乘员下肢生物力学模型与KTH正面碰撞损伤分析

摘 要：为了研究汽车正面碰撞事故中乘员膝关节-大腿-髋关节（Knee-Thigh-Hip，KTH）部位的损伤机理，基于成人下肢CT影像数据建立了乘员下肢生物力学有限元模型，包括骨盆、股骨、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，表明其能够准确模拟正面碰撞事故中乘员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°时损伤风险最大；而当矢状面投影角为-10°时，乘员KTH损伤风险较高。

关键词：汽车安全；乘员下肢；有限元模型；生物力学；损伤机理

中图分类号：U461.91文献标文献标识码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2016.02.04

汽车正面碰撞事故中，下肢是乘员最容易受到伤害的部位之一。据统计，当乘员系上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，而下肢损伤中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，但致残率高，且康复期长，给伤者和社会带来沉重的负担。因此，乘员KTH部位损伤研究是汽车乘员保护领域的重要课题。

鉴于乘员KTH部位损伤的多发性和严重性，相关学者对正面碰撞事故中乘员KTH部位的损伤机理和耐受极限等进行了大量的生物力学试验研究。Powell[2-3]、Melvin[4]和Viano[5-6]等通过膝部撞击试验研究了KTH部位的损伤阈值，美国联邦机动车安全标准FMVSS 208法规以此为依据，将股骨轴向压缩力（10 kN）作为乘员下肢的损伤评价标准。而Rupp等[7]通过19组KTH部位正面碰撞试验得知：乘员骨盆的耐受极限远低于股骨，其损伤阈值仅为5.70（±1.38）kN。因此，正面碰撞事故中乘员KTH部位的损伤机理和耐受极限存在较大争议，目前尚无定论。

为研究交通事故中乘员KTH部位的损伤机理，建立了一个高仿真度的中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，研究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，为汽车安全性设计提供参考。

1 乘员下肢模型的建立

根据国标GB 10000中50百分位中国成年男性的身体尺寸标准（身高1 678 mm，体重59 kg），选定一位30岁，身高1 680 mm，体重约60 kg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ANSYS ICEM CFD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。由于肌肉、韧带等下肢软组织难以从CT影像中提取，本文通过研究其解剖学结构确定下肢各软组织的形态特征，在下肢骨骼模型的基础上利用HyperMesh有限元前处理软件构建下肢软组织的有限元模型。

建立的中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，包括下肢骨骼、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骨。皮质骨除长骨骨骺区域采用一层实体单元模拟外，其余部位如长骨骨干、髌骨等均采用两层单元划分，以获得较好的计算精度和效率，且皮质骨模型厚度按照CT影像中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要关节――膝关节和髋关节。在交通事故中，乘员膝关节往往首先与汽车乘员舱前部发生碰撞，首当其冲。膝关节软组织模型包括韧带、关节囊、半月板以及关节软骨等，其中膝关节韧带主要包括内侧副韧带（Medial Collateral Ligament，MCL）、外侧副韧带（lateral collateral ligment，LCL）、前交叉韧带（Anterior cruciate Ligament，ACL）、后交叉韧带（Premature Capacity Lose，PCL）以及髌韧带。除关节囊采用壳单元外，膝关节其余软组织均采用实体单元模拟。髋关节模型由髋臼和股骨头构成，髋臼内覆有一层软骨实体单元，关节周围由壳单元韧带模型进行加固。关节软骨和韧带模型的厚度参考文献中相关解剖学数据设定[8-9]。各关节面之间定义为自动面-面接触（Automatic_Surface_to_Surface），关节软组织间为单面接触（Automatic_Single _Surface）。

肌肉与皮肤能够吸收碰撞能量，改变骨骼的受力分布情况，具有一定的缓冲作用。肌肉采用六面体单元模拟，与长骨模型共节点连接，并在表面附上一层壳单元模拟皮肤，厚度定义为1 mm。

乘员下肢有限元模型共包括177 101个单元，197 949个节点，最小单元尺寸0.7 mm，最小雅克比0.5，满足计算要求。骨骼采用弹塑性材料模拟，肌肉、韧带等采用粘弹性材料模拟，其它软组织则定义为线弹性材料。骨骼和韧带均定义了失效，以模拟骨折和韧带撕裂。乘员下肢模型的材料参数参考相关文献获得，并进行了一定的修正，见表1[10-11]。

