中國人體上肢碰撞損傷有限元模型的開發(fā)*

陳吉清 劉朝陽 蘭鳳崇

(華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院∥廣東省汽車工程重點實驗室, 廣東 廣州 510640)

中國人體上肢碰撞損傷有限元模型的開發(fā)*

陳吉清 劉朝陽 蘭鳳崇?

(華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院∥廣東省汽車工程重點實驗室, 廣東 廣州 510640)

針對中國人體特征進(jìn)行損傷生物力學(xué)研究的重要目的是為完善中國汽車安全法規(guī)提供科學(xué)依據(jù).為了深入探討中國人體損傷生物力學(xué)機(jī)理和損傷響應(yīng),根據(jù)中國人體解剖學(xué)結(jié)構(gòu),建立了具有較高精度的中國50百分位成年男性乘員的上肢有限元模型,包括上肢骨骼及關(guān)節(jié)、韌帶、肌肉和皮膚等軟組織.針對長骨骨干斷面幾何不均勻的特征,建立皮質(zhì)骨不等斷面厚度和形狀連續(xù)變化的長骨數(shù)值模型.篩選并匯總國內(nèi)外尸體實驗數(shù)據(jù),在準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)加載下驗證長骨和上肢模型的可靠性,以及肩關(guān)節(jié)側(cè)面碰撞響應(yīng).結(jié)果表明,該模型能準(zhǔn)確反映人體上肢損傷特性.

汽車安全；損傷生物力學(xué)；乘員上肢；有限元模型；損傷機(jī)理

隨著我國汽車產(chǎn)銷量和保有量的增加,道路交通安全形勢日益嚴(yán)峻,如何降低交通事故中行人和乘員的傷亡是重要的課題.交通事故中人體上肢損傷的幾率達(dá)13.5%,輕微的骨折或韌帶挫傷就會影響其功能[1].上肢的損傷類型主要包括鎖骨,肱骨,尺骨,橈骨等長骨骨折,關(guān)節(jié)和韌帶等軟組織挫傷.上肢損傷盡管不會直接危及生命,卻是致殘的主要原因,且恢復(fù)周期長,為傷者帶來沉重負(fù)擔(dān).因此,對于乘員上肢的保護(hù)是汽車安全及損傷防護(hù)需要研究的環(huán)節(jié).交通事故中乘員與汽車的二次碰撞是造成上肢損傷的重要原因,碰撞形態(tài)包括乘員與汽車B柱的碰撞、上肢與車門內(nèi)板及轉(zhuǎn)向盤等的碰撞.在上肢損傷成因中,由汽車側(cè)面碰撞造成的損傷達(dá)65%.因此,研究側(cè)面碰撞乘員上肢的生物力學(xué)響應(yīng)和損傷機(jī)理,對于提高乘員約束系統(tǒng)的安全性能、完善汽車虛擬安全設(shè)計、降低乘員損傷風(fēng)險有重要意義.

損傷生物力學(xué)是研究汽車碰撞安全的重要方法之一,用有限元法對人體建模和仿真是研究損傷生物力學(xué)的有效途徑[2].國內(nèi)外學(xué)者均對人體建立整人模型或者對上肢建立了局部模型.整體模型用來研究碰撞中人體的全局反應(yīng),如豐田汽車公司開發(fā)的THUMS(Total Human Model for Safety)模型,歐盟主導(dǎo)開發(fā)的HUMOS(Human Model for Safety)模型等.Lizee等[3]最早根據(jù)歐洲人體尺寸做了簡化,建立了肩部骨骼局部模型.Iwamoto等[4]以美國人體尺寸建立了更加精確的模型,研究人體上肢在動態(tài)載荷下的響應(yīng).阮世捷等[5]建立了兒童肱骨三維有限元模型,研究碰撞下的應(yīng)力分布.張琳琳[6]建立了肩部骨骼和關(guān)節(jié)模型,研究肱骨外旋運動過程盂肱關(guān)節(jié)面接觸力.

