前碰撞中髋关节姿态对乘员骨盆骨折影响的数值研究*

蒋小晴，杨济匡，王丙雨，张维刚

(1.湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082； 2.南车株洲电力机车研究所有限公司，株洲 412001；3.查尔摩斯理工大学应用力学系，瑞典哥德堡 41296)



2015218

前碰撞中髋关节姿态对乘员骨盆骨折影响的数值研究*

蒋小晴1,2，杨济匡1,3，王丙雨1，张维刚1

(1.湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082； 2.南车株洲电力机车研究所有限公司，株洲 412001；3.查尔摩斯理工大学应用力学系，瑞典哥德堡 41296)

本文旨在建立一种在汽车前碰撞中乘员骨盆损伤评价的虚拟试验方法，以便为乘员安全设计提供相关的生物力学参数。基于LS-DYNA和某一50百分位美国男性下肢解剖学结构信息，建立了一个较为精细的乘员下肢有限元模型，并通过骨盆侧向冲击和膝-大腿-髋部的膝部轴向冲击模拟试验验证了模型的有效性。对该模型进行了虚拟试验，以研究不同屈曲角和外展角的髋关节姿态对骨盆在前碰撞的失效值的影响。结果表明：由于髋臼壁各受力点强度的不同，膝部轴向冲击下的骨盆损伤部位和失效值也随着髋关节姿态的改变而变化。随着髋关节屈曲角和外展角的增大，骨盆损伤部位由髂骨转移到髋臼；骨盆失效值随屈曲角的增加而增大；而随外展角的增加先增大后减小。研究结果为汽车前碰撞安全设计中的乘员骨盆损伤评价提供了参考依据。

汽车前碰撞；骨盆骨折；髋关节姿态；乘员下肢；有限元模型

前言

随着安全带佩戴率的提升和安全气囊在汽车中的普遍使用，乘员的头部和胸部在交通事故中得到了较好的保护，受到严重损伤的比例持续降低。而文献[1]中对美国NASS/CDS(National Automotive Sampling System/Crashworthiness Data System)数据库中1993-2001年的前碰撞事故进行统计分析后发现：乘员下肢在前碰撞中所占简明损伤评定的AIS 2+损伤比例已达到36%，超过头部和胸部而成为最容易受伤害的部位，因下肢损伤而占到前碰撞乘员的生命损失年(life-year lost to injury)更是达到了46%。而在文献[2]中对2003年美国NASS/CDS事故统计的结果表明，骨盆损伤占到了下肢AIS 2+损伤的13%。由于骨盆骨折常伴随着盆腔内部脏器的损伤，因此相对于下肢的其它部位，其损伤等级高、治疗时间长，甚至会危及到生命。

人体髋部软组织较为丰厚，骨盆骨折的主要原因是高能量外力的作用[3]。在汽车前碰撞事故中，乘员膝部与仪表台膝垫的轴向冲击载荷则是造成骨盆骨折的直接原因[4]。早期的乘员下肢损伤研究中，骨盆损伤并没有引起研究者的足够重视。在文献[5]～文献[7]的膝部刚性锤冲击试验中损伤部位仅出现在髌骨和股骨末端区域，因此他们将股骨受10kN轴向力作为整个膝-大腿-髋部(KTH)发生35% AIS 2+损伤风险的耐受限值，并应用于美国联邦机动车安全标准FMVSS 208法规的下肢损伤评估中。而文献[8]中在其进行的19组KTH部位的膝部冲击试验中发现骨盆才是KTH在前碰撞中最容易受到损伤的部位，骨盆的耐受限值仅为(5.7±1.38kN)，远低于10kN的股骨轴向力损伤标准。文献[9]中在2001年开展了一系列不同髋关节姿态下的乘员膝部冲击尸体试验。测试中，尸体大腿由水平位置上抬的角度(髋关节屈曲角)范围为0°～21°，而大腿由平行于车辆前进方向的自然位置向外侧转动的角度(髋关节外展角)范围为-17°～20°。结果显示冲击时的大腿相对于躯干的位置和碰撞力的方向变化都会产生不同类型的骨盆创伤。文献[10]中在进行的膝部冲击试验中也发现相对正常坐姿，当髋关节屈曲角减小为90°时，骨盆的耐受限值会降低(34±4)%；而在大腿位于内收角(与外展角相对)10°时，骨盆的耐受限值降低(18±8)%。文献[3]中对不同坐姿下的骨盆进行了16组轴向冲击试验。试验中主要的骨盆损伤类型为髋臼骨折，髋关节姿态对骨盆骨折的影响与文献[10]中的试验结果类似。

