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        轎車與6歲兒童行人不同方位碰撞中下肢損傷分析*

        2021-03-09 09:40:08李海巖黃永強(qiáng)賀麗娟崔世海呂文樂阮世捷
        汽車工程 2021年2期
        關(guān)鍵詞:行人脛骨股骨

        李海巖,李 琨,黃永強(qiáng),賀麗娟,崔世海,呂文樂,阮世捷

        (天津科技大學(xué),現(xiàn)代汽車安全技術(shù)國(guó)際聯(lián)合研究中心,天津 300222)

        前言

        世界衛(wèi)生組織2018 年統(tǒng)計(jì)報(bào)告中指出,全球每年有超過135 萬(wàn)人在交通事故中喪生,2 000 萬(wàn)-5 000 萬(wàn)人遭受非致命性損傷,其中大部分終身殘疾[1]。兒童行人在交通事故中通常被汽車前部結(jié)構(gòu)所撞[2],且最容易出現(xiàn)AIS2+的區(qū)域位于下肢和頭部[3]。在交通事故中,對(duì)于兒童而言,由于身體發(fā)育和社會(huì)經(jīng)驗(yàn)的局限性,他們顯得更弱勢(shì)。有研究表明,處于4-6 歲和7-9 歲年齡段的兒童下肢損傷占據(jù)了最大比例的AIS3+損傷[4],分別為58%和48%。

        由于倫理學(xué)原因,近年來(lái)世界上幾乎沒有關(guān)于兒童PMHS 的損傷機(jī)理研究。在兒童行人保護(hù)方面,Euro NCAP[5]中引入了兒童頭形沖擊器的沖擊試驗(yàn),但是法規(guī)中卻沒有加入兒童行人下肢沖擊器的沖擊試驗(yàn)。由于有限元仿真分析的快速發(fā)展,研究人員可以通過仿真分析的方法開展研究,因此,人體有限元模型在碰撞運(yùn)動(dòng)學(xué)和損傷生物力學(xué)的研究中有了很大的應(yīng)用,而兒童有限元模型的構(gòu)建和應(yīng)用也在快速發(fā)展。日本豐田汽車公司開發(fā)了THUMS[6]家族系列有限元模型,包括3歲、6歲、10歲兒童有限元模型,以及成人有限元模型;由行業(yè)贊助和企業(yè)支持的GHBMC 開發(fā)了包括乘員和行人姿態(tài)中各種體型的詳細(xì)和簡(jiǎn)化模型[7];Nishimura 等[8]通過縮小THUMS 版本的50%美國(guó)男性整人模型開發(fā)了 6 歲和 9 歲兒童有限元模型;Okamoto 等[9]基于核磁共振掃描獲取人體幾何參數(shù)而開發(fā)了6 歲兒童有限元模型,但其材料須進(jìn)一步改善;Mizuno等[10]通過縮小THUMS中的AM50模型開發(fā)了一個(gè)3歲的兒童模型;Meng 等[11]基于 GHBMC 開發(fā)的 5 百分位成年女性,通過縮放變形技術(shù)開發(fā)了6 歲兒童行人有限元模型,并進(jìn)行了有效性驗(yàn)證,但該模型在大腦和胸腹部進(jìn)行了簡(jiǎn)化;Ito等[12]根據(jù)SAE Technical Standards(2010)[13]對(duì) THUMS 中 3 歲、6 歲、10 歲以及 AM50 模型的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整,并進(jìn)行碰撞試驗(yàn),對(duì)車-人碰撞中的頭部損傷機(jī)制進(jìn)行研究。

        從2020 年開始,Euro NCAP 行人模型認(rèn)證技術(shù)公告TB024[14]對(duì)6 歲兒童行人模型的認(rèn)證有一個(gè)單獨(dú)的要求,從15 個(gè)參數(shù)對(duì)行人姿態(tài)進(jìn)行要求,且須經(jīng)過23 步的仿真前檢查和仿真后模型響應(yīng)比較。因此,應(yīng)用本實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的符合TB024 要求的6 歲兒童行人有限元模型與某款車進(jìn)行碰撞仿真試驗(yàn),對(duì)不同碰撞角度下的兒童下肢損傷進(jìn)行分析,對(duì)兒童在不同情況下遭受碰撞時(shí)的下肢損傷進(jìn)行深入理解,為兒童行人下肢損傷保護(hù)提供參考數(shù)據(jù),為汽車前端部造型設(shè)計(jì)提供參考,同時(shí)也為醫(yī)生處理相關(guān)患者提供理論支持。