回顧已有的汽車碰撞人體生物力學(xué)模型以及專門的上肢部位的模型,有以下三方面值得關(guān)注.首先,比較成熟的模型以及國外開發(fā)的模型大多逼近歐美人體,基于歐美人體開發(fā)的整人模型和由此建立的汽車安全設(shè)計法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn),以及由國外技術(shù)主導(dǎo)的車型開發(fā)能否完美地適應(yīng)中國人駕乘，一直存在很多爭議.事實上,中西方人體尺寸和器官性能雖多相似，但差異是明顯的.表1為中美50百分位成年男性尺寸差異,中國人平均身高較矮小,乘員坐姿更高且乘坐位置靠前,這些差異對于乘員的乘坐空間、約束系統(tǒng)的設(shè)計、碰撞發(fā)生時的人車關(guān)系都有顯著區(qū)別.其次,已有模型針對單一組織建模,未考慮上肢骨骼和肌肉以及關(guān)節(jié),或是針對運動學(xué)和動力學(xué)角度建模,因此不適用于分析汽車碰撞中上肢的損傷機(jī)理.其三,模型在結(jié)構(gòu)和材料上做了簡化,在生物仿真度等方面還有發(fā)展空間.如對于長骨模型皮質(zhì)骨各斷面賦予等厚度,結(jié)構(gòu)上簡化了部分幾何特征,不能精確反映骨骼的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)等.因此,研究基于中國人的精細(xì)化上肢有限元模型,分析汽車碰撞過程中的損傷機(jī)理和標(biāo)準(zhǔn),對建立中國汽車安全法規(guī)和減少人體損傷等具有重要意義.

文中以中國50百分位人體尺寸為依據(jù),基于中國人體解剖學(xué)結(jié)構(gòu)和上肢CT掃描數(shù)據(jù),建立具有較高精度的中國50百分位男性乘員上肢有限元模型,模型包括鎖骨、肩胛骨、肱骨、橈骨、尺骨、手骨等上肢骨骼以及關(guān)節(jié)、韌帶、肌肉和皮膚等軟組織,針對長骨骨干斷面幾何不均勻的特征,以CT斷面影像數(shù)據(jù)為依據(jù),建立皮質(zhì)骨斷面變厚度和形狀連續(xù)變化的長骨數(shù)值模型，分別研究在準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)加載下模型的碰撞響應(yīng),以及肩關(guān)節(jié)側(cè)面碰撞可靠性分析.

1 上肢有限元模型的建立

1.1 上肢幾何模型和材料參數(shù)

人體上肢形狀結(jié)構(gòu)和組織參數(shù)復(fù)雜,而構(gòu)建可靠的上肢模型的前提在于模型的幾何形狀和物質(zhì)性能參數(shù)是否與人體解剖學(xué)結(jié)構(gòu)一致或接近.模型依據(jù)CT掃描數(shù)據(jù)建立,材料參數(shù)參考國內(nèi)外文獻(xiàn),在有限元方法的范圍內(nèi)保證模型的仿真可靠性.

基于國標(biāo)GB/T 10000—1988[7]中50百分位中國成年男性的體型標(biāo)準(zhǔn)(身高1 678 mm,體質(zhì)量59 kg),選定一位身高1 680 mm、體質(zhì)量約60 kg、身體健康的30歲中國男性志愿者進(jìn)行上肢螺旋CT掃描,掃描厚度是0.8 mm,獲得800張512像素×512像素的圖像.

采用醫(yī)學(xué)影像編輯工具對上肢CT圖像分割,獲取上肢骨骼整體的三維點云數(shù)據(jù),利用逆向開發(fā)軟件分別建立各骨骼的三維幾何模型,基于Block-Controlled網(wǎng)格劃分法在ANSYS ICEM CFD中對骨骼曲面模型劃分網(wǎng)格得到有限元模型,在有限元前處理軟件HyperMesh中將各骨骼模型依據(jù)解剖學(xué)結(jié)構(gòu)連接,根據(jù)駕駛姿態(tài)調(diào)整骨骼間相對角度和位置,得到駕駛員姿態(tài)的上肢有限元模型.

[8-11],選取材料參數(shù)如表2和3所示.其中皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨采用各向同性的彈塑性材料,肌肉定義為粘彈性材料,皮膚、韌帶和軟骨等軟組織定義為彈性材料.皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨材料均采用單元刪除法模擬骨折.

