中国人体上肢碰撞损伤有限元模型的开发*

陈吉清 刘朝阳 兰凤崇

(华南理工大学 机械与汽车工程学院∥广东省汽车工程重点实验室, 广东 广州 510640)

中国人体上肢碰撞损伤有限元模型的开发*

陈吉清 刘朝阳 兰凤崇†

(华南理工大学 机械与汽车工程学院∥广东省汽车工程重点实验室, 广东 广州 510640)

针对中国人体特征进行损伤生物力学研究的重要目的是为完善中国汽车安全法规提供科学依据.为了深入探讨中国人体损伤生物力学机理和损伤响应,根据中国人体解剖学结构,建立了具有较高精度的中国50百分位成年男性乘员的上肢有限元模型,包括上肢骨骼及关节、韧带、肌肉和皮肤等软组织.针对长骨骨干断面几何不均匀的特征,建立皮质骨不等断面厚度和形状连续变化的长骨数值模型.筛选并汇总国内外尸体实验数据,在准静态和动态加载下验证长骨和上肢模型的可靠性,以及肩关节侧面碰撞响应.结果表明,该模型能准确反映人体上肢损伤特性.

汽车安全；损伤生物力学；乘员上肢；有限元模型；损伤机理

随着我国汽车产销量和保有量的增加,道路交通安全形势日益严峻,如何降低交通事故中行人和乘员的伤亡是重要的课题.交通事故中人体上肢损伤的几率达13.5%,轻微的骨折或韧带挫伤就会影响其功能[1].上肢的损伤类型主要包括锁骨,肱骨,尺骨,桡骨等长骨骨折,关节和韧带等软组织挫伤.上肢损伤尽管不会直接危及生命,却是致残的主要原因,且恢复周期长,为伤者带来沉重负担.因此,对于乘员上肢的保护是汽车安全及损伤防护需要研究的环节.交通事故中乘员与汽车的二次碰撞是造成上肢损伤的重要原因,碰撞形态包括乘员与汽车B柱的碰撞、上肢与车门内板及转向盘等的碰撞.在上肢损伤成因中,由汽车侧面碰撞造成的损伤达65%.因此,研究侧面碰撞乘员上肢的生物力学响应和损伤机理,对于提高乘员约束系统的安全性能、完善汽车虚拟安全设计、降低乘员损伤风险有重要意义.

损伤生物力学是研究汽车碰撞安全的重要方法之一,用有限元法对人体建模和仿真是研究损伤生物力学的有效途径[2].国内外学者均对人体建立整人模型或者对上肢建立了局部模型.整体模型用来研究碰撞中人体的全局反应,如丰田汽车公司开发的THUMS(Total Human Model for Safety)模型,欧盟主导开发的HUMOS(Human Model for Safety)模型等.Lizee等[3]最早根据欧洲人体尺寸做了简化,建立了肩部骨骼局部模型.Iwamoto等[4]以美国人体尺寸建立了更加精确的模型,研究人体上肢在动态载荷下的响应.阮世捷等[5]建立了儿童肱骨三维有限元模型,研究碰撞下的应力分布.张琳琳[6]建立了肩部骨骼和关节模型,研究肱骨外旋运动过程盂肱关节面接触力.

回顾已有的汽车碰撞人体生物力学模型以及专门的上肢部位的模型,有以下三方面值得关注.首先,比较成熟的模型以及国外开发的模型大多逼近欧美人体,基于欧美人体开发的整人模型和由此建立的汽车安全设计法规和标准,以及由国外技术主导的车型开发能否完美地适应中国人驾乘，一直存在很多争议.事实上,中西方人体尺寸和器官性能虽多相似，但差异是明显的.表1为中美50百分位成年男性尺寸差异,中国人平均身高较矮小,乘员坐姿更高且乘坐位置靠前,这些差异对于乘员的乘坐空间、约束系统的设计、碰撞发生时的人车关系都有显著区别.其次,已有模型针对单一组织建模,未考虑上肢骨骼和肌肉以及关节,或是针对运动学和动力学角度建模,因此不适用于分析汽车碰撞中上肢的损伤机理.其三,模型在结构和材料上做了简化,在生物仿真度等方面还有发展空间.如对于长骨模型皮质骨各断面赋予等厚度,结构上简化了部分几何特征,不能精确反映骨骼的解剖学结构等.因此,研究基于中国人的精细化上肢有限元模型,分析汽车碰撞过程中的损伤机理和标准,对建立中国汽车安全法规和减少人体损伤等具有重要意义.

