

選取兩種尸體標本生物力學試驗來對建立的模型進行驗證：(1)骨盆側向沖擊試驗[41]；(2)KTH膝部沖擊試驗[8]。通過與試驗結果的載荷-時間歷程曲線和損傷部位的對比來驗證該模型在建模方法、材料定義和動態(tài)響應方面的生物逼真度。

表1 生物材料特性選取

1.3.1 骨盆側向沖擊試驗

骨盆的生物逼真度驗證通過Guillemot的骨盆側向沖擊試驗進行。試驗邊界條件設置如圖2所示，左側骨盆下緣被金屬箱固定，在右側髖臼中放入模擬股骨頭的金屬球，沖擊錘質量為3.68kg，以4m/s的速度沿側向沖擊金屬球，在金屬球與沖擊錘之間放置有11mm的緩沖硅質墊片。沖擊中的骨盆變形和沖擊載荷-時間歷程將被記錄，并用于模型的對比驗證。

圖3(a)為仿真與試驗的載荷-時間曲線結果對比。其最大載荷為3.55kN，發(fā)生于2.2ms時刻，曲線基本位于Guillemot建立的骨盆在側向沖擊下的載荷-時間通道內。在Guillemot進行的12組骨盆側向沖擊試驗中，骨盆損傷部位大多分布在恥骨支。其中有4組沖擊后出現(xiàn)恥骨支和骶骨多處骨折，整個盆腔結構基本被壓潰；另6組為恥骨支和髖臼處的部分骨折；剩余2組無明顯損傷。虛擬試驗中整個骨盆結構最大變形量為12.7mm，恥骨上支發(fā)生失效和髖臼切跡處有小范圍失效(圖3(b))。將虛擬試驗中的結果與12組尸體試驗的結果進行比較，如圖3(c)所示。虛擬試驗的載荷-位移結果位于恥骨部分骨折范圍內，進一步驗證模型動態(tài)響應正確。

1.3.2 KTH部位膝部沖擊試驗

為評估整個KTH部位在前碰撞沖擊中的最易受到損傷的部位及其損傷限值，文獻[8]中進行了19例KTH部位的膝部軸向沖擊試驗，其試驗裝置如圖4所示。試驗時下肢調整為坐姿：大腿處于中位，即股骨髁中點到髖臼中心的連線與兩髖臼中心的連線夾角為90°；大腿與骨盆之間的屈曲角(股骨髁中點到髖臼中心的連線與恥骨聯(lián)合塊到髂棘的連線之間的夾角[8])為120°，大腿膝關節(jié)展開角度為90°；去除臀部肌肉，保留髖關節(jié)囊；通過夾持固定髂嵴和用尼龍拉帶系于恥骨下支處來約束骨盆。由氣動推進器驅動臺車加速至1～1.2m/s撞擊與膝部接觸的桿件。為更好地傳遞載荷，桿件前置有按膝部形狀鑄造的剛性墊塊。整個沖擊過程載荷加載速率在300N/ms左右。

在文獻[8]中進行的19組沖擊試驗中，髖關節(jié)失效時間為碰撞后(38.3±11.5)ms，受到的最大沖擊力為(5.7±1.38)kN。而在仿真中，失效時間為35.7ms，載荷峰值為5.849kN。仿真與試驗載荷-時間歷程曲線對比如圖5(a)所示，仿真曲線完全處于試驗曲線圍成的通道內。圖5(b)為骨盆在膝部沖擊作用下試驗與仿真的髖臼處的失效情況對比。在仿真中髖臼后壁處關節(jié)軟骨和松質骨都有大量單元失效，與試驗中最常見的髖臼后壁失效情況類似。根據(jù)對比結果可認為模型在膝部沖擊下的骨盆動態(tài)響應和損傷情況都與尸體試驗有較好的對應。