        1 試驗(yàn)方法

        本研究使用現(xiàn)代汽車安全技術(shù)國(guó)際聯(lián)合研究中心開發(fā)的6 歲兒童行人站姿有限元模型。該模型基于一個(gè)中國(guó)6 歲兒童醫(yī)學(xué)檢測(cè)CT 數(shù)據(jù),參照解剖學(xué)結(jié)構(gòu)書籍和文獻(xiàn),先后構(gòu)建了頭部、頸部、胸腹部及下肢等詳細(xì)結(jié)構(gòu)的有限元模型,并進(jìn)行了有效性驗(yàn)證[15-19],最后通過共節(jié)點(diǎn),得到完整的6 歲兒童行人站姿有限元模型。該模型身高113.5 cm,體質(zhì)量24.8 kg,節(jié)點(diǎn)數(shù)1 057 830,單元數(shù)1 558 836。參考Euro NCAP 行人模型認(rèn)證技術(shù)報(bào)告中6 歲兒童行人走姿模型的各個(gè)姿態(tài)定義參數(shù),調(diào)整得到的6 歲兒童行人走姿模型,如圖1所示。

        圖1 6歲兒童行人走姿有限元模型

        本研究采用的汽車有限元模型來(lái)自美國(guó)國(guó)家碰撞分析中心NCAC 汽車模型數(shù)據(jù)庫(kù)。該款車型通過重構(gòu)NCAP第3248號(hào)剛性壁障正碰實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的有效性[20]。考慮到計(jì)算效率,在有限元前處理軟件Hypermesh 中,對(duì)不相關(guān)的汽車部件進(jìn)行刪除,并利用集中質(zhì)量替代簡(jiǎn)化部分的質(zhì)量,保證簡(jiǎn)化后的模型與原始模型具有相同的質(zhì)量,如圖2 所示,最后獲得前部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化的有限元模型。

        圖2 簡(jiǎn)化的小汽車有限元模型

        參考Euro NCAP 兒童行人保護(hù)相關(guān)技術(shù)報(bào)告[14]要求和Klug 等[21]所開發(fā)的一種客觀比較人體運(yùn)動(dòng)學(xué)的程序,在PAM?CRASH 軟件中建立6 歲兒童行人-汽車碰撞仿真試驗(yàn)。汽車以初始碰撞速度40 km/h,側(cè)面撞向行人;行人位于車的中心線距車3 mm 處;人與車之間設(shè)有接觸,其摩擦因數(shù)為0.3[21];人與地面的摩擦因數(shù)為 0.58[22];在施加有重力場(chǎng)下的碰撞仿真試驗(yàn)。在Euro NCAP TB024 行人模型認(rèn)證技術(shù)報(bào)告要求中,汽車-行人碰撞試驗(yàn)撞擊位置首先發(fā)生在行人模型的右腿處,在本研究中將此碰撞方位稱為0°碰撞仿真試驗(yàn),在相同的仿真試驗(yàn)條件下設(shè)置了90°、180°和270°碰撞仿真試驗(yàn),如圖3 所示。0°碰撞為人體的右側(cè)與汽車發(fā)生側(cè)面碰撞,汽車保險(xiǎn)杠將首先撞擊右側(cè)大腿側(cè)面;90°為人體的正面與汽車發(fā)生正面碰撞;180°為人體的左側(cè)與汽車發(fā)生側(cè)面碰撞,汽車保險(xiǎn)杠將首先撞擊前側(cè)大腿;270°為人體的背面與汽車發(fā)生碰撞。

        圖3 6歲兒童行人與汽車前端碰撞

        2 試驗(yàn)結(jié)果

        2.1 下肢接觸力

        圖4 為4 種不同碰撞方位下的兒童行人下肢接觸力對(duì)比。由圖可見,90°碰撞試驗(yàn)的下肢接觸力為4 組仿真試驗(yàn)中最大的,其數(shù)值為5.17 kN,其次為270°碰撞試驗(yàn)的5.14 kN,而0°和180°兩組側(cè)面碰撞試驗(yàn)下的下肢接觸力最小,分別為4.58和4.27 kN。