目前，国内车辆结构设计和乘员损伤防护研究使用的人体模型主要为多体动力学人体模型[11-12]和机械假人模型[13]。而汽车前碰撞的乘员骨盆损伤准则还未制定。随着近年来计算机技术的快速发展，使基于解剖学结构和前期的生物力学试验的下肢有限元模型的应用也越来越多，但主要集中在行人保护方面[14-16]。本文中基于一名50百分位男性乘员下肢(含骨盆)解剖学结构建立了有较好生物逼真度的有限元模型，并进行了骨盆部分在侧向和轴向冲击载荷下的尸体试验验证。在此基础上，开展16组不同屈曲角和内收角下的膝部轴向冲击虚拟试验，为考虑髋关节姿态的汽车前碰撞乘员骨盆损伤准则的制订和汽车内饰结构设计提供参考。

1 乘员下肢模型的建立与验证

1.1 模型介绍

本模型是在湖南大学人体有限元模型HBM(human body model)[15,17-20]的下肢部分的基础上进行修改完善。模型几何数据源自美国ViewpointTM公司的一名50百分位成年男性下肢解剖学结构[15]。原下肢模型为行人站姿模型，包含了下肢中主要骨骼和膝关节韧带，并对其进行了胫骨三点弯曲和行人膝关节弯曲及剪切试验的验证。由于乘员与行人的损伤机理不同，针对乘员下肢损伤研究需求，在原模型的基础上对其进行了修改完善，改进后的下肢模型在解剖学上有更准确的反映，并有较好的计算稳定性。模型具体的修改如下：

(1) 增加髋关节囊，增加肌肉、皮肤和关节软骨等软组织;

(2) 细化骨盆、髌骨、股骨和膝关节韧带;

(3) 重新选定材料模型和各部件材料参数;

(4) 根据人体几何测量学数据[21]将下肢模型调整为乘员的姿态。

下肢模型基于LS-DYNA 3D程序开发，改进后的下肢模型包含有骨盆、骶骨、股骨、髌骨、胫骨、腓骨和足部骨骼，软组织包含有肌肉、皮肤、关节囊、关节软骨、韧带和肌腱。骨盆中皮质骨采用壳单元建模，而骨盆松质骨则采用六面体单元建模；长骨中骨干区皮质骨使用可变形体单元建模，考虑到模型的单元尺寸，长骨两端和髌骨处的皮质骨则使用带厚度的壳单元进行模拟；长骨松质骨、关节软骨、半月板和肌肉使用可变形体单元建模；韧带使用可变形体单元与壳单元结合的建模方法。模型中以应变作为失效标准来模拟材料失效，在材料达到预定的失效应变后系统自动删除失效单元。整个模型含97个部件，单元总数为65 626，其中实体单元40 155，壳体单元25 263，弹簧单元208个，修改后的模型如图1所示。

1.2 模型生物材料特性的选取

生物材料的力学特性较为复杂，如皮质骨材料表现为非线性、不均匀、各向异性的黏弹性材料特性，且对应变速率也较为敏感[22]。在数值模拟中，材料模型的选用对有限元模型的仿真精度有十分重要的影响。考虑模型主要应用于冲击载荷下损伤的研究，选用了LS-DYNA中可以区别定义拉伸、压缩性能，且含有应变率和黏弹性效应的材料模型来模拟皮质骨材料；松质骨和软骨则选用了弹塑性材料本构；使用弹性材料来模拟皮肤和半月板；肌肉组织使用黏弹性材料进行模拟；膝关节韧带采用准线性黏弹性材料模型；使用MAT_MUSULE材料来模拟肌肉被动力。以上材料模型参数选自于相关文献，取值如表1所示。

