車輛碰撞中乘員骨盆力學(xué)響應(yīng)特性的研究*

武和全，侯海彬，胡 林

（1.長沙理工大學(xué)，工程車輛輕量化與可靠性技術(shù)湖南省高校重點實驗室，長沙 410004；2.韋恩州立大學(xué)生物工程中心，美國底特律 48201）

前言

汽車側(cè)面碰撞是發(fā)生頻繁、致死率和致傷率都較高的交通事故形式，世界上大約30%的嚴重交通事故都與側(cè)面碰撞有關(guān)［1］。側(cè)面碰撞影響乘員安全的主要因素是車身側(cè)面結(jié)構(gòu)、車門內(nèi)飾系統(tǒng)的剛度、側(cè)面約束系統(tǒng)和乘員座椅等［2］。為保證乘員在汽車側(cè)面碰撞中的安全，汽車行業(yè)和研究學(xué)者對側(cè)面碰撞進行了很多研究。例如程秀生［3］發(fā)現(xiàn)降低車門內(nèi)側(cè)與乘員接觸之間的緩沖材料，同時盡可能增加厚度，可減小人體骨盆損傷。

骨盆在汽車側(cè)面碰撞過程中會與變形的車門等內(nèi)飾直接接觸而損傷［4］，且骨盆也是腹部安全帶的主要承載部位［5］，使其在側(cè)面碰撞中處于十分惡劣的狀況，是人體最脆弱的部位之一。不同年齡人體的骨盆在受到側(cè)面沖擊時的碰撞響應(yīng)是不同的，這主要是由于不同年齡的骨盆礦物質(zhì)含量和幾何尺寸不同。對于兒童骨盆，由于其內(nèi)在具有柔韌性，骨盆骨折相對較少［6－8］，但在側(cè)向沖擊下仍可能導(dǎo)致嚴重的骨折相關(guān)的出血。兒童與成人之間的骨盆沖擊損傷機理存在很大的差異［9］。對于成年人，Swaid等人［10］的回顧性研究表明，骨盆最常見的損傷原因是機動車事故。成年人中度至重度骨盆骨折比例明顯高于兒童，且骨盆骨折嚴重程度與內(nèi)臟損傷的嚴重程度明顯相關(guān)。對于老年人而言，骨盆骨折常發(fā)生于低能量的沖擊中，如跌倒［11－12］，且與成人相比，老年人骨盆由于骨質(zhì)疏松而變得更加脆弱。

大多數(shù)使用人體骨盆進行側(cè)面沖擊實驗的研究主要關(guān)注成年人［13］和老年人（Beason等人［14］的研究所使用的骨盆平均年齡為69.8歲；Dakin等人［15］所使用的骨盆平均年齡為65.7歲；Guillemot等人［16］所使用的骨盆平均年齡為71.8歲）。在同類研究中，有關(guān)兒童骨盆力學(xué)特性的研究較少，如Ouyang等［17］。作為人體骨盆損傷的另一種研究方式，有限元分析主要用于評估骨盆在準靜態(tài)或動態(tài)沖擊下的響應(yīng)。目前有些針對兒童的有限元模型研究，如Kim等［13］建立了10歲兒童骨盆模型，Mizuno等［18］建立了3歲兒童全身模型，但是利用有限元方法進行老年人體建模的相關(guān)研究較少。有關(guān)成年人與兒童之間或成年人與老年人之間的骨盆損傷有相關(guān)研究發(fā)表，其中較具代表性的是Song等人［19］的研究。其揭示了25～80歲人群中年齡與骨盆耐受性之間的關(guān)系，但未包含對兒童骨盆的研究。文獻研究中未發(fā)現(xiàn)有學(xué)者利用有限元方法同時研究老年人、成年人和兒童骨盆之間的差異。

本文中首先開發(fā)了一個老年人體骨盆有限元模型，并利用Guillemot等人研究［16］中12項骨盆離體動態(tài)沖擊實驗數(shù)據(jù)對其進行了驗證。隨后利用幾何測量方法和側(cè)面沖擊實驗對比了3個具有年齡特征的骨盆在材料特性、生理特征、碰撞力學(xué)響應(yīng)和損傷方面的差異性。