文中以中国50百分位人体尺寸为依据,基于中国人体解剖学结构和上肢CT扫描数据,建立具有较高精度的中国50百分位男性乘员上肢有限元模型,模型包括锁骨、肩胛骨、肱骨、桡骨、尺骨、手骨等上肢骨骼以及关节、韧带、肌肉和皮肤等软组织,针对长骨骨干断面几何不均匀的特征,以CT断面影像数据为依据,建立皮质骨断面变厚度和形状连续变化的长骨数值模型，分别研究在准静态和动态加载下模型的碰撞响应,以及肩关节侧面碰撞可靠性分析.

1 上肢有限元模型的建立

1.1 上肢几何模型和材料参数

人体上肢形状结构和组织参数复杂,而构建可靠的上肢模型的前提在于模型的几何形状和物质性能参数是否与人体解剖学结构一致或接近.模型依据CT扫描数据建立,材料参数参考国内外文献,在有限元方法的范围内保证模型的仿真可靠性.

基于国标GB/T 10000—1988[7]中50百分位中国成年男性的体型标准(身高1 678 mm,体质量59 kg),选定一位身高1 680 mm、体质量约60 kg、身体健康的30岁中国男性志愿者进行上肢螺旋CT扫描,扫描厚度是0.8 mm,获得800张512像素×512像素的图像.

采用医学影像编辑工具对上肢CT图像分割,获取上肢骨骼整体的三维点云数据,利用逆向开发软件分别建立各骨骼的三维几何模型,基于Block-Controlled网格划分法在ANSYS ICEM CFD中对骨骼曲面模型划分网格得到有限元模型,在有限元前处理软件HyperMesh中将各骨骼模型依据解剖学结构连接,根据驾驶姿态调整骨骼间相对角度和位置,得到驾驶员姿态的上肢有限元模型.

[8-11],选取材料参数如表2和3所示.其中皮质骨和松质骨采用各向同性的弹塑性材料,肌肉定义为粘弹性材料,皮肤、韧带和软骨等软组织定义为弹性材料.皮质骨和松质骨材料均采用单元删除法模拟骨折.

表2 上肢主要组织材料参数[8-10]Table 2 Material parameters of main components of upper limbs[8-10]

表3 上肢软组织材料参数[11]Table 3 Material parameters of soft tissues of upper limb[11]

1.2 上肢网格模型

上肢有限元模型(以左上肢为例)如图1所示,模型具备完整的解剖学结构,包括锁骨、肩胛骨、肱骨、尺骨、桡骨、手骨等骨骼以及皮肤、肌肉和肩关节、肘关节和腕关节软组织等.汽车碰撞事故中,上肢损伤类型主要包括上臂损伤(肱骨骨折)、前臂损伤(尺骨、桡骨骨折)及肩部损伤(锁骨骨折、肩关节软组织挫伤).模型重点研究上肢长骨和肩关节.

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

人体上肢长骨皮质骨各断面具有形状不规则、厚度不均匀、形状和厚度连续变化的特点.前人建立的皮质骨模型多由外表面向内偏移而成,因而其各断面厚度相同;或采用壳单元模拟并分段赋予不同厚度值,但段间厚度变化不连续且段内厚度相同,因此不能准确反映皮质骨解剖学特征.文中通过CT影像技术,采用较小的扫描层厚以获得精确反映上肢长骨复杂几何特征的点云数据,并拟合生成皮质骨内外表面的自由曲面模型,以此为边界建立皮质骨厚度和形状连续变化的长骨有限元模型,真实表征皮质骨形状不规则性、厚度不均匀性，以及形状、厚度变化的连续性.

对上肢长骨,基于皮质骨内外轮廓的CT扫描结果进行模型的三维重建和网格划分,采用六面体实体单元模拟皮质骨和松质骨,其中骨干区域皮质骨采用3层实体单元模拟,以提高计算精度同时兼顾计算效率；骨骺区域皮质骨较薄,厚度不均匀且曲率变化大,为避免单元尺寸过小,部分区域用1层六面体单元模拟.骨干和骨骺皮质骨之间采用五面体单元模拟以实现平滑过渡.肱骨网格模型如图2所示.