        2.2 股骨損傷

        圖 5 分別為 0°、180°、90°碰撞條件下具體的股骨骨折位置,分別位于右腿的骨骺后端處、右腿骨骺后端處和左腿股骨干骨中上部。圖6 為股骨最大von Mises 應(yīng)力云圖。4 組試驗(yàn)最大應(yīng)力均超過114 MPa,但是270°碰撞條件下由于超過此閾值的面積較小,未出現(xiàn)骨折現(xiàn)象。通過仿真試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),對(duì)于下肢的骨折情況,4 種碰撞角度下,只有270°下的碰撞沒有出現(xiàn)骨折。對(duì)于側(cè)面碰撞0°和180°,均出現(xiàn)了撞擊側(cè)的股骨骨折,但骨折位置不一樣。

        圖4 下肢接觸力對(duì)比

        圖5 股骨骨折部位

        圖6 股骨最大von Mises應(yīng)力(MPa)

        2.3 膝關(guān)節(jié)韌帶損傷

        圖7 為下肢膝關(guān)節(jié)韌帶損傷示意圖。由圖7 可見,0°和90°碰撞條件下膝關(guān)節(jié)韌帶損傷最為嚴(yán)重。尤其是0°碰撞條件下對(duì)撞側(cè)的膝關(guān)節(jié)MCL、LCL、ACL、PCL 全部斷裂或撕裂,但撞擊側(cè)膝關(guān)節(jié)只出現(xiàn)了MCL 的斷裂。對(duì)于90°下的膝關(guān)節(jié)韌帶,左膝關(guān)節(jié)的LCL、PCL、MCL 以及右膝關(guān)節(jié)的LCL、PCL 發(fā)生斷裂;對(duì)于180°碰撞下的膝關(guān)節(jié)韌帶,左膝關(guān)節(jié)的LCL 以及右膝關(guān)節(jié)的 LCL、ACL、PCL 發(fā)生斷裂。270°碰撞下由于兒童背對(duì)汽車,膝關(guān)節(jié)韌帶并未發(fā)生斷裂情況。

        通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)提取下肢膝關(guān)節(jié)彎曲角度,從膝關(guān)節(jié)彎曲角度來(lái)看,膝關(guān)節(jié)的損傷情況相當(dāng)嚴(yán)重,尤其是90°碰撞下兒童行人面對(duì)汽車,造成了膝關(guān)節(jié)反向彎曲,其左膝關(guān)節(jié)的彎曲角度達(dá)到了83.3°,其余3 組試驗(yàn)膝關(guān)節(jié)最大彎曲角度分別為0°碰撞下左膝關(guān)節(jié)彎曲58.4°、180°碰撞下右膝關(guān)節(jié)彎曲61.4°、270°碰撞下左膝關(guān)節(jié)彎曲64.1°。

        圖7 不同碰撞角度下的韌帶損傷

        2.4 膝關(guān)節(jié)半月板損傷

        圖8 為4 種碰撞角度下的膝關(guān)節(jié)半月板最大von Mises 應(yīng)力時(shí)間曲線。由圖8 可見,0°側(cè)面碰撞下的左膝關(guān)節(jié)(對(duì)撞側(cè))和180°碰撞下的右膝關(guān)節(jié)(對(duì)撞側(cè))的半月板應(yīng)力值較大,分別為126.2 和233.4 MPa,明顯大于90°碰撞下81.2 MPa 以及270°碰撞下87.5 MPa。此外,對(duì)于側(cè)面碰撞,不管是0°還是180°,撞擊側(cè)均出現(xiàn)股骨骨折,而撞擊側(cè)膝關(guān)節(jié)半月板的最大應(yīng)力均明顯小于對(duì)撞側(cè)的。

        圖8 膝關(guān)節(jié)半月板最大應(yīng)力時(shí)間曲線

        2.5 脛骨和腓骨損傷

        圖9 為4 種碰撞角度下的脛骨和腓骨的最大應(yīng)力。在4 組碰撞試驗(yàn)中,兒童行人均沒有出現(xiàn)脛骨和腓骨的骨折。對(duì)于脛骨,4 種碰撞角度下,均表現(xiàn)出右腿脛骨的最大應(yīng)力大于左腿脛骨,尤其是90°正面碰撞和270°背面碰撞;最大的脛骨應(yīng)力出現(xiàn)在背面碰撞下的右腿脛骨上,為53.5 MPa。對(duì)于腓骨,0°側(cè)面碰撞和270°背面碰撞的應(yīng)力相對(duì)較大;腓骨最大應(yīng)力出現(xiàn)在270°背面碰撞下的左腿腓骨上,為51.1 MPa。

