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6岁儿童乘员胸部有限元模型验证及损伤分析

2017-01-11 17:37:54 汽车工程学报 2016年6期

崔世海+单蕾蕾+李海岩+贺丽娟+吕文乐+阮世捷

摘 要:通过构建人体有限元模型,研究交通事故中儿童胸腹部生物力学响应及损伤机理,对提高汽车安全性设计具有重要意义。基于CT医学图像构建了包括胸骨、肋骨和内脏等软硬组织在内的具有详细剖解学结构的6岁儿童乘员胸腹部有限元模型,并构建了具有真实几何形状的斜方肌、外斜肌、冈下肌、肩胛下肌等肌肉组织。利用所构建的模型重构了儿童胸部碰撞尸体试验,仿真得到的胸部撞击力-变形量曲线、粘性准则(viscous criterion,VC)值与尸体试验结果呈现一致性,表明了该模型的有效性。对碰撞中肋骨、心脏和肺等胸部组织器官的应力应变进行了分析,结合损伤准则讨论了其损伤状况及损伤机理。

关键词:6岁儿童乘员;胸部模型验证;有限元仿真;胸部损伤分析

中图分类号:U461.91;R318.01 文献标文献标识码:A文献标DOI:10.3969/j.issn.2095-1469.2016.06.05

Abstract:The understanding of pediatric thoracoabdominal injury mechanism using finite element (FE) human body models is of great importance to improve the design of vehicle safety. Based on the CT data of a healthy 6-year-old child, the whole thorax and abdomen finite element(FE) model with detailed anatomical structures including internal organs such as lung, heart, was developed. The FE models of muscles, such as trapezius, infraspinatus, supraspinatus, external oblique muscle, were also developed in their true shape and true size. The pediatric cadaver thorax impact experiment was reconstructed using the developed thorax and abdomen FE model. Simulation results, such as force-displacement curves for thoracic impact and the thorax viscous criterion(VC), were in accordance with the cadaver results, which showed the validation of the FE model. The stresses and strains of rib, heart and lungs were calculated, and their injury conditions and mechanisms were discussed according to injury criteria.

Keywords:6-year-old pediatric occupant;thorax model validation; finite element simulation; thorax injury analysis

随着私家车的不断普及,儿童乘坐汽车出行变得十分普遍,与儿童有关的交通事故发生率也越来越高。在因交通事故致死或严重损伤的事件中,胸腹部损伤的发生率高达45%,仅次于颅脑损伤,是交通事故死亡的主要原因之一[1-2]。GB 27887—2011《机动车儿童乘员用约束系统》[3]的实施虽然在一定程度上提高了消费者对儿童乘车安全的重视,但国内很多家庭还是忽视了儿童乘车安全。交通事故中儿童胸腹部遭受外部伤害时,胸腹部产生较大变形致使内脏损伤并伴有较高的死亡率,因此研究儿童胸腹部损伤机理对提高汽车安全性设计以及临床应用都具有重要意义。

儿童尸体试验是研究儿童碰撞损伤机理和组织耐受极限的重要方法,但由于儿童尸体样本获取困难,目前公开文献中可查到的儿童胸腹部尸体试验比较少。OUYANG Jun等 [4]和KENT等 [5-6]分别应用儿童尸体样本得到了儿童胸部的生物力学响应特性,这些尸体试验是验证儿童胸腹部有限元模型有效性的重要手段。构建具有真实剖解学结构的胸腹部有限元模型是研究胸腹部损伤机理的有效方法,经有效性验证的模型具有很高的生物仿真度,可多次进行试验分析胸部损伤,同时还能够获得胸腹部器官的局部变形和应力应变等力学参数,结合尸体试验能更好地研究其损伤机理和损伤极限[7-8]。目前国内外具有真实剖解学结构的儿童胸腹部有限元模型较少。JIANG Binhui等[9]构建了具有详细剖解特征的 10 岁儿童胸部有限元模型并验证了其有效性,但该模型中没有采用真实剖解学结构的肌肉组织。LYU Wenle等 [10]构建了具有详细剖解学结构的6岁行人儿童胸腹部有限元模型并验证了模型的有效性,该模型是儿童站姿胸腹部模型。在实际碰撞过程中,儿童乘员的胸腹部形态与儿童行人是有区别的,并且碰撞过程中胸腹部的响应在一定程度上会受到头颈部等结构的影响。为了更好地研究儿童乘员胸腹部损伤机理,本研究构建了具有完整剖解学结构的6岁儿童乘员有限元模型,并参考OUYANG Jun等[4]所做的尸体试验进行了有效性验证。