1 材料和方法

1.1 老年人體骨盆有限元模型建立

基于美國疾病預(yù)防與控制中心（CDC）的研究，70歲老年女性人體的平均測量學(xué)數(shù)據(jù)為：身高1.60 m，體質(zhì)量73 kg。據(jù)此，與韋恩州立大學(xué)生物工程中心合作選取最相近的尸體樣本（編號938，73歲，身高1.58 m，體質(zhì)量62 kg）的骨盆CT斷層掃描數(shù)據(jù)圖像，如圖1（a）所示，并使用醫(yī)學(xué)Mimics 12.0（V 12.0，Materialise，Leuven，Belgium）軟件完成對掃描切片的3D幾何模型重建和渲染工作。

圖1 人體骨盆解剖圖

骨盆的主要部分包括松質(zhì)骨、恥骨聯(lián)合，使用Hypermesh 13.0（Altair Hyperworks，Troy，MI）與TrueGrid軟件進行六面體網(wǎng)格劃分。骨盆皮質(zhì)骨和恥骨表面采用四邊形殼單元進行網(wǎng)格劃分，厚度為1.2～1.5 mm。而骶骨由于其多孔的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，采用四面體單元進行網(wǎng)格劃分。所有的韌帶均由梁單元進行模擬。利用節(jié)點平滑和邊界投影方法來恢復(fù)邊界表面并提高網(wǎng)格質(zhì)量。最終建立的模型具有72 785個單元和25 621個節(jié)點，如圖1（c）和圖1（d）所示。網(wǎng)格質(zhì)量檢查顯示雅可比大于0.3的單元比例超過99%，所有網(wǎng)格單元翹曲度小于5°且扭曲度小于60°。

骨盆材料模型來自于LS-DYNA材料庫。根據(jù)韋恩州立大學(xué)生物工程中心的相關(guān)尸體力學(xué)實驗數(shù)據(jù)和文獻中的相關(guān)研究，皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨假設(shè)為分段線性塑性材料模型，失效應(yīng)變?yōu)?.3%［19］，更多材料詳細參數(shù)見表1。

表1 老年人骨盆模型的材料特性

1.2 骨盆有限元模型驗證

在建立骨盆有限元模型之后，利用Guillemot等人的研究［16］驗證老年人骨盆模型受到?jīng)_擊時的力學(xué)響應(yīng)和損傷。在Guillemot研究中，對從新鮮尸體中提取的12個離體骨盆（年齡范圍為62－81歲，平均年齡70歲）進行了初速度為4 m／s的動態(tài)碰撞實驗。這些骨盆的左側(cè)被置于金屬盒中固定，右側(cè)裝有與股骨頭大轉(zhuǎn)子近似大小的金屬球，以模擬人體股骨頭與髖臼的接觸。利用質(zhì)量為3.68 kg的沖擊塊從跌落實驗臺沿導(dǎo)軌滑落對股骨右側(cè)進行沖擊。

本文中建立了與尸體實驗相同的邊界條件來模擬其沖擊過程，并驗證此老年人體模型，如圖2所示。對骨盆模型左髂骨外緣部位的節(jié)點進行自由度限制。沖擊塊用剛性材料模擬，質(zhì)量3.68 kg，沖擊塊前包裹一層11 mm厚的襯墊以防止金屬球與沖擊塊發(fā)生直接接觸。襯墊在模型驗證中用六面體實體單元建模，材料采用簡化橡膠／泡沫（181號材料），密度 1 100 kg／m3，線性體積模量 1.5 GPa。利用非線性顯示動態(tài)求解器LS-DYNA（LSTC，Livermore，CA）進行求解并記錄沖擊塊所受反力和位移量，與尸體實驗數(shù)據(jù)對比。

