郭世永，尹 菲，劉志紅

（1.青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東青島 266520；2.濱州醫(yī)學(xué)院康復(fù)工程研究院，山東青島 266520）

1 引言

隨著中國汽車保有量的不斷增加，交通事故日益頻發(fā)。道路交通事故已經(jīng)成為我國社會公共安全與健康的一個重大威脅。在一系列道路交通事故中，文獻(xiàn)[1]分析了中國道路交通事故中駕駛員的各個部位損傷情況。在道路交通事故中，胸腹部的傷損占比較高，且在致命傷中占最高比例。而胸腹部損傷中，肺部損傷是最常見也是致死率最高的損傷類型之一[2]。道路交通事故中車輛撞擊道路護(hù)欄，護(hù)欄變形成為薄壁長桿貫穿乘員胸部的例子屢見不鮮。由于目前國內(nèi)學(xué)者對于長管類物體貫穿人體器官的研究幾乎沒有，因此開展薄壁長桿撞擊駕駛員胸腔肺部的生物力學(xué)研究對于改善汽車被動安全性能、減少交通事故中人員的傷亡有重要參考意義。

2 國內(nèi)外現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外對于汽車與護(hù)欄碰撞領(lǐng)域的研究大多僅限于護(hù)欄對汽車的碰撞破壞研究，而對于汽車內(nèi)部駕駛員的人體損傷研究較少。國內(nèi)大部分學(xué)者主要研究方向是關(guān)于鈍性器物撞擊人體后的生物力學(xué)損傷研究。文獻(xiàn)開展了碰撞對人體器官的研究。研究發(fā)現(xiàn)了在不同角度與不同速度下，鈍性物體撞擊人體腹部后肝臟的生物力學(xué)響應(yīng)情況，對于在真實(shí)情況下方向盤等鈍性物體撞擊駕駛員后的損傷情況具有很高的實(shí)際指導(dǎo)價值。文獻(xiàn)[3]通過類比子彈侵徹效應(yīng)研究了薄壁長桿貫穿胸腔的損傷機(jī)理，分析出駕駛員胸腔的實(shí)際受傷情況與薄壁長桿的速度，質(zhì)量以及穩(wěn)定性有著直接的聯(lián)系。

此研究開辟了人體安全研究領(lǐng)域的新道路。但是該項(xiàng)研究模型局限性較大，實(shí)驗(yàn)組次較少，未能區(qū)分胸腔骨骼的皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨，并且缺乏胸腔內(nèi)部組織器官，得出的結(jié)論不夠嚴(yán)謹(jǐn)。而由于胸腔內(nèi)部組織器官會對薄壁長桿的穿透產(chǎn)生阻力，影響其運(yùn)動軌跡。因此缺乏一定的準(zhǔn)確性。因此，如果能將長管類物體侵徹與人體器官碰撞研究聯(lián)系起來，此項(xiàng)研究會更加真實(shí)地模擬交通事故中護(hù)欄貫穿人體的案例，對于未來醫(yī)護(hù)人員評估此類事故的嚴(yán)重情況起到一定參考作用，并且能有效指導(dǎo)車企對于汽車安全結(jié)構(gòu)的修改與完善，促進(jìn)人機(jī)工程的進(jìn)一步發(fā)展。

在真實(shí)交通事故中，交通護(hù)欄在撞擊汽車引擎?zhèn)}或前擋風(fēng)玻璃后產(chǎn)生變形，形成薄壁長桿。隨后薄壁長桿對駕駛員胸部發(fā)生撞擊與侵徹，造成胸腔肺部嚴(yán)重?fù)p傷，如圖1所示。