1 材料与方法

1.1 模型构建

在卫志强[11]、孙田军等[12]所构建的6岁儿童乘员胸腹部有限元模型的基础上,将胸腹部模型进行连接,同时结合CT数据,采用MimicsApp和HypermeshApp构建了包括斜方肌、外斜肌、冈下肌、肩胛下肌在内的肌肉组织以及脂肪和皮肤组织,并对模型的网格质量进行了进一步优化,最终构建的6岁儿童胸腹部有限元模型如图1所示。该模型不仅包括了胸椎、腰椎、肋骨、肋软骨、胸骨、椎间盘和心脏、肺、胃、肝脏、脾脏、肾脏等软硬组织(图1a),同时还包括了具有真实剖解学结构的肌肉、脂肪和皮肤等组织(图1b)。模型中不同的结构采用不同的单元类型进行模拟,其中密质骨、血管、食管、气管、韧带、肌腱、皮肤等采用壳单元,松质骨、肌肉、内脏、脂肪等采用实体单元。最终的模型共有413 215个单元,527 680个节点,其中六面体单元399 443个。

为提高模型仿真度还增加了头颈部和上下肢,但为缩短计算时间,将头部设置为刚体,下肢只包含了股骨、脂肪和皮肤组织。

1.2 材料参数

由于儿童尸体试验的缺乏,可直接应用于有限元模型的材料参数较少,目前用于儿童有限元研究的材料参数大多数是通过缩放方法获得的。LYU Wenle等 [10]采用缩放方法对6岁儿童胸椎、腰椎和肋骨等材料参数进行了计算,本模型中的相关材料参数参考该结果。KENT等[13]的研究表明,内脏等软组织的杨氏模量随年龄变化的关系无法很好地确定,在一些老年和儿童有限元模型的文献中也认为软组织的材料特性随年龄并无变化。本模型中内脏和软组织的材料采用粘弹性本构关系,具体数值参考了成人有限元模型中的材料参数[14-15]。本模型采用的材料参数见表1。

1.3 6岁儿童胸腹部模型的有效性验证

OUYANG Jun等[4]采用5个5~12岁儿童尸体样本进行了胸部撞击试验,试验中直径7.5 cm,质量3.5 kg的撞锤以6 m/s的速度撞击样本胸部(图2a),通过综合不同速度下样本的位移-接触力曲线给出了接触力-位移曲线通道。本研究通过重构该组儿童尸体胸部撞击试验来验证所构建的6岁儿童乘员胸部有限元模型的有效性。构建了直径7.5 cm,质量3.5 kg的刚性圆柱体模拟尸体试验中的撞锤,撞锤位置与尸体试验条件保持一致,即撞锤轴线指向胸骨体中心,端面平行于胸骨体(图2b)。试验中实际最小碰撞速度为 5.9 m/s,最大碰撞速度为 6.5 m/s,仿真中速度分别设为 5.9 m/s、6.0 m/s 和 6.5 m/s 。

2 结果与讨论

2.1 模型验证结果

图3为三种撞击速度下6岁儿童的胸部撞击力-变形量曲线与儿童尸体试验结果的对比。可以看到每条曲线都含有加载和卸载两个阶段,加载阶段曲线的斜率急速上升,这主要是由胸部的黏滞特性引起的;卸载阶段撞击力随着变形量的减小而减小,这是由被压缩组织的卸载造成的。从图中还可以看出:当速度分别为5.9 m/s、6.0 m/s、6.5 m/s时,最大撞击力分别为1 000 N、1 040 N、1 150 N,最大变形量分别为40.3 mm、47.9 mm、50.3 mm。可见,随着速度的增大,撞击力和变形量随之增大。三种速度下的撞击力变形量曲线的变化趋势与尸体试验曲线趋势能较好地保持一致,且都位于儿童尸体试验曲线通道之间。采用胸腹部有限元模型仿真得到的最大胸部压缩比(胸腔压缩量与胸腔原始宽度的比值)变化区间为25.8%~31.8%,随着速度的增加,胸部最大压缩比增大。尸体试验中的最大压缩比区间为24.2%~48.2%,模型仿真结果位于尸体试验通道范围内。

VC值是胸部变形速度和胸部变形量瞬时值乘积的最大值,可用来表征胸部软组织的损伤。图4为不同速度下6岁儿童胸部VC值随时间的变化曲线。可以看出:不同速度下(5.9 m/s,6.0 m/s,6.5 m/s)VC值的第一个峰值出现的时间分别为8 ms、7.89 ms、7.5 ms,峰值大小分别为1 m/s、1.01 m/s、1.17 m/s。随着速度的增大,第一个VC峰值出现的时间提前,VC峰值增大。OUYANG Jun等[4]所做的胸部尸体试验中5号和8号样本的VC曲线峰值出现的时间区间为7~9 ms,少年组尸体试验的最大VC值为0.8 ~2 m/s。采用胸腹部有限元模型仿真得到的VC曲线第一峰值出现的时间以及最大VC值均位于尸体试验区间内。VIANO 等[16]研究发现VC值的最大值达到1.0 m/s时,胸部产生损伤等级AIS≥4的可能性为25%,仿真试验中儿童胸部的VC最大值超过1.0 m/s,可以判定碰撞会导致内脏损伤,尸体试验后的尸检结果也表明碰撞导致了不同程度的气胸损伤,模型仿真结果与尸检结果一致。