2 KTH模型的验证

乘员KTH部位主要包括膝关节、大腿和髋关节三大部分，而大腿AIS2+损伤多为股骨骨折，因此模型验证的对象分别为膝关节、股骨和髋关节。本文通过模拟Haut等[12]的独立膝关节冲击试验和Kerrigan等[13]的股骨动态三点弯曲试验分别针对乘员膝关节模型和股骨模型进行了验证，并参考Rupp等[7]的冲击试验，综合验证了膝关节-大腿模型的有效性。骨盆模型来自于本研究团队成果[14]，髋关节模型验证过程在此不再赘述。

2.1 独立膝关节冲击验证

为了研究乘员膝关节的耐受极限，Haut等对独立的膝关节进行了轴向撞击试验。试验中将大腿从距膝关节约15 mm处截断并刚性固定股骨截面，并用绳索系住股四头肌腱使膝关节呈90°弯曲。质量约为4.5 kg的刚性圆柱撞锤在两根导轨的引导下加速到3.4 m/s轴向撞击膝关节部位，并记录载荷-时间历程。本文通过模拟Haut等的试验，对乘员KTH模型中的膝关节模型进行了动态冲击验证，仿真参考试验设置，如图2所示。

独立膝关节冲击验证仿真与试验结果对比如图3所示。Haut等的试验中，60岁以下年龄段尸体样本膝关节的平均骨折极限为6.7±1.7 kN，仿真过程中出现的碰撞力峰值为5.4 kN，位于试验结果区间，且载荷上升趋势与试验曲线相吻合。60岁以下年龄段的10组试验中，共有9组试验出现骨折，其中7处骨折发生在髌骨部位。仿真过程中髌骨模型最大应力达到105 MPa，髌骨下端发生单元失效，如图4所示，与试验骨折部位相对应。因此，本文建立的乘员膝关节生物力学模型能够准确模拟乘员膝关节的损伤。

2.2 股骨动态三点弯曲验证

股骨模型参考Kerrigan等的股骨动态三点弯曲试验进行验证，如图5所示。试验中将股骨两端塞入下方带有弧形金属板的金属方盒内，以提供一个简单的支撑条件，并保持股骨姿态与其在人体中的姿态一致。试验中金属盒采用聚氨酯泡沫填充塞实，仿真时通过定义长骨两端与金属盒的刚性连接（Constrained_Extra_Nodes_Set）来模拟。前端为弧形的刚性冲击器以1.2 m/s的恒定速度从L-M方向加载于股骨中部直至骨折。

在动态三点弯曲加载条件下，股骨中部弯矩-位移曲线仿真与试验对比如图6所示。股骨模型中部承受的弯矩随加载处位移的增加而增加，直至发生骨折，耐受极限为417 N・m，与Kerrigan等的试验结果412±102 N・m相接近。仿真曲线位于试验曲线范围内，因此股骨模型能较好地反映股骨的动态生物力学响应。

2.3 乘员膝部冲击验证

为了研究轴向冲击条件下乘员KTH部位的耐受限度，Rupp等对不含骨盆和大腿肌肉的下肢进行了膝部轴向冲击试验，如图7所示。膝关节呈90°弯曲，股骨头顶部由固定刚性杯状装置支撑，刚性冲击块在气动装置的加速下轴向加载于乘员膝部位置，加载速率约为300 N/ms。为使冲击块稳定地传递冲击载荷，冲击块前端接触面按膝部形状塑造。仿真参考试验设置，如图8所示。

仿真输出冲击块接触力-时间历程曲线，并与试验结果对比，如图9所示。仿真曲线与试验曲线能较好地吻合，试验中股骨骨折的耐受极限为7.59±1.58 kN，而模型仿真得到的耐受极限为7.03 kN，位于试验结果区间内。

图10为膝部轴向冲击载荷下仿真与试验骨折部位对比。在Rupp等的冲击试验中，股骨均于股骨颈处发生骨折，如图10d所示。仿真模拟过程中，下肢模型最大应力均出现在股骨颈部。且颈部应力随时间逐渐增大。当仿真进行到20 ms时，股骨颈部应力达到最大值121 MPa，23 ms时股骨颈部单元失效发生骨折，如图10c所示，与试验骨折部位相同，因此模型生物仿真度较好。