表2 上肢主要組織材料參數(shù)[8-10]Table 2 Material parameters of main components of upper limbs[8-10]

表3 上肢軟組織材料參數(shù)[11]Table 3 Material parameters of soft tissues of upper limb[11]

1.2 上肢網(wǎng)格模型

上肢有限元模型(以左上肢為例)如圖1所示,模型具備完整的解剖學(xué)結(jié)構(gòu),包括鎖骨、肩胛骨、肱骨、尺骨、橈骨、手骨等骨骼以及皮膚、肌肉和肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)軟組織等.汽車碰撞事故中,上肢損傷類型主要包括上臂損傷(肱骨骨折)、前臂損傷(尺骨、橈骨骨折)及肩部損傷(鎖骨骨折、肩關(guān)節(jié)軟組織挫傷).模型重點研究上肢長骨和肩關(guān)節(jié).

圖1 上肢有限元模型Fig.1 Finite element models of upper limb

人體上肢長骨皮質(zhì)骨各斷面具有形狀不規(guī)則、厚度不均勻、形狀和厚度連續(xù)變化的特點.前人建立的皮質(zhì)骨模型多由外表面向內(nèi)偏移而成,因而其各斷面厚度相同;或采用殼單元模擬并分段賦予不同厚度值,但段間厚度變化不連續(xù)且段內(nèi)厚度相同,因此不能準(zhǔn)確反映皮質(zhì)骨解剖學(xué)特征.文中通過CT影像技術(shù),采用較小的掃描層厚以獲得精確反映上肢長骨復(fù)雜幾何特征的點云數(shù)據(jù),并擬合生成皮質(zhì)骨內(nèi)外表面的自由曲面模型,以此為邊界建立皮質(zhì)骨厚度和形狀連續(xù)變化的長骨有限元模型,真實表征皮質(zhì)骨形狀不規(guī)則性、厚度不均勻性，以及形狀、厚度變化的連續(xù)性.

對上肢長骨,基于皮質(zhì)骨內(nèi)外輪廓的CT掃描結(jié)果進(jìn)行模型的三維重建和網(wǎng)格劃分,采用六面體實體單元模擬皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨,其中骨干區(qū)域皮質(zhì)骨采用3層實體單元模擬,以提高計算精度同時兼顧計算效率；骨骺區(qū)域皮質(zhì)骨較薄,厚度不均勻且曲率變化大,為避免單元尺寸過小,部分區(qū)域用1層六面體單元模擬.骨干和骨骺皮質(zhì)骨之間采用五面體單元模擬以實現(xiàn)平滑過渡.肱骨網(wǎng)格模型如圖2所示.

肩胛骨由于形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜、損傷概率小,對其采用四面體單元劃分網(wǎng)格.手骨包括腕骨、掌骨和指骨3段共27塊骨,在全局坐標(biāo)系下對其分別劃分四面體網(wǎng)格,以保證其相對位置和解剖學(xué)特征.

圖2 肱骨有限元網(wǎng)格Fig.2 Finite element meshes of humerus

1.3 上肢關(guān)節(jié)約束

關(guān)節(jié)是骨與骨之間的連接點,保證了力的傳輸及各種運動.上肢關(guān)節(jié)主要包括肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié).肩關(guān)節(jié)由關(guān)節(jié)囊包圍肱骨頭和肩胛骨的關(guān)節(jié)盂而成,連接上肢和胸部,文中用殼單元模擬關(guān)節(jié)囊韌帶,包括盂肱上、中、下韌帶,用彈簧單元模擬肌肉.肘關(guān)節(jié)包括肱尺關(guān)節(jié)、肱橈關(guān)節(jié)和橈尺關(guān)節(jié),3個關(guān)節(jié)共居同一關(guān)節(jié)囊,連接肱骨、尺骨及橈骨;腕關(guān)節(jié)包括橈腕關(guān)節(jié)和腕掌關(guān)節(jié),將橈骨和手骨連接.關(guān)節(jié)處均采用殼單元模擬韌帶,上肢關(guān)節(jié)如圖3所示.

