人体下肢有限元动力学分析模型的建立和验证

摘要

在汽车-行人碰撞事故中，人体下肢经常受到汽车前部结构的撞击而受伤。为研究行人碰撞事故中人体下肢的生物力学响应和损伤机理，本文建立了一个人体下肢的三维有限元模型。 模型按人体解剖学结构建立，由骨骼系统和软组织系统构成。骨骼系统包括髋骨、股骨、胫骨、腓骨、足骨和髌骨等。软组织包括主要的韧带、肌腱和关节囊。模型的几何外形建立在Viewpoint公司的原始数据上。模型中各组织的质量分布和材料特性参数由文献研究获得。模型由壳单元和线性弹簧－阻尼单元构成。整个模型包括13861个节点和18966个单元。模型的边界和载荷条件根据汽车行人侧碰撞实验条件确定。 模型建立在有限元软件LS-DYNA3D的平台上。胫骨模型由胫骨三点弯曲应力分析实验验证。整个下肢模型的有效性通过剪切弯曲碰撞实验数据验证。通过研究加载条件下人体下肢有限元模型的动态响应和应力分布，分析碰撞位置等参数与下肢损伤风险的关系。 研究结果表明，适当降低保险杠高度，可减少行人下肢损伤风险。人体下肢有限元模型具有较高的生物逼真度，可以通过应力分析研究人体下肢的生物力学响应和损伤机理。该模型的建立将对国内的行人下肢损伤研究和损伤防护技术的开发起到一定的作用。