1.3 不同骨盆差異性研究

圖2 骨盆側(cè)面沖擊驗證實驗裝置

在模型驗證后，利用其他兩種人體骨盆模型來研究不同年齡段骨盆在受到側(cè)面沖擊后的力學(xué)響應(yīng)和損傷。其一是CHARM－10（協(xié)調(diào)人類高級研究模型－10歲），由Shen等［23］開發(fā)和驗證，用于模擬10歲左右兒童。其骨盆模型由Kim等人［13］進行驗證和優(yōu)化。其二是GHBMC M50（全球人體模型聯(lián)盟，版本4.1，50百分位，質(zhì)量78.6 kg，身高175 cm），用以模擬26歲左右中年人體，并由 Untaroiu等［24］和Nicholas等［25］驗證。

該對比實驗由兩部分組成：首先，比較了CHARM－10、GHBMC和老年骨盆模型之間的生理幾何和材料特性差異，參考Vaz等人研究［26］，測量了骨盆模型矢狀面的骶骨傾斜角（SS）、骨盆傾斜角（PT）和骨盆迎角（PI），如圖 3（a）所示，同時利用LS-Prepost（版本4.2，LSTC，Livermore，CA）統(tǒng)計了質(zhì)量、體積、長度、寬度、高度和恥骨角 θ，如圖3（b）所示；其次，利用3種骨盆模型進行了共36組側(cè)面沖擊實驗以研究不同年齡段骨盆的力學(xué)響應(yīng)和損傷，沖擊速度設(shè)置為4～15 m／s，對于兒童骨盆模型，安放在髖臼處用于模擬股骨轉(zhuǎn)子的金屬球幾何尺寸為其他模型中相應(yīng)尺寸的0.7倍，以匹配兒童骨盆的髖臼尺寸。

圖3 骨盆生理特征測量數(shù)據(jù)

2 結(jié)果

2.1 骨盆離體實驗驗證

骨盆模型驗證實驗中受力峰值及相應(yīng)的位移量如圖4所示，力隨時間的變化曲線如圖5所示。由于在模擬實驗中沒有發(fā)生骨折，受力峰值5.5 kN和最大位移量4.64 mm與尸體實驗中沒有發(fā)生骨折的吻合度較高。通過對骨盆在整個碰撞過程中的Von Mises應(yīng)力分析可以發(fā)現(xiàn)潛在的骨折高風(fēng)險位置，如圖6所示。由于骨盆右側(cè)受到?jīng)_擊，高應(yīng)力區(qū)域主要集中于右側(cè)髂骨和恥骨支，與尸體實驗結(jié)果一致。

圖4 骨盆最大位移量隨峰值力的變化曲線

2.2 不同骨盆差異性研究

圖5 骨盆受力隨時間的變化曲線

圖6 骨盆側(cè)撞實驗中Von Mises應(yīng)力分布圖

測量3種年齡相關(guān)的骨盆模型生理幾何差異，結(jié)果如表2所示。老年骨盆模型與中年骨盆模型的幾何尺寸差別不大，但兩者都與兒童模型有較大差別。具體來講，兒童模型的長度、寬度和高度分別約為中年人體骨盆的70%、65%和85%。而矢狀面測量參數(shù)（SS，PT和PI）彼此相近。由于這3個模型的幾何數(shù)據(jù)是根據(jù)一般統(tǒng)計學(xué)規(guī)律確定的，即骨盆建模中幾何參數(shù)是相應(yīng)年齡段骨盆測量統(tǒng)計值的均值，因此這些骨盆模型能夠很好地反映出這3個年齡段人體的解剖學(xué)差異。

兒童骨盆模型和中年骨盆模型的材料特性如表3所示。盡管在老年人骨盆模型中皮質(zhì)骨的彈性模量相對較大，但其皮質(zhì)骨的厚度和骶骨的彈性模量最小，能夠模擬人體骨骼強度隨年齡增長而減小的規(guī)律。與表1相比，不同年齡骨盆模型使用不同的材料特性，但在比較中未發(fā)現(xiàn)顯著的規(guī)律，因為有許多因素如幾何尺寸和結(jié)構(gòu)能夠影響骨骼強度和力學(xué)響應(yīng)。因此，單方面比較骨骼材料的性質(zhì)以確定其結(jié)構(gòu)強度是不合理的。