圖3 上肢關(guān)節(jié)有限元模型Fig.3 Finite element models of upper joints

汽車-乘員系統(tǒng)碰撞的特點是時間響應(yīng)快、應(yīng)力變化大,通常在碰撞開始數(shù)十毫秒內(nèi)就會導(dǎo)致骨折等損傷,因此模型主要反映碰撞瞬態(tài)應(yīng)力應(yīng)變和損傷規(guī)律.模型對于人體運動學(xué)進(jìn)行了一定的簡化,關(guān)節(jié)的連接用RBE(Rigid Bar Element)單元模擬,韌帶用殼單元模擬.在肩關(guān)節(jié)的盂肱關(guān)節(jié)連接中,使用RBE3單元來模擬,在盂肱關(guān)節(jié)間隙中心位置選取一個主節(jié)點,將肩胛骨關(guān)節(jié)盂的若干節(jié)點作為從節(jié)點與該主節(jié)點連接,在肱骨關(guān)節(jié)頭選擇若干節(jié)點作為從節(jié)點與該主節(jié)點連接.采用剛性桿單元連接方式與韌帶連接共同作用,能夠在碰撞工況下傳遞力和力矩,反映了人體肩部生物力學(xué)特征.

皮膚與肌肉在碰撞過程中能起到一定的緩沖.基于CT掃描數(shù)據(jù)提取上肢外輪廓構(gòu)建上肢皮膚,用殼單元模擬,厚度定義為1 mm.在皮膚與骨骼之間填充肌肉組織,肌肉與骨骼采取共節(jié)點連接.建立的人體上肢有限元模型共包括128 223個單元、121 185個節(jié)點,最小雅克比0.31,滿足計算要求.

2 上肢模型仿真的可靠性

上肢模型的建立和材料參數(shù)研究是按照有限元技術(shù)要求和規(guī)范完成的,這就保證了所建立的上肢模型基本可用.但對人體模型的要求是盡可能高的魯棒性和可靠性,而圍繞這一問題的探索一直是生物力學(xué)領(lǐng)域富有挑戰(zhàn)性的工作.以上肢為例,在汽車碰撞中,可能發(fā)生正面、側(cè)面以及傾斜的角度碰撞.復(fù)雜的事故類型可以相應(yīng)地導(dǎo)致鎖骨、肱骨、尺骨和橈骨的骨折以及肩關(guān)節(jié)等軟組織挫傷等.生物力學(xué)模型能否在一定的精度下再現(xiàn)人體組織的損傷特征,這是仿真模型驗證的關(guān)鍵.理論上,必須開展一定量的典型人體損傷的調(diào)查、試驗和數(shù)據(jù)篩選,用與模型維度、尺寸相同的真人的損傷事實，經(jīng)過變換處理驗證所開發(fā)的模型.但遺憾的是,迄今為止,我國在交通事故的調(diào)查積累方面有參考意義的數(shù)據(jù)不多,限于倫理、法律等要求,開展尸體類似實驗也非常困難.所以模型開發(fā)和模型來源“人體”的對應(yīng)驗證幾乎是不可能的工作.但兩方面工作是有意義的,其一是利用模型研究加載和碰撞的響應(yīng)規(guī)律,分析這些規(guī)律的合理并輔以醫(yī)學(xué)臨床經(jīng)驗等分析;其二是尋找世界各國在歷史上完成的一些人體相關(guān)實驗結(jié)果,研究實驗數(shù)據(jù)的規(guī)律性并加以對照,幫助理解中國人體模型分析和仿真的可靠性.嚴(yán)格來說,兩者的直接對比已無任何邏輯意義,將來在這一領(lǐng)域的探索也一定是中國學(xué)者必須面對的問題.

