侧面碰撞事故中乘员损伤的防护日益成为汽车厂家关注的焦点。骨盆是汽车侧面碰撞事故中极易受到伤害的脆弱部位,美国国家事故采样系统(NASS)的统计数据表明,在所有汽车碰撞事故中侧面碰撞占15%~30%,而汽车侧面碰撞乘员身体各部位的损伤当中骨盆损伤占8%~14%^{[ 1, 2, 3]}。侧面碰撞时,由于车门与乘员之间的距离有限,撞击能量不易被吸收,骨盆成为除头部以外,乘员最容易受到伤害的部位。相关的试验研究结果表明,骨盆具体的损伤类型按照发生频率大小排序依次为:耻骨骨折50%、股骨骨折25%、髋臼骨折12%、骨盆后部骨折11%,如骶髂关节骨折及骶骨骨折^{[ 4]}。

鉴于侧面碰撞事故中骨盆损伤的严重性,一些研究人员,如Cesari等^{[ 3, 5]},Viano等^{[ 6]},Cavanaugh等^{[ 7]},Guillemot等^{[ 4, 8]},Bouquet等^{[ 9]},利用单独骨盆标本和整体尸体标本研究了骨盆的侧撞响应和损伤,并分别提出了各自的骨盆损伤预测指标。有限元方法的发展使得骨盆侧撞生物力学响应和损伤的数值模拟得以开展。Plummer等利用半个骨盆有限元模型研究了侧面碰撞中骨盆的损伤机理^{[ 10]};Besnault等利用参数化骨盆模型研究了几何尺寸对骨盆力学响应的影响^{[ 11]};Anderson等构建了一个骨盆三维有限元模型,用壳单元表示密质骨,四面体单元表示松质骨^{[ 12]};Ruan等利用整人有限元模型研究了骨盆侧面碰撞损伤,并验证了骨盆峰值力做为骨盆损伤评价指标的有效性^{[ 13]}。国内关于骨盆损伤的研究较多,但绝大多数集中于医学研究领域。汽车安全方面,吉林大学程秀生等利用多刚体动力学方法模拟骨盆侧面碰撞响应,并研究了车门侧壁不同吸能材料对骨盆损伤的影响^{[ 14, 15]};阮世捷等建立了中国女性骨盆有限元模型,并初步研究了皮质骨厚度对骨盆损伤的影响^{[ 16]}。在上述研究中,目标尺寸的骨盆模型多是根据特定样本尺寸模型经过几何缩放得到,存在一定的误差。同时,考虑到建模难度和计算时间,模型构建过程中多采用壳单元模拟皮质骨,传统壳单元由于剪切自锁等原因,在弯曲问题中准确性较差^{[ 17]},因而模型精度有待提高。

基于以上问题,本文直接根据50百分位中国男性的真实CT影像数据,构建了一个更加精细、仿生可靠性更高的骨盆三维有限元模型,充分结合准静态和动态冲击试验,分析了其在碰撞过程中的生物力学响应,并比较了皮质骨分别采用实体单元和壳单元模拟时模型的准确性,为汽车安全设计和骨盆损伤防护的研究提供了参考。

根据50百分位中国男性的身体尺寸标准(身高1678.0±59.93 mm,体重59.0±6.66 kg)^{[ 18]},选定一名30岁,身高1680 mm的男性志愿者,并对其进行螺旋CT扫描,获取骨盆部位的3D医学影像数据。考虑到人体骨盆几何结构的高度复杂性和非线性,设定CT扫描层厚为0.6 mm,以保证数据精度。然后利用医学影像技术,通过图像分割和阈值调整提取骨盆各组织的点云数据,并通过CAD逆向工程建立骨盆曲面几何模型。 图1为骨盆组织的点云数据提取过程。最后利用有限元前处理技术构建骨盆三维有限元模型, 图2为最终建立的完整骨盆模型。模型包括左右髋骨、骶骨、尾骨、左右骶髂关节及耻骨联合等精细组织。整个模型共有19 575个单元,24 676个节点,除髋臼处关节软骨采用壳单元模拟外,所有松质骨、皮质骨及其他软骨均采用八节点六面体单元模拟(后文以all-hex模型表示),其中皮质骨厚度为1.5 mm,由两层六面体单元构成。同时,本文将all-hex模型外层皮质骨改为壳单元,皮质骨厚度同样定义为1.5 mm,建立了皮质骨为壳单元、松质骨为六面体单元的骨盆模型(后文以hex-shell模型表示),以对二者的模拟精度进行比较。两种模型在同一个8CPU服务器上进行仿真计算。