表2 不同年齡骨盆模型中的生理測量數(shù)據(jù)

表3 兒童骨盆和中年人體骨盆模型材料特性

對3個不同年齡骨盆模型進行了速度為4～15 m／s的側(cè)向沖擊實驗，收集到5項隨沖擊速度變化的響應(yīng)如表4所示。由于不同年齡骨盆有不同的生理幾何、材料特性和耐受度差異，即使在同一沖擊能量下，各骨盆的沖擊響應(yīng)也有差異。

老年人體骨盆模型對受力有較強的響應(yīng)，其次是兒童模型，而GHBMC M50模型則表現(xiàn)更“柔軟”，如圖7（a）所示。當(dāng)沖擊速度小于7或大于14 m／s時，3個模型的峰值力Fmax差異很小。受力最大時的位移量Dforce隨速度變化的趨勢如圖7（b）所示，老年人體骨盆模型在受力最大時的位移量也最大，而相對來說隨著碰撞速度的增加，兒童骨盆模型在受力最大時對應(yīng)的位移量卻趨于不變。最大位移量Dmax隨速度變化的趨勢如圖7（c）所示。相比于兒童和老年骨盆模型，中年人體骨盆模型始終對最大位移量有最強的響應(yīng)，其次是兒童模型。兒童和老年模型在6 m／s時已經(jīng)出現(xiàn)骨折，青年人體骨盆模型則表現(xiàn)更加“強硬”，在7 m／s才出現(xiàn)骨折。

利用指數(shù)擬合法和線性擬合法分別對骨盆側(cè)碰實驗中隨碰撞能量變化的峰值力和Dmax響應(yīng)進行擬合分析，如圖8所示。結(jié)果表明，當(dāng)碰撞能量從30增加到223 J時，不同年齡骨盆模型之間峰值力差異越來越大，而當(dāng)碰撞能量從223增加到471 J時，峰值力之間差異越來越小。而3種骨盆模型最大位移量之間的差異不斷增大。此外，當(dāng)碰撞能量低于220 J時，老年人體骨盆模型的峰值力隨沖擊能量變化曲線斜率最大，說明老年骨盆模型的峰值力響應(yīng)對沖擊能量最為敏感。同理，中年骨盆模型的最大位移量響應(yīng)對沖擊能量最為敏感。

表4 3種不同年齡段人體骨盆模型在不同速度下的側(cè)面碰撞響應(yīng)

圖7 3種骨盆模型隨沖擊速度變化的碰撞響應(yīng)

圖8 不同年齡段骨盆側(cè)撞實驗響應(yīng)擬合分析

盡管不同年齡骨盆的幾何數(shù)據(jù)和材料屬性不同，但從對3種模型峰值力和最大位移量的高精度擬合結(jié)果分析可以得出，不同年齡段人體骨盆的峰值力隨沖擊能量呈指數(shù)增加，而最大位移量隨沖擊能量呈線性增加，如表5所示。

在骨盆側(cè)撞實驗中對骨盆進行了應(yīng)力云圖分析，結(jié)果顯示骨盆側(cè)撞中最脆弱和易骨折的部位是恥骨支、骶髂關(guān)節(jié)和髖臼處。圖9為沖擊速度是12 m／s時3種骨盆模型的Von Mises應(yīng)力分布展示，深色區(qū)域代表高應(yīng)力分布位置，而對比Alton和Gee所報告的骨盆在受到側(cè)面碰撞時的常見損傷分類［28］，發(fā)現(xiàn)老年骨盆有限元模型在預(yù)測側(cè)撞損傷時與真實人體骨盆骨折類型有較高的相似度。