可见,利用6岁儿童胸腹部有限元模型进行碰撞仿真后的试验结果与尸体试验结果呈现较好的一致性,证明了该儿童乘员胸腹部有限元模型的有效性。可以进一步利用这一具有高生物仿真度的有限元模型研究儿童的胸部生物力学响应和损伤机理。

2.2 儿童胸部碰撞损伤分析

2.2.1 肋骨损伤

采用胸腹部有限元模型仿真得到的肋骨应变云图如图5所示,可以看到随着撞击速度的增大,最大应变值随之增大。LYU Wenle等通过对成人肋骨密质骨极限应变范围进行缩放得到儿童肋骨密质骨的极限应变范围为3.6%~4.5%[10,13,17-21]。由图5可知,本仿真中肋骨密质骨的最大有效塑性应变远远小于其损伤阈值,可见碰撞中儿童胸部没有出现肋骨骨折,儿童胸部尸体试验后的尸检结果也没有发现肋骨骨折,仿真损伤分析结果符合尸体试验结果。

2.2.2 内脏损伤

在心脏损伤研究方面,YAMADA[22]的研究表明,0~9 岁儿童心肌的极限拉伸应变为 62.6±6.9%,当第一主应变达到30%时心肌组织便开始出现挫伤,因此,可以将心脏发生一般性挫伤的第一主应变损伤容忍极限值定为30%。采用胸腹部有限元模型仿真得到的心脏最大第一主应变范围为35.2%~41.7%,仿真结果表明撞击中心脏可能会出现挫伤,但不会出现破裂伤。心脏损伤位置集中在与椎骨接触的心脏外表面,如图6所示,碰撞中胸部位移导致心脏接触到胸椎,由于胸椎不易变形,心脏局部受胸椎挤压后导致其应变集中,心脏的最大第一主应变出现在与其胸椎接触的外表面。尸体试验中并没有关于心脏是否损伤的报告,所以无法评定与尸体试验是否符合,但仿真结果对尸体试验结果是一个很好的补充。

在肺的损伤研究方面,GAYZIK[23]利用试验与仿真相结合的办法指出在有限元模型中,利用第一主应变能较好地预测肺部的高显影损伤,并给出预测高显影损伤的第一主应变容忍极限值约为 28.4%。仿真试验中肺部的最大第一主应变为 41.6%~63.8%,可以预测该6岁儿童在受到OUYANG Jun等所做的尸体试验中的载荷时,肺部会产生挫伤甚至破裂,进而可能会导致气胸现象的出现。肺部损伤主要集中在肺部外表面与肋骨和肋软骨接触的部分,与心脏挤压的肺部下叶内表面以及有支气管出入的肺门部位,如图7所示,左肺和右肺最大第一主应变分别出现在与第五肋和肋软骨接触的外表面。肺部不同位置的损伤具有不同的损伤机理:肺部外表面与肋骨、肋软骨接触的部分及肺部下叶内表面的肺挫伤,主要是由于碰撞导致胸腔变形使胸腔容积骤然改变,所产生的压力或压力波通过胸壁传递到肺部组织,造成肺部的挫伤;与支气管、肺血管相连的肺门损伤的产生,主要是由于肺部受到碰撞挤压时,肺部的变形速度远高于支气管和肺血管的变形速度,使两者间产生较大的相对速度,导致肺部受到支气管等的拖拽,造成肺门部分的肺部组织挫伤。在尸体试验中也检测到了不同程度的气胸或胸腺出血损伤,仿真试验结果与尸体试验结果一致。

3 结论

本文构建了包括肌肉、心脏和肺等软组织以及胸部、肋骨等硬组织在内的具有详细剖解学结构的6岁儿童乘员胸腹部有限元模型,利用该模型重构了儿童胸部尸体试验。通过比对仿真试验和尸体试验的胸部撞击力-变形曲线以及胸部VC值等,验证了模型的有效性。

碰撞仿真结果表明,本撞击条件下肋骨的最大主应变未超过损伤阈值,可见碰撞中未出现肋骨损伤,该结果与儿童尸体试验的尸检结果一致。碰撞仿真中胸部VC值均大于1 m/s,表明胸部内脏组织会出现挫伤,进一步分析碰撞时肺部和心脏等脏器的应力应变等力学数据,结果表明肺部和心脏等脏器的最大第一主应变达到了损伤阈值。

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