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 骨盆组织点云提取Fig.1 Point cloud extraction of pelvic tissues

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 50百分位男性骨盆有限元模型Fig.2 FE model of 50th percentile male pelvis

模型的材料参数主要来源于文献[10,19],并经过一定的修正。其中皮质骨和松质骨均采用弹塑性材料模拟,软骨采用弹性材料模拟,主要的材料参数如 表1所示。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 骨盆模型各组织材料参数 Table 1 Material properties of the pelvic model 组织 材料类型 密度 ρ/(kg·m-3) 弹性模量 E/GPa 泊松比 μ 屈服应力 σy/GPa 失效应变 ε 皮质骨 弹塑性材料 2000 17.3 0.3 0.10 0.03 松质骨 弹塑性材料 1000 0.25 0.3 0.01 - 软骨 弹性材料 1000 0.20 0.4 - -

表1 骨盆模型各组织材料参数 Table 1 Material properties of the pelvic model

骨盆模型分别参照Guillemot等^{[ 8]}和Salzar等^{[ 20]}开展的尸体标本试验进行仿真对比,以充分验证其仿生可靠性。Guillemot等利用22组单独骨盆标本分别开展了准静态和动态载荷作用下的试验测试,研究了骨盆在两种加载条件下的力与变形响应及损伤。考虑其动态冲击试验数据有限,该方法主要用于模型的准静态特性验证。Salzar等利用单独骨盆标本研究了动态冲击下骨盆变形和前后力的传递关系,该方法主要用于模型的动态响应特性验证。本文中,all-hex模型和hex-shell模型均参照验证试验进行仿真,以对比两种模型的模拟精度。

2.1 基于Guillemot试验的仿真及模型分析

根据Guillemot试验条件进行模型仿真设置,如 图3所示,骨盆模型横向放置,作为 y轴,沿着左侧坐骨结节水平固定,右侧髋臼嵌有一个金属球。先后对右侧髂骨翼位置和髋臼处金属球以5 mm/min的恒定速度沿 y轴缓慢加载,载荷从0逐渐增大至500 N,然后再降到0。记录加载过程中耻骨联合上缘和前下髂骨脊沿 y轴方向的压缩变形。 图4为髂骨翼加载过程中前下髂骨脊沿 y轴位移的仿真及试验对比。

从 图4可以看出,随着载荷从0增大到500 N再降为0,all-hex模型和hex-shell模型前下髂骨脊沿 y轴的位移先逐步增加,而后逐步下降,总体变化趋势与试验曲线一致。但hex-shell模型前下髂骨翼位移的初始变化、峰值位置及最终变形均与试验存在差异。加载过程中,all-hex模型和hex-shell模型前下髂骨脊沿 y轴最大位移分别为3.90 mm和3.98 mm,试验最大位移为4.6 mm;耻骨联合上缘沿 y轴最大位移分别为0.52 mm和0.54 mm,试验最大位移为0.6 mm。仿真曲线位移大小均比试验曲线要小,原因是仿真模拟对象为50百分位中年男性,而试验样本多来源于老年人,二者在骨盆形状、骨质密度、样本性别等方面存在个体差异。

图3

Fig.3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 基于Guillemot试验的骨盆模型仿真设置Fig.3 Model setup simulating experiment by Guillemot experiment

图4

Fig.4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图4 髂骨翼加载前下髂骨脊沿 y轴位移曲线Fig.4 y-displacement curves of the anterior inferior iliac spine in iliac loading