表5 峰值力和最大位移量隨沖擊能量變化的擬合結(jié)果

圖9 3種骨盆模型在沖擊速度為12 m／s時的Von Mises應(yīng)力分布

3 討論

建立了一個70歲左右的老年人體骨盆模型，并利用骨盆離體側(cè)向碰撞實驗對其進行了驗證。在驗證實驗中，相比于發(fā)生骨折的尸體實驗樣本，該模型的碰撞響應(yīng)更強烈，但能較好模擬未發(fā)生骨折的實驗樣本的力學(xué)響應(yīng)。同時，該模型側(cè)面碰撞中受力—時間曲線與尸體實驗的趨勢一致，證明該模型的有效性。但是需要更多工況下的驗證性實驗才能合理評估該模型對老年人體骨盆的模擬程度。

目前有些研究已揭示年齡和力學(xué)響應(yīng)之間的關(guān)系，這有助于認識不同年齡段骨盆的損傷機理，但很少有研究指出不同年齡段人體骨盆之間的系統(tǒng)性差異，也就不便于開展系統(tǒng)性的人體模型建立和優(yōu)化工作。因此，本文著重研究了不同年齡骨盆之間的生理特征、動態(tài)力學(xué)響應(yīng)和側(cè)撞時的損傷情況，以比較兒童、中年人與老年人之間的骨盆差異性。研究發(fā)現(xiàn)，中年人與老年人骨盆生理幾何特征并無太大差異，這與同行有關(guān)人體骨骼的研究結(jié)論非常吻合，即成年后人體骨骼的幾何形狀變化不大。作為影響骨盆力學(xué)特性的重要參數(shù)之一，兒童、中年人和老年人骨盆模型的皮質(zhì)骨厚度設(shè)定為 1.6、1.58和1.2 mm，充分體現(xiàn)了年齡對皮質(zhì)骨厚度的影響。

對于不同速度下的側(cè)面碰撞實驗，老年人體骨盆模型有最大的峰值力和受力最大時對應(yīng)的位移Dforce響應(yīng)：而中年骨盆模型有最大的碰撞位移響應(yīng)。值得注意的是，所有模型均預(yù)測出碰撞受力峰值隨碰撞能量呈指數(shù)增長趨勢，且最大碰撞位移量隨碰撞能量呈線性增長的趨勢。在碰撞過程中，當(dāng)模型單元的應(yīng)力超過失效應(yīng)力時會因為失效而被刪除，因此可以通過單元是否連續(xù)來判斷骨折是否出現(xiàn)。實驗結(jié)果顯示，骨盆在受到側(cè)撞時最為脆弱的部位是恥骨支、骶髂關(guān)節(jié)和髖臼處。然而，這些模型在骨折預(yù)測中也存在一些差異，例如老年骨盆模型預(yù)測出髂骨中部出現(xiàn)高應(yīng)力分布，異于其它模型，這主要是因為老年人骨盆模型髂骨的皮質(zhì)骨厚度低于其它模型，但此損傷形式與文獻［28］中所報告的人體骨盆在側(cè)面碰撞時的常見骨折類型有較高的匹配度。

本文中雖比較了不同年齡段骨盆的差異性，但其局限性在于，由于樣本的限制，未能定量研究力學(xué)響應(yīng)與年齡之間的關(guān)系。此外，該老年骨盆模型還需進行更系統(tǒng)的驗證，以優(yōu)化該模型，提升模擬精確程度。

4 結(jié)論

所建立的老年骨盆模型可以很好地模擬老年人體骨盆在受到側(cè)向沖擊時的響應(yīng)。老年骨盆模型與中年骨盆模型有相近的生理幾何特征，但與兒童骨盆有較大差異。在側(cè)面碰撞實驗中，當(dāng)碰撞速度為4～15 m／s時，與中年和兒童骨盆模型相比，老年骨盆模型對碰撞峰值力和骨盆在受力最大時的位移量Dforce響應(yīng)最大，但是對碰撞中最大位移量Dmax響應(yīng)最小。兒童、中年和老年骨盆模型在側(cè)面碰撞中受力峰值和最大位移量隨碰撞能量分別呈指數(shù)增長和線性增長趨勢。骨盆最易發(fā)生骨折損傷的部位為恥骨支、骶髂關(guān)節(jié)和髖臼。

致謝

美國韋恩州立大學(xué)生物工程中心的研究人員在模擬方面提供幫助和支持，特此感謝！