2.1 上肢長骨準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)損傷特性分析

肱骨的準(zhǔn)靜態(tài)三點彎曲仿真參照Kallieris等[12]的尸體實驗.實驗中肱骨兩端分別用聚氨酯樹脂封裝在底部截面為半圓形的金屬盒內(nèi),將盒子水平置于固定的剛性平面.直徑10 mm的剛性圓柱體以0.000 25 m/s的恒定速度從前后方向(A-P)加載于肱骨中央,直到骨折.仿真中將肱骨兩端剛性連接在金屬盒內(nèi),約束盒子部分自由度,只允許肱骨的彎曲自由度,定義盒子與平面的接觸和摩擦.仿真設(shè)置如圖4所示,圖中顯示了肱骨骨折.鎖骨的準(zhǔn)靜態(tài)三點彎曲仿真參考Kallieris等[12]的尸體實驗.實驗條件同上,碰撞塊速度為0.041 m/s.尺骨和橈骨的準(zhǔn)靜態(tài)三點彎曲仿真參考Yamada等[8]所做尸體實驗.長骨模型水平置于剛性平面,在長骨兩端與支撐平面之間設(shè)置接觸,約束剛性平面的6個自由度.設(shè)置長骨兩端與剛性平面的摩擦系數(shù)為0.3.用直徑為25 mm的剛性圓柱形沖擊器以0.01 m/s的恒定速度從前后方向(A-P)對長骨中部加載,直到骨折斷裂.尺骨的仿真設(shè)置及其骨折斷裂如圖5所示.

圖4 肱骨準(zhǔn)靜態(tài)三點彎曲仿真Fig.4 Quasi-static three-point bending simulation for humerus

圖5 尺骨準(zhǔn)靜態(tài)三點彎曲仿真Fig.5 Quasi-static three-point bending simulation for ulna

準(zhǔn)靜態(tài)加載中,肱骨、鎖骨、尺骨和橈骨的響應(yīng)如圖6所示.圖6(a)肱骨在0～4 mm加載中,模型仿真曲線和尸體實驗曲線均線性增加,斜率相近.在4～7 mm加載過程中,模型仿真和尸體實驗曲線增長較為平緩.仿真中肱骨模型在2 620 N時發(fā)生骨折斷裂,而實驗的骨折力范圍是(2 582.0±344.2) N.圖6(b)鎖骨在0～1.5 mm加載中,模型仿真和尸體實驗曲線均線性增加,在2.0～3.0 mm加載中,曲線的增長都趨于平緩.仿真中鎖骨模型在951 N時發(fā)生骨折,而實驗中骨折力為(981.5±249.3) N.圖6(c)尺骨骨折力為743 N,實驗中骨折力為722 N.圖6(d)中橈骨骨折力為585 N,實驗中為601 N.

鎖骨的動態(tài)三點彎曲仿真參考Li等[13]在2010年對美國人尸體的實驗.圓柱形碰撞體以100 mm/s的恒定速度從前后方向(A-P)加載于鎖骨中部.肱骨的動態(tài)三點彎曲仿真參考文獻(xiàn)[14].一個圓柱形碰撞體以0.218 m/s的速度從前后方向(A-P)垂直加載于肱骨中央,直至骨折斷裂,其仿真設(shè)置與準(zhǔn)靜態(tài)條件類似.

圖7(a)中鎖骨的動態(tài)加載結(jié)果中,在0～1.5 mm,模型仿真曲線斜率比尸體實驗大,這是由于仿真中骨骺端的節(jié)點固連約束方法不同.3～6 mm中,兩者斜率基本相同.實驗中鎖骨的接觸力-位移的平均變化率為200.5 N/mm,仿真的平均變化率為218.0 N/mm,差別為8.7%.實驗中鎖骨發(fā)生骨折的接觸力是1 116 N,仿真中為1 248 N.圖7(b)肱骨加載中,實驗和仿真曲線先線性增長,實驗曲線的接觸力-位移變化率為181.8 N/mm,仿真曲線為231.9 N/mm.模型到達(dá)耐受極限發(fā)生骨折斷裂,實驗中肱骨骨折力為2 000 N,仿真中為2 180 N,差別為9%.

圖7 上肢長骨模型動態(tài)加載曲線Fig.7 Dynamic loading curves of long bone model

由仿真結(jié)果,碰撞塊與骨骼的接觸力隨位移的增加而增大,上肢長骨均發(fā)生骨折斷裂.中國人體模型仿真與國外尸體實驗曲線經(jīng)對比分析,兩者具有共同趨勢,同時存在差別.模型仿真與尸體實驗具有相似的生物力學(xué)響應(yīng),在準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)加載下人體模型能夠再現(xiàn)尸體生物力學(xué)試驗的結(jié)果.