图5为髋臼加载过程中耻骨联合上缘和前下髂骨脊沿 y轴位移的仿真及试验对比。可以看出,all-hex模型和hex-shell模型仿真曲线均与试验曲线比较接近,但all-hex模型仿真曲线与试验一致性更好。

图5

Fig.5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图5 髋臼加载耻骨联合上缘及前下髂骨脊沿 y轴位移曲线Fig.5 y-displacement curves of the superior edge of pubic symphysis and anterior inferior iliac spine in acetabulum loading

在上述仿真计算中,all-hex模型计算时间为9 h 25 min,hex-shell模型计算时间为7 h 54 min。综合 图4和 图5可以看出:all-hex模型和hex-shell模型仿真曲线与试验曲线基本一致,说明两种模型均可用于骨盆静力学响应和损伤模拟。但是,all-hex模型仿真曲线相对hex-shell模型更为接近试验曲线,说明皮质骨采用六面体单元模拟比壳单元具有更高的仿生可靠性。

2.2 基于Salzar试验的仿真验证及模型分析

Salzar等曾利用单独骨盆标本研究了动、静态载荷作用下骨盆的压缩变形和前、后端受力关系^{[ 20]}。在动态冲击试验中,骨盆样本横向放置,左侧髋骨从坐骨大切迹与小切迹之间断开,前、后端分别嵌入金属盒固定,以单独研究冲击载荷作用下前端(耻骨)和后端(骶骨)受力响应。Salzar等进行了两组动态冲击试验,将质量为76.6 kg的撞锤沿竖直方向分别撞击骨盆右侧髋臼位置和髂骨翼位置,平均撞击速度分别为2.8 m/s和1.9 m/s。两处撞击位置,髋臼中嵌有一个金属球,髂骨翼上方布置有一个带有衬垫的钢板,冲击载荷分别通过金属球和钢板传递给髋臼和髂骨翼。根据以上试验条件,骨盆模型的仿真设置如 图6所示。删除左侧髋骨大小切迹之间的网格单元,前后端施加固定约束。小球和钢板定义为刚体,衬垫定义为轻质泡沫材料。

图6

Fig.6

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图6 基于Salzar试验的骨盆模型仿真设置Fig.6 Model setup Simulating experiment by Salzar experiment

在髋臼位置动态冲击过程中,耻骨支发生了骨折, 图7(a)(b)分别为all-hex模型在髋臼和髂骨翼位置的冲击载荷下峰值时刻的应力及骨折分布。可见,在髋臼动态冲击试验中,6个骨盆样本有5个出现耻骨支骨折;在髂骨翼动态冲击过程中,先后出现骶髂关节错位和髂骨骨折,与试验结果一致。综上可知,all-hex模型能够准确地预测骨盆损伤。Miwako等通过对Salzar试验结果进行数据处理,得出两种冲击条件下骨盆动力学响应的范围和平均响应曲线^{[ 21]},模型仿真参照此结果进行对比验证。 图8为all-hex模型和hex-shell模型在两种冲击作用下前、后端力-变形响应的仿真及试验对比。

图7

Fig.7

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图7 All-hex模型髂骨翼冲击峰值时刻冯米斯应力及骨折分布(GPa)Fig.7 Von Mises stress and fracture distribution of all-hex model in acetabulum and iliac loading at peak time(GPa)

图8

Fig.8

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图8 髋臼和髂骨翼动态冲击下骨盆前、后端力-变形响应Fig.8 Force-deflection response for anterior and posterior reaction force in acetabulum and iliac loading

以上仿真计算中,all-hex模型和hex-shell模型计算时间相差不大。但从 图8可以看出,all-hex模型响应曲线处于试验响应范围内,能够有效地预测骨盆损伤。尤其髋臼动态冲击中骨盆前端的力-位移响应和髂骨翼动态冲击中骨盆后端的力-位移响应与试验平均响应曲线吻合较好。在髋臼和髂骨翼冲击载荷作用下,骨盆前端和后端分别为主要受力部位,说明all-hex模型具有较高的准确性。hex-shell模型响应曲线大体处于试验范围内,但与试验响应吻合程度不如all-hex模型,说明动态冲击载荷下all-hex模型相对hex-shell模型具有更高的仿生可靠性。