1.3 下肢模型的验证

选取两种尸体标本生物力学试验来对建立的模型进行验证：(1)骨盆侧向冲击试验[41]；(2)KTH膝部冲击试验[8]。通过与试验结果的载荷-时间历程曲线和损伤部位的对比来验证该模型在建模方法、材料定义和动态响应方面的生物逼真度。

表1 生物材料特性选取

1.3.1 骨盆侧向冲击试验

骨盆的生物逼真度验证通过Guillemot的骨盆侧向冲击试验进行。试验边界条件设置如图2所示，左侧骨盆下缘被金属箱固定，在右侧髋臼中放入模拟股骨头的金属球，冲击锤质量为3.68kg，以4m/s的速度沿侧向冲击金属球，在金属球与冲击锤之间放置有11mm的缓冲硅质垫片。冲击中的骨盆变形和冲击载荷-时间历程将被记录，并用于模型的对比验证。

图3(a)为仿真与试验的载荷-时间曲线结果对比。其最大载荷为3.55kN，发生于2.2ms时刻，曲线基本位于Guillemot建立的骨盆在侧向冲击下的载荷-时间通道内。在Guillemot进行的12组骨盆侧向冲击试验中，骨盆损伤部位大多分布在耻骨支。其中有4组冲击后出现耻骨支和骶骨多处骨折，整个盆腔结构基本被压溃；另6组为耻骨支和髋臼处的部分骨折；剩余2组无明显损伤。虚拟试验中整个骨盆结构最大变形量为12.7mm，耻骨上支发生失效和髋臼切迹处有小范围失效(图3(b))。将虚拟试验中的结果与12组尸体试验的结果进行比较，如图3(c)所示。虚拟试验的载荷-位移结果位于耻骨部分骨折范围内，进一步验证模型动态响应正确。

1.3.2 KTH部位膝部冲击试验

为评估整个KTH部位在前碰撞冲击中的最易受到损伤的部位及其损伤限值，文献[8]中进行了19例KTH部位的膝部轴向冲击试验，其试验装置如图4所示。试验时下肢调整为坐姿：大腿处于中位，即股骨髁中点到髋臼中心的连线与两髋臼中心的连线夹角为90°；大腿与骨盆之间的屈曲角(股骨髁中点到髋臼中心的连线与耻骨联合块到髂棘的连线之间的夹角[8])为120°，大腿膝关节展开角度为90°；去除臀部肌肉，保留髋关节囊；通过夹持固定髂嵴和用尼龙拉带系于耻骨下支处来约束骨盆。由气动推进器驱动台车加速至1～1.2m/s撞击与膝部接触的杆件。为更好地传递载荷，杆件前置有按膝部形状铸造的刚性垫块。整个冲击过程载荷加载速率在300N/ms左右。

在文献[8]中进行的19组冲击试验中，髋关节失效时间为碰撞后(38.3±11.5)ms，受到的最大冲击力为(5.7±1.38)kN。而在仿真中，失效时间为35.7ms，载荷峰值为5.849kN。仿真与试验载荷-时间历程曲线对比如图5(a)所示，仿真曲线完全处于试验曲线围成的通道内。图5(b)为骨盆在膝部冲击作用下试验与仿真的髋臼处的失效情况对比。在仿真中髋臼后壁处关节软骨和松质骨都有大量单元失效，与试验中最常见的髋臼后壁失效情况类似。根据对比结果可认为模型在膝部冲击下的骨盆动态响应和损伤情况都与尸体试验有较好的对应。