2.2 上臂和前臂動態(tài)加載損傷特性分析

參考文獻(xiàn)[15]中進(jìn)行的尸體實驗,由前后方向(A-P)對帶有肌肉的上臂和前臂模型進(jìn)行動態(tài)三點彎曲仿真,獲取上臂和前臂動態(tài)加載下的生物力學(xué)響應(yīng),仿真設(shè)置與上肢長骨模型動態(tài)三點彎曲仿真類似,上臂沖擊器加載點位于模型中點,前臂加載點位于遠(yuǎn)心端1/3處,如圖8所示.

圖8 上臂和前臂模型動態(tài)加載仿真Fig.8 Dynamic loading simulation for upper and lower arm

圖9展示了模型仿真上臂加載處的接觸力與時間歷程曲線,上臂動態(tài)三點彎曲加載時,由于皮膚與肌肉的緩沖作用,曲線的起始階段上升較為平緩,隨著肱骨受到載荷,接觸力迅速上升,曲線呈近似線性,當(dāng)接觸力達(dá)到耐受極限時,肱骨斷裂.

圖9 上臂模型動態(tài)加載的力-時間曲線Fig.9 Dynamic loading force-time curves of upper arm model

圖10(a)顯示了上臂模型在動態(tài)加載下肱骨的應(yīng)變-時間曲線,肱骨在8 ms時刻左右發(fā)生骨折斷裂,與接觸力-時間歷程曲線的峰值力基本一致.圖10(b)是前臂模型在動態(tài)加載下橈骨和尺骨的應(yīng)變-時間曲線,由圖可知,仿真中橈骨和尺骨均發(fā)生骨折,骨折斷裂時刻的應(yīng)變峰值與實驗接近.仿真中橈骨和尺骨發(fā)生骨折斷裂的時刻在4～5 ms,實驗中橈骨骨折時刻在4～5 ms,而尺骨骨折時刻在5～6 ms,這是由于實驗中采取的是手背向下的姿態(tài),橈骨先于尺骨發(fā)生骨折,而仿真模型是乘員駕駛姿態(tài),在手背向下時尺骨與橈骨呈一定的角度,因此在動態(tài)加載下同時骨折斷裂.

圖10 模型動態(tài)加載下的應(yīng)變-時間曲線Fig.10 Dynamic loading strain-time curves of the model

3 整人模型裝配及側(cè)碰可靠性

為研究汽車碰撞工況人體上肢損傷以及整人碰撞響應(yīng),根據(jù)人體解剖學(xué)結(jié)構(gòu),將建立的上肢有限元模型與人體軀干模型組裝,組成中國人體模型CHUBM(Chinese Human Body Model),如圖11所示,為50百分位中國成年男性坐姿形態(tài)的人體模型.

圖11 中國人體模型Fig.11 Chinese human body model

為研究側(cè)面碰撞上肢失效機(jī)理和骨折位置,將上肢肩關(guān)節(jié)與胸部模型組裝,分析側(cè)面碰撞的響應(yīng).參考尸體試驗[4],建立胸部-上肢總體模型側(cè)面碰撞仿真模型,如圖12所示,對模型增加質(zhì)量來模擬人體的轉(zhuǎn)動慣量,約束T12脊椎來模擬坐姿乘員.碰撞塊(23 kg)以4.0 m/s的速度側(cè)面撞擊盂肱關(guān)節(jié).

圖12 側(cè)面碰撞胸部-上肢仿真模型Fig.12 Side impact simulation model of chest-upper limb

在側(cè)面碰撞下上肢鎖骨發(fā)生骨折,分析碰撞結(jié)果,碰撞塊應(yīng)力首先作用于肱骨和肩胛骨,當(dāng)肱骨到達(dá)肩鎖關(guān)節(jié)時,載荷傳遞到鎖骨和肩胛骨,應(yīng)力作用于鎖骨直至鎖骨骨折.骨折位置在鎖骨外側(cè)1/3處,與臨床研究結(jié)果一致,如圖13所示,圖中展示了側(cè)面碰撞仿真應(yīng)力分布.

