基于3D主动肌肉下肢模型的前碰撞中驾驶员KTH损伤研究

摘要

据统计，下肢损伤有71％发生在汽车前碰撞中，其中膝盖-大腿-髋（KTH）损伤比例约占一半。目前，基于以往刚性摆锤膝部轴向冲击实验研究，定义的股骨轴向力10kN为各国碰撞安全法规中KTH损伤指标已被广泛质疑。另外，交通事故统计数据表明下肢损伤真实情况与早期尸体实验结果不符。近期研究提出了两个假设作为进一步探索的基础：主动肌肉力影响，及轴向力和弯矩的联合作用。本文目的是研究前碰撞中主动肌肉力对驾驶员下肢损伤机理及耐受限度的影响，探究股骨/胫骨轴向力及弯矩等指标值在肌肉力作用下的变化规律。
　　首先，以小腿骨骼模型及肌肉MRI数据为基础，基于1D梁单元与3D实体单元耦合的肌肉模拟方法建立3D主动分块肌肉下肢-盆骨有限元模型。之后，通过尸体实验验证该模型在冲击加载下的被动响应，进一步基于志愿者步态实验及所开展的志愿者紧急刹车实验验证该模型在主动肌肉力施加下的响应特性，以此全面验证模型在肌肉无激活与激活状态下的生物力学响应可靠性。由此验证后，耦合50百分位Hybrid III假人上半身模型与下肢模型以建立混合假人模型，并结合轿车驾驶舱、约束系统等建立碰撞损伤分析的驾驶员-约束系统模型。最后，考虑三种典型重叠率（100%、40%、25%）前碰撞特点，分别提取整车加速度和侵入量曲线，结合紧急刹车实验的肌肉激活曲线，建立真实前碰撞加载环境。同时分析肌肉无激活时驾驶员动力学响应与损伤特征，与前者对比以探究轴向力、弯矩等指标值的差异性，表征驾驶员规避动作中肌肉力作用对下肢损伤的影响规律。
　　结果表明：驾驶员下肢肌肉主动收缩将显著增大股骨与胫骨的轴向力、弯矩及应力值，增加量与激活水平相关，损伤位置与交通事故统计中较为一致，其骨折总数比无激活模型更多，一定程度解释了事故统计与尸体实验的损伤差异。KTH中股骨损伤与其轴向力与弯曲的联合作用相关，如25%偏置碰撞中主动肌肉力作用下股骨在轴向力5.97kN与弯矩175.3 N?m下发生了骨折。此外，整车碰撞加速度使驾驶员产生的惯性力对下肢损伤有较大影响，巨大的内饰侵入量增加了股骨和足踝部损伤风险。上述结果为汽车碰撞安全法规改进和安全性设计提供了参考依据。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 乘员下肢损伤生物力学研究现状

1.3 国内外研究进展

1.4 研究课题来源

1.5 研究目的及主要工作

第2章 人体下肢骨骼肌肉功能解剖

2.1 人体下肢整体结构

2.2 下肢骨骼系统

2.3 下肢关节组织

2.4 下肢骨骼肌

2.5 本章小结

第3章 3D主动肌肉下肢有限元模型建立

3.1 下肢有限元建模方法

3.2 下肢骨骼系统建模

3.3 下肢关节组织建模

3.4 下肢主动肌肉建模

3.5 驾驶员3D主动肌肉下肢有限元模型

3.6 本章小结

第4章 3D主动肌肉下肢模型全面验证

4.1 下肢模型全面验证方法

4.2 下肢生物力学实验验证

4.3 人体步态验证

4.4 紧急刹车验证

4.5 本章小结

第5章 真实前碰撞中驾驶员主动下肢KTH损伤研究

5.1 汽车前碰撞分类及耐撞性比较

5.2 驾驶员-约束系统建立及验证

5.3 汽车前碰撞中人体KTH真实加载环境的建立

5.4 三种重叠率真实前碰撞中驾驶员下肢损伤对比

5.5 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录A 腿部肌肉的起止位置和功能