肩胛骨由于形状结构复杂、损伤概率小,对其采用四面体单元划分网格.手骨包括腕骨、掌骨和指骨3段共27块骨,在全局坐标系下对其分别划分四面体网格,以保证其相对位置和解剖学特征.

图2 肱骨有限元网格Fig.2 Finite element meshes of humerus

1.3 上肢关节约束

关节是骨与骨之间的连接点,保证了力的传输及各种运动.上肢关节主要包括肩关节、肘关节和腕关节.肩关节由关节囊包围肱骨头和肩胛骨的关节盂而成,连接上肢和胸部,文中用壳单元模拟关节囊韧带,包括盂肱上、中、下韧带,用弹簧单元模拟肌肉.肘关节包括肱尺关节、肱桡关节和桡尺关节,3个关节共居同一关节囊,连接肱骨、尺骨及桡骨;腕关节包括桡腕关节和腕掌关节,将桡骨和手骨连接.关节处均采用壳单元模拟韧带,上肢关节如图3所示.

图3 上肢关节有限元模型Fig.3 Finite element models of upper joints

汽车-乘员系统碰撞的特点是时间响应快、应力变化大,通常在碰撞开始数十毫秒内就会导致骨折等损伤,因此模型主要反映碰撞瞬态应力应变和损伤规律.模型对于人体运动学进行了一定的简化,关节的连接用RBE(Rigid Bar Element)单元模拟,韧带用壳单元模拟.在肩关节的盂肱关节连接中,使用RBE3单元来模拟,在盂肱关节间隙中心位置选取一个主节点,将肩胛骨关节盂的若干节点作为从节点与该主节点连接,在肱骨关节头选择若干节点作为从节点与该主节点连接.采用刚性杆单元连接方式与韧带连接共同作用,能够在碰撞工况下传递力和力矩,反映了人体肩部生物力学特征.

皮肤与肌肉在碰撞过程中能起到一定的缓冲.基于CT扫描数据提取上肢外轮廓构建上肢皮肤,用壳单元模拟,厚度定义为1 mm.在皮肤与骨骼之间填充肌肉组织,肌肉与骨骼采取共节点连接.建立的人体上肢有限元模型共包括128 223个单元、121 185个节点,最小雅克比0.31,满足计算要求.

2 上肢模型仿真的可靠性

上肢模型的建立和材料参数研究是按照有限元技术要求和规范完成的,这就保证了所建立的上肢模型基本可用.但对人体模型的要求是尽可能高的鲁棒性和可靠性,而围绕这一问题的探索一直是生物力学领域富有挑战性的工作.以上肢为例,在汽车碰撞中,可能发生正面、侧面以及倾斜的角度碰撞.复杂的事故类型可以相应地导致锁骨、肱骨、尺骨和桡骨的骨折以及肩关节等软组织挫伤等.生物力学模型能否在一定的精度下再现人体组织的损伤特征,这是仿真模型验证的关键.理论上,必须开展一定量的典型人体损伤的调查、试验和数据筛选,用与模型维度、尺寸相同的真人的损伤事实，经过变换处理验证所开发的模型.但遗憾的是,迄今为止,我国在交通事故的调查积累方面有参考意义的数据不多,限于伦理、法律等要求,开展尸体类似实验也非常困难.所以模型开发和模型来源“人体”的对应验证几乎是不可能的工作.但两方面工作是有意义的,其一是利用模型研究加载和碰撞的响应规律,分析这些规律的合理并辅以医学临床经验等分析;其二是寻找世界各国在历史上完成的一些人体相关实验结果,研究实验数据的规律性并加以对照,帮助理解中国人体模型分析和仿真的可靠性.严格来说,两者的直接对比已无任何逻辑意义,将来在这一领域的探索也一定是中国学者必须面对的问题.