2 髋关节姿态对骨盆骨折的影响分析

在前碰撞中，当KTH在受到来自于膝垫的轴向冲击时，冲击力由髌骨和股骨末端传入股骨干直接传递到股骨近心端，并在骨盆髋臼处产生支撑反力。而受乘员身高、乘坐习惯和事故中不同前碰撞部位的影响，髋关节会呈现出不同的屈曲角度和外展角度。为研究前碰撞事故中在膝部轴向冲击作用下不同髋关节姿态对乘员骨盆骨折时的损伤限值的影响，采用经验证的下肢有限元模型进行不同髋关节屈曲角α和展角β的膝部轴向冲击虚拟试验。屈曲角α定义为从侧向观察，股骨轴线与髂骨前上脊点和耻骨联合处连线的交角；展角β定义为从顶部观察，股骨髁中间点髋与关节中心点连线和左右髋关节中心点连线的夹角，且以其为90°时为中位，如图6所示。方便起见，又将展角与90°的差值称为相对展角，正值为外展；负值为内收。虚拟试验中的边界条件参考文献[8]和文献[10]中的试验设置，试验中膝部冲击载荷方向始终为股骨头中心-股骨髁中心轴线方向，并将骨盆骨折时刻髋臼处承受的最大支撑反力作为骨盆受膝部轴向冲击时的失效值。髋关节参数的变量取值根据乘员下肢正常活动范围设定为：髋关节屈曲角90°，115°，120°和135°；展角分别为内收10°、中位0°、外展10°和外展20°，对不同的髋关节参数组合共16组进行膝关节轴向冲击虚拟试验，结果如表2和图7所示。

由表2可见，在16组虚拟试验中，失效部位都出现在骨盆的髋臼和髂骨处。部分试验也出现了股骨头关节软骨组织的小范围失效。同时，不同的髋关节姿态在膝部轴向冲击下的失效值也不尽相同。最小值4.91kN出现在α为90°和β为内收10°时,失效情况为沿坐骨大切迹-髂嵴的髂骨断裂。而最大值6.74kN出现在α为135°和β为外展10°时，失效部位为髋臼上壁。由表2和图7还可看出，骨盆失效值的变化趋势为：当展角固定时，失效值随髋关节屈曲角α的增大而增加；而当屈曲角固定时，随着相对展角的减小，失效值先增大后减小，且都在外展10°时达到最大值。

表2 不同髋关节姿态下的骨盆失效值和失效位置

3 讨论

在骨盆侧向冲击验证试验中，骨盆皮质骨采用平均厚度1.41mm[23]的壳单元来模拟其中骨盆的厚度分布，这可能是仿真中载荷-时间历程曲线的前部呈现出骨盆结构刚度高于试验的原因。两组验证结果表明模型在载荷-时间历程曲线和损伤部位与试验结果基本一致，说明模型建模方法和材料参数选用合理，能正确反映乘员骨盆在侧向冲击载荷和膝部轴向冲击时的动力学响应和损伤情况，具有较好的生物逼真度，可用于后续的损伤研究。

在前碰撞事故中，KTH损伤发生时髋关节姿态会受到乘员的身高、座椅高度、碰撞位置、约束系统保护情况和乘坐习惯的影响。例如：身材较小的乘员，其座椅位置靠前，膝关节屈曲角和髋关节屈曲角都较小；在发生偏置碰撞或斜碰撞时，乘员会受到横向的加速度，而不受安全带约束的下肢的不同姿态不仅会影响膝部与仪表台膝部衬垫碰撞载荷的大小，也会引起骨盆的耐受限值变化。在16组不同的髋关节姿态在膝部轴向碰撞冲击下的耐受限值参数研究中，骨折集中发生在骨盆的髋臼及髂骨部位。对失效发生在髋臼的13组虚拟试验进一步分析发现，髋臼的损伤区域也并不相同，随着屈曲角和展角的增大，股骨头与髋臼的接触和损伤部位由髋臼后壁转移到髋臼上壁、髂臼窝位置。而在小的屈曲角和内收的姿态下，骨盆骨折位置为从坐骨大切迹到髂嵴的髂骨断裂。结合骨盆的结构特点分析其原因为：当髋关节屈曲角α减小时，由于骨盆约束位置没有发生变化，轴向冲击时髋臼的反力作用点与约束部位之间的距离增大，从而相对于曲率较大的坐骨大切迹处的力臂增大，致使失效发生在髂骨处。而在小的屈曲角α时，相对力臂较小，髋臼在股骨头的挤压下先发生了骨折。