3 正面碰撞乘员KTH部位的损伤分析

汽车乘员舱前端碰撞面设计角度，以及乘员坐姿的差异会导致乘员舱碰撞面与乘员KTH部位的相对位置关系有所不同。本文在Haut及Rupp等的试验基础上，运用建立的乘员KTH生物力学有限元模型，基于汽车正面碰撞事故，仿真模拟研究了上述相对位置关系对乘员KTH生物力学响应及损伤的影响。

3.1 撞击面水平旋转对KTH部位的损伤影响

撞击面水平旋转对乘员KTH部位的损伤影响分析如图11所示，定义撞击面水平碰撞角α为撞击块撞击面法线与股骨轴线投影到水平面上的夹角，且向旋转为正，向外侧旋转为负。参考Rupp等的试验方法，利用固定刚性杯状装置支撑股骨头部以模拟髋关节，采用类似于Haut等试验中的撞击块（4.5 kg）并水平旋转α角度后轴向撞击乘员下肢膝关节部位，撞击速度设为3 m/s。仿真过程中，保持膝关节模型呈90°弯曲，并用刚性墙模拟地面对足部的支撑。

本文分别进行了-30°、-15°、0°、15°、30°五组不同水平角的碰撞仿真模拟，不同水平角碰撞下股骨轴向力对比如图12所示。撞击块处于中性位置时（α=0°），股骨轴向力峰值约为4.74 kN；当α=15°时，股骨轴向力为4.36 kN，相对于中性位置略有下降，而当α=-15°时，股骨轴向力为3.25 kN，仅为撞击块中性位置时的69%。当撞击块向内、外侧旋转30°时，股骨轴向力下降更为明显，尤其是向外侧旋转30°时（α=-30°），股骨轴向力峰值仅为1.84 kN，降幅高达61%。由此可见，无论撞击块向内侧或者外侧旋转，股骨轴向力均会出现下降，且水平碰撞角越大，股骨轴向力越小，尤其是当撞击块向外侧旋转时，载荷降幅较大。内、外侧旋转相同角度而导致的载荷差异，可能是由于股骨头偏离股骨轴线内伸的缘故。

图13所示为不同水平角碰撞下KTH各部位的最大应力值对比。不同碰撞角度下，最大应力值均出现在股骨颈部，其次为髌骨和股骨髁部。当撞击块处于中性位置时，股骨颈部最大应力为98.8 MPa，而当冲击器分别向内、外侧旋转时，应力值均出现下降，且当撞击块向外侧旋转时，各部位应力值较低。撞击块向外侧水平旋转15°和30°时，股骨颈部应力最大值分别为73.9 MPa和52.0 MPa，相对中性位置分别下降25%和47%。因此，撞击块从中性位置向两侧小角度水平旋转有利于降低乘员下肢的冲击载荷，尤其是向大腿外侧旋转适当角度可在一定程度上降低乘员下肢的损伤风险。

3.2 撞击面前倾及乘员坐姿对KTH部位的损伤影响

对于汽车内部的真实环境，为了满足人机工程学和乘坐舒适性的要求，乘员舱前端面设计时往往向乘员膝部倾斜一定角度。此外，由于车内座椅相对于乘员舱地板高度较低，乘坐时乘员膝部相对于髋关节会稍稍抬起，且乘员坐姿的不同也会导致大腿“上抬”角度有所差异。而撞击面法线和股骨轴线在矢状面上的角度关系直接影响到乘员KTH部位的受力特征。本文基于下肢生物力学模型研究了正面碰撞事故中上述因素对乘员KTH部位损伤的影响，如图14所示。保持膝关节模型呈90°弯曲，并用刚性墙模拟地面对足部的支撑，将撞击块向前倾斜一定角度，定义撞击面法线与水平基准的夹角为撞击面前倾角θ，并调整下肢模型姿势使乘员大腿稍稍向上抬起，定义股骨轴线与水平基准的夹角为β。股骨头支撑方式、撞击块类型与上节相同，撞击块以3 m/s的速度水平撞击膝关节部位。β和θ分别取值0°、10°、20°和30°，排列组合进行4×4共16组碰撞仿真模拟，并对仿真结果进行分析。