2 髖關節(jié)姿態(tài)對骨盆骨折的影響分析

在前碰撞中，當KTH在受到來自于膝墊的軸向沖擊時，沖擊力由髕骨和股骨末端傳入股骨干直接傳遞到股骨近心端，并在骨盆髖臼處產(chǎn)生支撐反力。而受乘員身高、乘坐習慣和事故中不同前碰撞部位的影響，髖關節(jié)會呈現(xiàn)出不同的屈曲角度和外展角度。為研究前碰撞事故中在膝部軸向沖擊作用下不同髖關節(jié)姿態(tài)對乘員骨盆骨折時的損傷限值的影響，采用經(jīng)驗證的下肢有限元模型進行不同髖關節(jié)屈曲角α和展角β的膝部軸向沖擊虛擬試驗。屈曲角α定義為從側向觀察，股骨軸線與髂骨前上脊點和恥骨聯(lián)合處連線的交角；展角β定義為從頂部觀察，股骨髁中間點髖與關節(jié)中心點連線和左右髖關節(jié)中心點連線的夾角，且以其為90°時為中位，如圖6所示。方便起見，又將展角與90°的差值稱為相對展角，正值為外展；負值為內收。虛擬試驗中的邊界條件參考文獻[8]和文獻[10]中的試驗設置，試驗中膝部沖擊載荷方向始終為股骨頭中心-股骨髁中心軸線方向，并將骨盆骨折時刻髖臼處承受的最大支撐反力作為骨盆受膝部軸向沖擊時的失效值。髖關節(jié)參數(shù)的變量取值根據(jù)乘員下肢正?；顒臃秶O定為：髖關節(jié)屈曲角90°，115°，120°和135°；展角分別為內收10°、中位0°、外展10°和外展20°，對不同的髖關節(jié)參數(shù)組合共16組進行膝關節(jié)軸向沖擊虛擬試驗，結果如表2和圖7所示。

由表2可見，在16組虛擬試驗中，失效部位都出現(xiàn)在骨盆的髖臼和髂骨處。部分試驗也出現(xiàn)了股骨頭關節(jié)軟骨組織的小范圍失效。同時，不同的髖關節(jié)姿態(tài)在膝部軸向沖擊下的失效值也不盡相同。最小值4.91kN出現(xiàn)在α為90°和β為內收10°時,失效情況為沿坐骨大切跡-髂嵴的髂骨斷裂。而最大值6.74kN出現(xiàn)在α為135°和β為外展10°時，失效部位為髖臼上壁。由表2和圖7還可看出，骨盆失效值的變化趨勢為：當展角固定時，失效值隨髖關節(jié)屈曲角α的增大而增加；而當屈曲角固定時，隨著相對展角的減小，失效值先增大后減小，且都在外展10°時達到最大值。

表2 不同髖關節(jié)姿態(tài)下的骨盆失效值和失效位置

3 討論

在骨盆側向沖擊驗證試驗中，骨盆皮質骨采用平均厚度1.41mm[23]的殼單元來模擬其中骨盆的厚度分布，這可能是仿真中載荷-時間歷程曲線的前部呈現(xiàn)出骨盆結構剛度高于試驗的原因。兩組驗證結果表明模型在載荷-時間歷程曲線和損傷部位與試驗結果基本一致，說明模型建模方法和材料參數(shù)選用合理，能正確反映乘員骨盆在側向沖擊載荷和膝部軸向沖擊時的動力學響應和損傷情況，具有較好的生物逼真度，可用于后續(xù)的損傷研究。

在前碰撞事故中，KTH損傷發(fā)生時髖關節(jié)姿態(tài)會受到乘員的身高、座椅高度、碰撞位置、約束系統(tǒng)保護情況和乘坐習慣的影響。例如：身材較小的乘員，其座椅位置靠前，膝關節(jié)屈曲角和髖關節(jié)屈曲角都較小；在發(fā)生偏置碰撞或斜碰撞時，乘員會受到橫向的加速度，而不受安全帶約束的下肢的不同姿態(tài)不僅會影響膝部與儀表臺膝部襯墊碰撞載荷的大小，也會引起骨盆的耐受限值變化。在16組不同的髖關節(jié)姿態(tài)在膝部軸向碰撞沖擊下的耐受限值參數(shù)研究中，骨折集中發(fā)生在骨盆的髖臼及髂骨部位。對失效發(fā)生在髖臼的13組虛擬試驗進一步分析發(fā)現(xiàn)，髖臼的損傷區(qū)域也并不相同，隨著屈曲角和展角的增大，股骨頭與髖臼的接觸和損傷部位由髖臼后壁轉移到髖臼上壁、髂臼窩位置。而在小的屈曲角和內收的姿態(tài)下，骨盆骨折位置為從坐骨大切跡到髂嵴的髂骨斷裂。結合骨盆的結構特點分析其原因為：當髖關節(jié)屈曲角α減小時，由于骨盆約束位置沒有發(fā)生變化，軸向沖擊時髖臼的反力作用點與約束部位之間的距離增大，從而相對于曲率較大的坐骨大切跡處的力臂增大，致使失效發(fā)生在髂骨處。而在小的屈曲角α時，相對力臂較小，髖臼在股骨頭的擠壓下先發(fā)生了骨折。