骨盆骨折的失效值也随着轴向冲击下骨盆骨折位置的变化而不同。从试验结果还可以得出当髋关节屈曲角由90°增加到135°时，骨盆骨折失效值增加了13.5%～34.4%；而大腿由外展20°减小到内收10°时，其失效值减小了6.0%～16%，该分析结果与文献[2]和文献[10]中的研究结论基本一致。这种趋势的原因为：当髋关节的姿态变化时，产生反作用力的髋臼部位相应改变，由于骨盆的形状不规则且髋臼壁在各部分的强度并不一样。当髋关节处于大的屈曲角和外展时，髋臼壁的受力点趋于髋骨窝和髂骨连接侧，此处厚度相对较大，在此处发生髋臼失效的骨盆表现出大的失效值；当髋关节处于较小的外展角或为内收时，髋臼壁的受力点靠近髋臼后壁，此处强度相对较小，且与约束点的力臂也较大，因而骨盆更容易在髂骨和髋骨侧壁出现骨折，从而其失效值较小。虚拟试验中髋臼的失效单元分布位置也说明了这一点。

4 结论

根据两组尸体标本生物力学试验中的冲击力-时间历程曲线和损伤部位的对比结果表明，乘员下肢有限元模型建模方法和材料参数设定合理，能正确反映乘员骨盆在侧向及沿膝部轴向冲击中的生物力学响应，且具有较好的生物逼真度。

在前碰撞载荷条件下，不同的髋关节姿态对骨盆骨折影响的分析结果表明：骨盆损伤部位和失效值与髋关节的姿态有直接关联。在髋关节屈曲角α较小和β角为内收时，髂骨更容易产生骨折，而在大的髋关节屈曲角α及大腿外展时更容易产生髋臼损伤；由于骨盆失效位置和髋臼壁各受力点强度不同，髋关节屈曲角由90°增加到135°时，骨盆骨折失效值增加了13.5%～34.4%；而随着相对展角的减小，骨盆的失效值先增大后减小，在大腿由外展20°减小到内收10°时，其失效值减小了6.0%～16%。研究结果可为汽车前碰撞中乘员的骨盆损伤评价准则的制订提供参考。

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A Numerical Investigation into the Influence of Hip Posture onOccupant Pelvis Fracture in Vehicle Frontal Impact

Jiang Xiaoqing1,2, Yang Jikuang1,3, Wang Bingyu1& Zhang Weigang1

1.HunanUniversity,StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufacturingforVehicleBody,Changsha410082;2.CSRZhuzhouInstituteCo.,Ltd.,Zhuzhou412001;3.DepartmentofAppliedMechanics,ChalmersUniversityofTechnology,Gothenburg,Sweden41296

This paper aims to develop a virtual test method for assessing occupant pelvis injury in vehicle frontal crash, in order to provide relevant biomechanical parameters for occupant safety design. Accordingly, based on the anatomical structure information of a 50th percentile American male and using LS-DYNA code, a relatively refined finite element model for occupant lower extremity is created with its effectiveness verified by the simulation tests of side impact on pelvis and axial impact on knee-thigh-hip complex. Then a series of virtual tests are conducted on the model to investigate the influence of hip posture with different flexion angles and abduction angles on the failure force of pelvis. The results show that the pelvis fracture location and failure force under axial impact on knee depend on hip posture due to the different strength of various loaded points on acetabulum wall. With the increase of thigh flexion and abduction angles, pelvis fracture location shifts from ilium to acetabulum. The failure force of pelvis goes up with the increase of thigh flexion angle, while it goes up first and then falls down with the rise of thigh abduction angle. The findings of this study provide a reference basis for pelvis injury assessment in vehicle frontal crash safety design.

vehicle frontal impact; pelvis fracture; hip posture; occupant lower extremity; FE model

*国家自然科学基金(51275164)、湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室自主研究课题(61075004)和教育部长江学者与创新团队发展计划(531105050037)资助。

原稿收到日期为2013年12月9日，修改稿收到日期为2014年5月27日。