        圖9 脛骨和腓骨的最大應(yīng)力

        2.6 下肢生長(zhǎng)板損傷

        圖10為4種不同碰撞角度下生長(zhǎng)板的最大等效應(yīng)力情況。由圖10 可見,在0°碰撞條件下,下肢12塊生長(zhǎng)板中撞擊側(cè)股骨近端生長(zhǎng)板等效應(yīng)力最大,其數(shù)值為1.017 MPa;在90°碰撞條件下,左腿股骨遠(yuǎn)端處生長(zhǎng)板等效應(yīng)力最大,為0.923 MPa;在180°碰撞條件下,左腿(撞擊側(cè))股骨遠(yuǎn)端處生長(zhǎng)板等效應(yīng)力最大,為1.288 MPa;在270°碰撞條件下,右腿股骨遠(yuǎn)端處生長(zhǎng)板等效應(yīng)力最大,為0.769 MPa。

        3 討論與結(jié)論

        表1 列出了4 組仿真試驗(yàn)中下肢損傷情況。從表1 可見,4 種碰撞角度下,除背面碰撞條件,其他3種碰撞角度下均出現(xiàn)股骨骨折。兩種側(cè)面碰撞角度下,撞擊側(cè)的股骨均出現(xiàn)骨折,但骨折位置不一樣,這可能與腿部的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān),0°碰撞角度下,撞擊的是主要承重腿右腿。90°碰撞角度下,雖然保險(xiǎn)杠先撞擊的是左腿,但右腿的股骨出現(xiàn)骨折且骨折位置與0°碰撞下的一樣。表明正面碰撞下,右腿即主要承重腿將受到保險(xiǎn)杠更大的沖擊,更易發(fā)生骨折。而背面碰撞角度下,即使保險(xiǎn)杠先撞擊的是右腿,但兩側(cè)股骨均沒出現(xiàn)骨折。綜上,表明不同方向的沖擊載荷對(duì)股骨的損傷有很大影響。

        圖10 生長(zhǎng)板最大等效應(yīng)力云圖(MPa)

        從膝關(guān)節(jié)彎曲角度來(lái)看,膝關(guān)節(jié)的損傷情況相當(dāng)嚴(yán)重,尤其是90°碰撞下兒童行人面對(duì)汽車,造成了膝關(guān)節(jié)反向彎曲,其左膝關(guān)節(jié)的彎曲角度達(dá)到83.3°。股骨骨折側(cè)的膝關(guān)節(jié)韌帶損傷相比于對(duì)側(cè)的膝關(guān)節(jié)韌帶損傷均更輕,尤其是0°碰撞和90°碰撞條件下的韌帶損傷;0°碰撞下的對(duì)撞側(cè)的膝關(guān)節(jié)MCL、LCL、ACL、PCL 全部斷裂或撕裂,但撞擊側(cè)膝關(guān)節(jié)因?yàn)楣晒堑墓钦?,從而?duì)膝關(guān)節(jié)的約束減小,進(jìn)而韌帶損傷較小,只出現(xiàn)了MCL 的斷裂。另外,韌帶損傷原因也不同,90°碰撞下的韌帶損傷是因?yàn)檫^度伸展造成的,而0°碰撞和180°碰撞下的韌帶損傷是由側(cè)面碰撞導(dǎo)致的膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻或外翻導(dǎo)致的;270°碰撞條件下沒有出現(xiàn)膝關(guān)節(jié)韌帶的損傷。