骨盆骨折的失效值也隨著軸向沖擊下骨盆骨折位置的變化而不同。從試驗結果還可以得出當髖關節(jié)屈曲角由90°增加到135°時，骨盆骨折失效值增加了13.5%～34.4%；而大腿由外展20°減小到內收10°時，其失效值減小了6.0%～16%，該分析結果與文獻[2]和文獻[10]中的研究結論基本一致。這種趨勢的原因為：當髖關節(jié)的姿態(tài)變化時，產(chǎn)生反作用力的髖臼部位相應改變，由于骨盆的形狀不規(guī)則且髖臼壁在各部分的強度并不一樣。當髖關節(jié)處于大的屈曲角和外展時，髖臼壁的受力點趨于髖骨窩和髂骨連接側，此處厚度相對較大，在此處發(fā)生髖臼失效的骨盆表現(xiàn)出大的失效值；當髖關節(jié)處于較小的外展角或為內收時，髖臼壁的受力點靠近髖臼后壁，此處強度相對較小，且與約束點的力臂也較大，因而骨盆更容易在髂骨和髖骨側壁出現(xiàn)骨折，從而其失效值較小。虛擬試驗中髖臼的失效單元分布位置也說明了這一點。

4 結論

根據(jù)兩組尸體標本生物力學試驗中的沖擊力-時間歷程曲線和損傷部位的對比結果表明，乘員下肢有限元模型建模方法和材料參數(shù)設定合理，能正確反映乘員骨盆在側向及沿膝部軸向沖擊中的生物力學響應，且具有較好的生物逼真度。

在前碰撞載荷條件下，不同的髖關節(jié)姿態(tài)對骨盆骨折影響的分析結果表明：骨盆損傷部位和失效值與髖關節(jié)的姿態(tài)有直接關聯(lián)。在髖關節(jié)屈曲角α較小和β角為內收時，髂骨更容易產(chǎn)生骨折，而在大的髖關節(jié)屈曲角α及大腿外展時更容易產(chǎn)生髖臼損傷；由于骨盆失效位置和髖臼壁各受力點強度不同，髖關節(jié)屈曲角由90°增加到135°時，骨盆骨折失效值增加了13.5%～34.4%；而隨著相對展角的減小，骨盆的失效值先增大后減小，在大腿由外展20°減小到內收10°時，其失效值減小了6.0%～16%。研究結果可為汽車前碰撞中乘員的骨盆損傷評價準則的制訂提供參考。

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A Numerical Investigation into the Influence of Hip Posture onOccupant Pelvis Fracture in Vehicle Frontal Impact

Jiang Xiaoqing1,2, Yang Jikuang1,3, Wang Bingyu1& Zhang Weigang1

1.HunanUniversity,StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufacturingforVehicleBody,Changsha410082;2.CSRZhuzhouInstituteCo.,Ltd.,Zhuzhou412001;3.DepartmentofAppliedMechanics,ChalmersUniversityofTechnology,Gothenburg,Sweden41296

This paper aims to develop a virtual test method for assessing occupant pelvis injury in vehicle frontal crash, in order to provide relevant biomechanical parameters for occupant safety design. Accordingly, based on the anatomical structure information of a 50th percentile American male and using LS-DYNA code, a relatively refined finite element model for occupant lower extremity is created with its effectiveness verified by the simulation tests of side impact on pelvis and axial impact on knee-thigh-hip complex. Then a series of virtual tests are conducted on the model to investigate the influence of hip posture with different flexion angles and abduction angles on the failure force of pelvis. The results show that the pelvis fracture location and failure force under axial impact on knee depend on hip posture due to the different strength of various loaded points on acetabulum wall. With the increase of thigh flexion and abduction angles, pelvis fracture location shifts from ilium to acetabulum. The failure force of pelvis goes up with the increase of thigh flexion angle, while it goes up first and then falls down with the rise of thigh abduction angle. The findings of this study provide a reference basis for pelvis injury assessment in vehicle frontal crash safety design.

vehicle frontal impact; pelvis fracture; hip posture; occupant lower extremity; FE model

*國家自然科學基金(51275164)、湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室自主研究課題(61075004)和教育部長江學者與創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃(531105050037)資助。

原稿收到日期為2013年12月9日，修改稿收到日期為2014年5月27日。