建立了一个基于50百分位中国男性CT影像的骨盆三维有限元模型,并通过试验验证了模型的仿生可靠性。同时,通过对比分析发现,骨盆模型皮质骨采用六面体单元模拟相对壳单元具有更高的准确性。阮世捷等曾建立中国50百分位女性骨盆的有限元模型,并用Guillemot尸体标本试验结果验证了模型的有效性^{[ 16]}。模型中松质骨采用六面体单元模拟,皮质骨采用壳单元模拟,皮质骨厚度为1.5 mm。与论文研究中的hex-shell模型相比,两者除了男性与女性骨盆几何尺寸和形状的固有差异外,在模型材料参数、边界条件以及基于Guillemot试验的仿真设置等方面完全相同。如 图9所示,将两者基于Guillemot试验的仿真结果进行对比。可以看出,男性和女性骨盆前下髂骨脊沿 y轴压缩变形量分别为3.98 mm和6.77 mm,女性骨盆压缩变形远大于男性,男性骨盆髂骨翼位置垂直刚度约为女性骨盆的1.7倍。另外,女性骨盆在卸载过程中压缩回弹量大于男性骨盆。

图9

Fig.9

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图9 男性和女性骨盆前下髂骨脊沿 y轴压缩变形量比较Fig.9 Comparison of the y-deflection of the anterior inferior iliac spine between male and female pelvis

图10为50百分位成年男性和女性骨盆的几何形状和外部尺寸对比,其中男性骨盆尺寸根据构建的模型测得,与已有研究结果一致^{[ 22]},女性骨盆来源于文献[23]。从图中可以看出,男性骨盆前后和左右宽度均小于女性骨盆、高度大于女性骨盆。从几何形状来讲,男性骨盆外形狭小而高,骨盆壁肥厚,上口呈心形,下口狭小,前后狭窄,骨盆腔窄而深,整体呈漏斗状,髂骨翼前突明显;女性骨盆外形宽大且矮,骨盆壁菲薄,上口呈椭圆形,下口宽大,前后宽阔,骨盆腔宽而浅,整体呈圆桶形,髂骨翼前突不明显。另外,男性骨盆耻骨联合狭长,耻骨下角为70°~75°;女性骨盆耻骨联合宽短而低,耻骨弓角度较大,为90°~100°^{[ 22]}。以上特点从一定程度上解释了男性骨盆的侧向刚度大于女性。综上所述,说明男女骨盆几何差异对其在碰撞条件下的抗变形能力具有影响。

图10

Fig.10

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图10 50百分位男性和女性骨盆几何形状和外部尺寸对比(mm)Fig.10 Comparison of the geometry and external dimensions between 50th percentile male and female pelvis(mm)

(1)建立了一个基于50百分位中国男性CT影像数据的骨盆三维有限元模型。模型根据皮质骨和松质骨不同的内部结构和材料特性进行分层建模,包含左右髋骨、骶骨、尾骨、髋关节、左右骶髂关节及耻骨联合等精细组织。该模型具有真实的人体解剖学结构和生物力学特性,能够用于汽车碰撞安全中骨盆损伤的研究,从而进一步改进乘员损伤防护装置,提高汽车安全设计的水平。

(2)通过不同试验工况的仿真对比,表明骨盆模型中皮质骨无论采用六面体单元模拟,还是采用壳单元模拟,均能有效地预测骨盆的碰撞生物力学响应和损伤。但是,皮质骨采用六面体单元模拟时,相对于壳单元,模型计算时间增加有限,而模拟精度更高。这一结果对于工程设计当中如何提高有限元数值建模的精度具有一定的指导意义。

(3)通过同等条件下男女骨盆力学响应的对比分析,发现男性和女性骨盆之间由于几何形状以及外部尺寸的差异,导致两者在碰撞过程中抵抗变形的能力不同。因此,在涉及人体防护的安全机构设计中应根据男性和女性的损伤耐受能力进行不同的设计。