2.1 上肢长骨准静态和动态损伤特性分析

肱骨的准静态三点弯曲仿真参照Kallieris等[12]的尸体实验.实验中肱骨两端分别用聚氨酯树脂封装在底部截面为半圆形的金属盒内,将盒子水平置于固定的刚性平面.直径10 mm的刚性圆柱体以0.000 25 m/s的恒定速度从前后方向(A-P)加载于肱骨中央,直到骨折.仿真中将肱骨两端刚性连接在金属盒内,约束盒子部分自由度,只允许肱骨的弯曲自由度,定义盒子与平面的接触和摩擦.仿真设置如图4所示,图中显示了肱骨骨折.锁骨的准静态三点弯曲仿真参考Kallieris等[12]的尸体实验.实验条件同上,碰撞块速度为0.041 m/s.尺骨和桡骨的准静态三点弯曲仿真参考Yamada等[8]所做尸体实验.长骨模型水平置于刚性平面,在长骨两端与支撑平面之间设置接触,约束刚性平面的6个自由度.设置长骨两端与刚性平面的摩擦系数为0.3.用直径为25 mm的刚性圆柱形冲击器以0.01 m/s的恒定速度从前后方向(A-P)对长骨中部加载,直到骨折断裂.尺骨的仿真设置及其骨折断裂如图5所示.

图4 肱骨准静态三点弯曲仿真Fig.4 Quasi-static three-point bending simulation for humerus

图5 尺骨准静态三点弯曲仿真Fig.5 Quasi-static three-point bending simulation for ulna

准静态加载中,肱骨、锁骨、尺骨和桡骨的响应如图6所示.图6(a)肱骨在0～4 mm加载中,模型仿真曲线和尸体实验曲线均线性增加,斜率相近.在4～7 mm加载过程中,模型仿真和尸体实验曲线增长较为平缓.仿真中肱骨模型在2 620 N时发生骨折断裂,而实验的骨折力范围是(2 582.0±344.2) N.图6(b)锁骨在0～1.5 mm加载中,模型仿真和尸体实验曲线均线性增加,在2.0～3.0 mm加载中,曲线的增长都趋于平缓.仿真中锁骨模型在951 N时发生骨折,而实验中骨折力为(981.5±249.3) N.图6(c)尺骨骨折力为743 N,实验中骨折力为722 N.图6(d)中桡骨骨折力为585 N,实验中为601 N.

锁骨的动态三点弯曲仿真参考Li等[13]在2010年对美国人尸体的实验.圆柱形碰撞体以100 mm/s的恒定速度从前后方向(A-P)加载于锁骨中部.肱骨的动态三点弯曲仿真参考文献[14].一个圆柱形碰撞体以0.218 m/s的速度从前后方向(A-P)垂直加载于肱骨中央,直至骨折断裂,其仿真设置与准静态条件类似.

图7(a)中锁骨的动态加载结果中,在0～1.5 mm,模型仿真曲线斜率比尸体实验大,这是由于仿真中骨骺端的节点固连约束方法不同.3～6 mm中,两者斜率基本相同.实验中锁骨的接触力-位移的平均变化率为200.5 N/mm,仿真的平均变化率为218.0 N/mm,差别为8.7%.实验中锁骨发生骨折的接触力是1 116 N,仿真中为1 248 N.图7(b)肱骨加载中,实验和仿真曲线先线性增长,实验曲线的接触力-位移变化率为181.8 N/mm,仿真曲线为231.9 N/mm.模型到达耐受极限发生骨折断裂,实验中肱骨骨折力为2 000 N,仿真中为2 180 N,差别为9%.

图7 上肢长骨模型动态加载曲线Fig.7 Dynamic loading curves of long bone model

由仿真结果,碰撞块与骨骼的接触力随位移的增加而增大,上肢长骨均发生骨折断裂.中国人体模型仿真与国外尸体实验曲线经对比分析,两者具有共同趋势,同时存在差别.模型仿真与尸体实验具有相似的生物力学响应,在准静态和动态加载下人体模型能够再现尸体生物力学试验的结果.

2.2 上臂和前臂动态加载损伤特性分析

参考文献[15]中进行的尸体实验,由前后方向(A-P)对带有肌肉的上臂和前臂模型进行动态三点弯曲仿真,获取上臂和前臂动态加载下的生物力学响应,仿真设置与上肢长骨模型动态三点弯曲仿真类似,上臂冲击器加载点位于模型中点,前臂加载点位于远心端1/3处,如图8所示.

图8 上臂和前臂模型动态加载仿真Fig.8 Dynamic loading simulation for upper and lower arm

图9展示了模型仿真上臂加载处的接触力与时间历程曲线,上臂动态三点弯曲加载时,由于皮肤与肌肉的缓冲作用,曲线的起始阶段上升较为平缓,随着肱骨受到载荷,接触力迅速上升,曲线呈近似线性,当接触力达到耐受极限时,肱骨断裂.

