车辆与行人碰撞中下肢动力学响应和损伤生物力学分析

摘要

在汽车交通碰撞事故中,行人下肢损伤是最常见的损伤部位,为研究行人下肢损伤的生物力学响应及损伤机理,本文应用有限元的方法,改进了下肢有限元模型,研究了下肢碰撞生物力学响应及损伤机理,结合参数分析了预测膝关节韧带的损伤风险,以及基于真实行人碰撞事故对下肢骨折进行了损伤重现研究。结果可作为研究下肢损伤机理的理论参考依据。
　　 下肢有限元模型根据50百分位的行人下肢的解剖学结构建立。模型由骨骼组织和韧带组织构成。其中,有较大骨折风险的长骨包括股骨、胫骨和腓骨用实体单元和四节点壳单元模拟皮质骨和松质骨以获得较好的力学响应特性。其他部分如髋骨、足骨等组织由壳体单元及弹簧一阻尼单元构成。整个模型由29777个节点,30873个单元组成。整个下肢模型有效质量为13.4kg。
　　 本文中采用了HYPERMESH网格前处理软件,对已建立的行人下肢模型(HBM-lower limb)进行了解剖学结构以及网格质量的完善和改进,应用LS-DYNA3D软件,通过模拟胫骨的三点弯曲实验和下肢的剪切与弯曲实验,对模型的有效性进行验证。通过运用本模型,模拟了不同的高度、方向等冲击载荷条件下下肢动力学响应和膝关节韧带的生物力学响应及损伤风险,并利用此模型对真实行人下肢交通伤进行骨折重现研究,预测了股骨、胫骨、腓骨的骨折风险参数。
　　 研究结果表明,通过改进,下肢模型的生物逼真度进一步提高；在大腿碰撞条件下,由于膝关节的翻转而使MCL韧带的损伤风险最大；而对比四根韧带在不同高度的碰撞条件下,MCL韧带的损伤风险明显高于其它韧带；在不同角度的碰撞条件下,由于十字交叉韧带受到张力的作用,损伤风险明显更高；降低保险杠高度有利于保护膝关节韧带；损伤计算得到的各种损伤评价指标对于损伤类型和严重程度具有较好的对比性,并得出了股骨、胫骨和腓骨的骨折耐受限度的vonMises应力参考值分别为115Mpa、125Mpa、125Mpa；结果表明模型对下肢损伤类型和损伤风险有一定的预测能力。
　　 该模型的建立对国内的行人下肢损伤机理的基础研究和其损伤防护技术的开发将起到一定的作用,模拟计算结果可作为研究下肢损伤耐受限度的理论参考依据。