表2为β角和θ角不同组合下股骨轴向力仿真结果。16组仿真结果表明，当β=10°且θ=0°时，股骨轴向力最大，为4.81 kN；而当β=0°且

θ=30°时，股骨轴向力最小，仅为1.62 kN，降幅为66%。由此可见，适当的β角和θ角组合能够显著降低乘员大腿在正面碰撞过程中的载荷。此外，仅从单一因素进行分析，股骨轴向力随β角或θ角的变化规律并不明显，体现出乘员KTH部位在正面碰撞过程中损伤机理的复杂性。

为了分析股骨轴向力与撞击面前倾角θ和乘员坐姿角β的相关性，以（θ-β）为横坐标，股骨轴向力为纵坐标，如图15所示。当β=0°或10°时，（θ-β）≥-10°，股骨轴向力随（θ-β）值的增大而减少。当（θ-β）一定时，股骨轴向力随β或θ的变化并不明显。当β=20°或30°时，股骨轴向力先随着（θ-β）的增大而递增，当（θ-β）=

-10°时，股骨轴向力达到最大值，随后股骨轴向力随着（θ-β）的增大而递减。当（θ-β）一定时，β=20°或30°时的股骨轴向力相差不大，但明显低于β=0°或10°时的股骨轴向力。

在图14所示的约束和加载条件下，股骨应力最大值多出现在颈部，股骨颈部应力随（θ-β）的变化关系如图16所示。16组仿真结果表明，当β=10°且θ=0°时，股骨颈部应力值最大，达104.6 MPa；而当β=0°且θ=30°时，股骨颈部应力值最小，仅为39.8 MPa，降幅达62%，如图17所示。股骨颈部应力变化趋势与股骨轴向力变化趋势相同，当（θ-β）=

-10°，股骨颈部应力最大；当（θ-β）偏离-10°时，股骨应力递减。

图18为髌骨应力随（θ-β）的变化关系。髌骨最大应力出现在β=0°且θ=10°时，最大应力为97.7 MPa；最小应力仍出现在β=0°且θ=10°时，仅为45.5 MPa，降幅54%。髌骨应力变化趋势与股骨有所不同，当β或θ一定，（θ-β）在（-10°，20°）之间变化时，髌骨应力较大但变化较小；而（θ-β）20°时，髌骨应力下降明显。此外，当（θ-β）一定时，β=0°或10°

时的髌骨应力略高于β=20°或30°时。

综上所述，乘员膝部正面碰撞时，KTH部位的损伤风险和撞击面法线与乘员股骨轴线在矢状面上投影的夹角（θ-β）关系紧密，适当的θ与β组合能够有效改善乘员KTH部位的受力和损伤情况。

4 结论

（1）建立了具有精细解剖学结构的50百分位中国成年乘员下肢生物力学有限元模型，该模型包括下肢骨骼、关节以及皮肤、肌肉等软组织，其中下肢骨骼模型包括骨盆、股骨、髌骨以及小腿骨等，关节模型包括髋关节和膝关节。该模型有助于研究汽车正面碰撞事故中乘员下肢的损伤风险和损伤机理，为汽车安全性设计提供参考。

（2）模拟相关生物力学试验，对乘员KTH模型的仿真可靠性进行了全面的验证。结果表明，模型具有较好的生物仿真度，能够准确模拟正面碰撞事故中乘员KTH部位的生物力学响应和损伤细节。

（3）研究了正面碰撞事故中汽车乘员舱前端碰撞面与乘员KTH部位相对碰撞角度对乘员KTH部位的损伤影响。仿真分析表明，乘员膝部正面碰撞时，KTH部位的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°时损伤风险最大，碰撞面向两侧水平旋转适当角度有利于降低乘员KTH部位的损伤风险。当矢状面投影角（θ-β）位于-10°附近时，大腿（股骨）损伤风险较高；当（θ-β）偏离-10°时，损伤风险递减；而当（θ-β）位于（-10°，20°）之间时，髌骨损伤几率较大。

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