图9 上臂模型动态加载的力-时间曲线Fig.9 Dynamic loading force-time curves of upper arm model

图10(a)显示了上臂模型在动态加载下肱骨的应变-时间曲线,肱骨在8 ms时刻左右发生骨折断裂,与接触力-时间历程曲线的峰值力基本一致.图10(b)是前臂模型在动态加载下桡骨和尺骨的应变-时间曲线,由图可知,仿真中桡骨和尺骨均发生骨折,骨折断裂时刻的应变峰值与实验接近.仿真中桡骨和尺骨发生骨折断裂的时刻在4～5 ms,实验中桡骨骨折时刻在4～5 ms,而尺骨骨折时刻在5～6 ms,这是由于实验中采取的是手背向下的姿态,桡骨先于尺骨发生骨折,而仿真模型是乘员驾驶姿态,在手背向下时尺骨与桡骨呈一定的角度,因此在动态加载下同时骨折断裂.

图10 模型动态加载下的应变-时间曲线Fig.10 Dynamic loading strain-time curves of the model

3 整人模型装配及侧碰可靠性

为研究汽车碰撞工况人体上肢损伤以及整人碰撞响应,根据人体解剖学结构,将建立的上肢有限元模型与人体躯干模型组装,组成中国人体模型CHUBM(Chinese Human Body Model),如图11所示,为50百分位中国成年男性坐姿形态的人体模型.

图11 中国人体模型Fig.11 Chinese human body model

为研究侧面碰撞上肢失效机理和骨折位置,将上肢肩关节与胸部模型组装,分析侧面碰撞的响应.参考尸体试验[4],建立胸部-上肢总体模型侧面碰撞仿真模型,如图12所示,对模型增加质量来模拟人体的转动惯量,约束T12脊椎来模拟坐姿乘员.碰撞块(23 kg)以4.0 m/s的速度侧面撞击盂肱关节.

图12 侧面碰撞胸部-上肢仿真模型Fig.12 Side impact simulation model of chest-upper limb

在侧面碰撞下上肢锁骨发生骨折,分析碰撞结果,碰撞块应力首先作用于肱骨和肩胛骨,当肱骨到达肩锁关节时,载荷传递到锁骨和肩胛骨,应力作用于锁骨直至锁骨骨折.骨折位置在锁骨外侧1/3处,与临床研究结果一致,如图13所示,图中展示了侧面碰撞仿真应力分布.

图13 侧面碰撞结果及应力分布Fig.13 Result of lateral collision and stress distribution

上肢与躯干的装配以及侧面碰撞仿真证明模型可用,侧面碰撞下肩关节的损伤机理与临床试验研究结果对比一致,人体上肢模型能够再现试验结果.

4 结语

基于人体解剖学原理和CT扫描数据,文中建立了具有完整结构和高精度的中国50百分位男性乘员上肢有限元模型.模型包含锁骨、肩胛骨、肱骨、桡骨、尺骨、手骨等骨骼及关节、韧带、肌肉和皮肤等软组织,能够反映解剖学特征和物理特性.通过合理划分单元以提高网格质量,控制单元指标满足有限元要求,有效控制时间步长以提高模型的计算效率和精度.

基于乘员上肢损伤类型和载荷特点,对肱骨、锁骨、尺骨和桡骨模型进行准静态三点弯曲仿真,对锁骨、肱骨、上臂和前臂模型进行动态三点弯曲仿真,对于上肢肩关节进行侧面碰撞仿真,仿真结果与临床一致.人体模型仿真与尸体实验结果对比分析发现,接触力峰值和出现时刻相似,存在一定差异,所建中国人体模型能够再现相应生物力学试验结果.

建立的上肢模型可与胸部模型组装,用于汽车正面和侧面碰撞对于上肢损伤的研究；可与整人模型装配,研究汽车与乘员系统在碰撞工况下的整体响应.中国人体模型对于乘员和行人保护,汽车安全性设计和汽车安全法规的修订具有重要意义.

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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

广东省自然科学基金资助项目(2015A030313213);广东省科技计划项目(2014B010106002，2016A050503021)

陈吉清(1966-),女,教授,博士生导师,主要从事车身结构及安全研究.E-mail:chjq@scut.edu.cn

†通信作者:兰凤崇(1959-),男,教授,博士生导师,主要从事车身结构及安全研究.E-mail:fclan@scut.edu.cn

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

U 461.91

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