        表1 下肢損傷分析

        從膝關(guān)節(jié)半月板應(yīng)力峰值來(lái)看,0°碰撞條件下的對(duì)撞側(cè)膝關(guān)節(jié)和180°碰撞條件下的對(duì)撞側(cè)膝關(guān)節(jié)的半月板出現(xiàn)了非常大的應(yīng)力值,分別為126.2 和233.4 MPa,明顯大于其他碰撞角度下的應(yīng)力峰值。這表明側(cè)面碰撞條件下的對(duì)撞側(cè)膝關(guān)節(jié)半月板有很大的損傷風(fēng)險(xiǎn)。另外,不管是0°碰撞還是180°碰撞條件下,撞擊側(cè)膝關(guān)節(jié)半月板的最大應(yīng)力均明顯小于對(duì)撞側(cè)半月板,這是因?yàn)樵趥?cè)面碰撞下,當(dāng)撞擊側(cè)股骨骨折后,該側(cè)膝關(guān)節(jié)的約束減小,導(dǎo)致撞擊側(cè)彎曲角度小于對(duì)撞側(cè),因而等效應(yīng)力值也較小。

        對(duì)于脛骨,在270°碰撞下的脛骨加速度最大,為192.8g。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),主要承受上肢質(zhì)量的右腿脛骨最大應(yīng)力均大于左腿。脛骨的最大應(yīng)力出現(xiàn)在270°碰撞下的右腿脛骨上,為53.5 MPa。對(duì)于腓骨,0°側(cè)面碰撞和270°背面碰撞條件下的等效應(yīng)力相對(duì)較大;腓骨最大應(yīng)力出現(xiàn)在270°背面碰撞下的左腿腓骨上,為51.1 MPa。270°背面碰撞下的下肢雖然沒有出現(xiàn)股骨骨折和韌帶的損傷,但相對(duì)其他3 種碰撞角度,其右腿脛骨和左腿腓骨有最大的損傷風(fēng)險(xiǎn)。

        生長(zhǎng)板是兒童特有的一種生理結(jié)構(gòu),它存在于長(zhǎng)骨骨骺和干骺端之間,只存在單向軟骨增殖與成骨活動(dòng),是生長(zhǎng)期骨骼的生長(zhǎng)發(fā)育部位。兒童骨折中15%~30%為生長(zhǎng)板損傷[23]。Williams 等[24]在生長(zhǎng)板的拉伸力學(xué)試驗(yàn)中,測(cè)得生長(zhǎng)板的平均正切模量為4.26 MPa,極限拉應(yīng)力為0.98±0.29 MPa。4種不同角度的碰撞仿真試驗(yàn)中,180°碰撞條件下撞擊側(cè)股骨遠(yuǎn)端生長(zhǎng)板處等效應(yīng)力最大,為1.288 MPa,超過了損傷閾值。根據(jù)分析,撞擊側(cè)股骨近端處生長(zhǎng)板在最大等效應(yīng)力出現(xiàn)的位置發(fā)生破壞,由于破壞面積較小且未出現(xiàn)連續(xù)破壞,故推斷此時(shí)生長(zhǎng)板會(huì)出現(xiàn)第Ⅴ型生長(zhǎng)板骨折,這種損傷形式會(huì)導(dǎo)致后期股骨骨骼生長(zhǎng)出現(xiàn)缺陷,且這類損傷在早期檢查中不易被發(fā)現(xiàn),易錯(cuò)過最佳治療時(shí)期[25-26]。

        本研究應(yīng)用符合Euro NCAP 要求的6 歲兒童有限元模型模擬不同碰撞方位下兒童與轎車前端碰撞,旨在探討汽車行人碰撞過程中6 歲兒童下肢損傷的特點(diǎn)。應(yīng)用兒童整人有限元模型進(jìn)行碰撞試驗(yàn),填補(bǔ)了兒童腿型沖擊器試驗(yàn)的空缺,更好地展現(xiàn)兒童在碰撞過程中下肢的運(yùn)動(dòng)學(xué)過程,且可以更好地對(duì)兒童下肢的損傷進(jìn)行研究。研究發(fā)現(xiàn)背面碰撞條件下6 歲兒童下肢受到的傷害是最小的,這可能與下肢關(guān)節(jié)處的約束作用有較大關(guān)系。本研究為兒童行人的保護(hù)和兒童下肢損傷的治療提供了理論依據(jù),為兒童下肢損傷提供了可行的研究方法,為汽車安全技術(shù)的研發(fā)以及汽車前端部的設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持,同時(shí)也為行人測(cè)試協(xié)議中的下肢碰撞評(píng)價(jià)提供更多的參考。

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