圖13 側(cè)面碰撞結(jié)果及應(yīng)力分布Fig.13 Result of lateral collision and stress distribution

上肢與軀干的裝配以及側(cè)面碰撞仿真證明模型可用,側(cè)面碰撞下肩關(guān)節(jié)的損傷機(jī)理與臨床試驗研究結(jié)果對比一致,人體上肢模型能夠再現(xiàn)試驗結(jié)果.

4 結(jié)語

基于人體解剖學(xué)原理和CT掃描數(shù)據(jù),文中建立了具有完整結(jié)構(gòu)和高精度的中國50百分位男性乘員上肢有限元模型.模型包含鎖骨、肩胛骨、肱骨、橈骨、尺骨、手骨等骨骼及關(guān)節(jié)、韌帶、肌肉和皮膚等軟組織,能夠反映解剖學(xué)特征和物理特性.通過合理劃分單元以提高網(wǎng)格質(zhì)量,控制單元指標(biāo)滿足有限元要求,有效控制時間步長以提高模型的計算效率和精度.

基于乘員上肢損傷類型和載荷特點,對肱骨、鎖骨、尺骨和橈骨模型進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)三點彎曲仿真,對鎖骨、肱骨、上臂和前臂模型進(jìn)行動態(tài)三點彎曲仿真,對于上肢肩關(guān)節(jié)進(jìn)行側(cè)面碰撞仿真,仿真結(jié)果與臨床一致.人體模型仿真與尸體實驗結(jié)果對比分析發(fā)現(xiàn),接觸力峰值和出現(xiàn)時刻相似,存在一定差異,所建中國人體模型能夠再現(xiàn)相應(yīng)生物力學(xué)試驗結(jié)果.

建立的上肢模型可與胸部模型組裝,用于汽車正面和側(cè)面碰撞對于上肢損傷的研究；可與整人模型裝配,研究汽車與乘員系統(tǒng)在碰撞工況下的整體響應(yīng).中國人體模型對于乘員和行人保護(hù),汽車安全性設(shè)計和汽車安全法規(guī)的修訂具有重要意義.

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s:Supported by the Natural Science Foundation of Guangdong Province(2015A030313213) and the Science and Technology Planning Projects of Guangdong Province(2014B010106002，2016A050503021)

DevelopmentofFiniteElementModelofImpactInjurytoUpperLimbofChineseHumanBody

CHENJi-qingLIUChao-yangLANFeng-chong

(School of Mechanical and Automotive Engineering∥Guangdong Key Laboratory of Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, Guangdong, China)

The investigation into injury biomechanics of Chinese human body orients to offer scientific data for improved Chinese automobile safety regulations. In order to investigate the injury response and mechanism of Chinese human body, a finite element model of the upper limb for Chinese 50th percentile male occupants is constructed based on the anatomical structures by CT scanning. The model is detailed into the bones and the soft tissue(namely the joint, the ligament, the muscle and the skin) of the upper limb. Then, according to the non-uniformity of the long bone section, a numerical model of the cortical bone section is constructed by continuously changing thickness and shape. Finally, by experimental data summarized from the past mortal human subjects, the reliability of this model is verified under the quasi-static and dynamic loading, and the response of the shoulder joint in a side collision is also analyzed. The result shows that the constructed the models can fairly reflect the injury characteristics of the upper limb.

vehicle safety; injury biomechanics; upper limb of occupant; finite element model of human body;injury mechanism

2016-10-15

廣東省自然科學(xué)基金資助項目(2015A030313213);廣東省科技計劃項目(2014B010106002，2016A050503021)

陳吉清(1966-),女,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事車身結(jié)構(gòu)及安全研究.E-mail:chjq@scut.edu.cn

?通信作者:蘭鳳崇(1959-),男,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事車身結(jié)構(gòu)及安全研究.E-mail:fclan@scut.edu.cn

1000-565X(2017)08-0021-07

U 461.91

10.3969/j.issn.1000-565X.2017.08.004