圖1 交通事故Fig.1 Traffic Accident

肺是人體的呼吸器官，也是人體重要的造血器官，位于胸腔，左右各一，覆蓋于心臟之上[4]，如圖2所示。左肺由斜裂分為上、下兩個肺葉，右肺除斜裂外，還有一水平裂將其分為上、中、下三個肺葉。肺是以支氣管反復(fù)分支形成的支氣管樹為基礎(chǔ)構(gòu)成的。在受到薄壁長桿撞擊時長桿首先碰撞到胸腔骨架，受到撞擊的骨頭擠壓肺部器官，隨后骨頭斷裂與長桿一起侵入肺部，巨大的沖擊力使得肺部組織嚴(yán)重撕裂，造成肺部損傷。同時整個胸廓被薄壁長桿撞擊發(fā)生位移，對肺部造成進(jìn)一步損傷。嚴(yán)重時會引起氣管破損甚至大出血，造成駕駛員失血過多或呼氣困難最后死亡。針對以上肺部損傷的特點(diǎn)，肺部損傷生物力學(xué)的研究重點(diǎn)是建立人體胸腔模型并針對肺部分析器官層面力學(xué)響應(yīng)與薄壁長桿撞擊時的速度、角度等各個參數(shù)的影響。

圖2 肺部結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of Lung

目前研究薄壁長桿撞擊駕駛員肺部的生物力學(xué)損傷研究主要有尸體實(shí)驗(yàn)法PMHS（Post Mortem Human Subject）、離體器官實(shí)驗(yàn)法、假人實(shí)驗(yàn)法和數(shù)學(xué)模型方法。尸體實(shí)驗(yàn)法（PMHS）可以最真實(shí)地還原胸腔肺部被薄壁長桿撞擊時的生物力學(xué)響應(yīng)，提供諸如肺部變形量、肺部損傷情況等一系列極具價值的響應(yīng)數(shù)據(jù)。但是因?yàn)槭w樣本不可重復(fù)、樣本與樣本之間差異巨大、缺乏活人體內(nèi)應(yīng)有的臟器活動和樣本老齡化等問題，目前人機(jī)安全界已經(jīng)很少開展。離體器官法將器官剝離身體，單獨(dú)對其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以得到詳細(xì)的器官生物力學(xué)數(shù)據(jù)，如器官的接觸力、變形量等。但是因?yàn)槠鞴匐x體后缺少其他組織的約束，此法得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不能準(zhǔn)確模擬人體碰撞時真實(shí)的受損環(huán)境。假人實(shí)驗(yàn)法相對準(zhǔn)確可靠，但是一般用于鈍性碰撞。進(jìn)行侵徹實(shí)驗(yàn)時需要將假人侵徹，由于假人成本高昂，不利于多組撞擊實(shí)驗(yàn)。而數(shù)字模型方法則是目前主流的人體安全實(shí)驗(yàn)法，利用建模軟件建立精確的解剖結(jié)構(gòu)人體模型，設(shè)置薄壁長桿侵撞擊人體胸腔時的約束以及模型材料參數(shù)，仿真后可以得到較為準(zhǔn)確的人體胸腔肺部生物力學(xué)響應(yīng)數(shù)據(jù)。

3 人體胸腔模型與薄壁長桿的建立

人體胸腔模型由中國第五十百分位男性的身體數(shù)據(jù)建立[5]。模型包括脊椎、肋骨、肋軟骨、胸骨和肺部器官。首先使用mim‐ics 19.0（Materialisc Inc.，Leuven，Belgium）分別對人體胸腔骨架和肺部器官提取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，得到人體胸腔模型點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖3所示。隨后將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件Geomagic Studio 2013中構(gòu)建幾何模型并生成實(shí)體模型。由于胸腔模型是在同一CT中提取并被建成，所有點(diǎn)云模型使用同一坐標(biāo)系，所以肺部器官與整個胸腔的相對位置沒有發(fā)生改變，與體內(nèi)實(shí)際位置相符，是準(zhǔn)確的解剖學(xué)位置。

圖3 胸腔骨架的CT提取Fig.3 CT Extraction of Thoracic Skeleton

人體中肋骨和胸骨均是由皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨組成。脊椎由椎骨和椎間盤組成。由于本文主要研究肺部生物力學(xué)響應(yīng)，因此這里將脊椎簡化，椎骨和椎間盤成為一個整體并光滑表面。人體胸腔模型中所有皮質(zhì)骨均使用殼單元模擬，厚度為0.8mm；脊椎、肋軟骨、肺部和所有松質(zhì)骨均使用六面體實(shí)體單元進(jìn)行模擬。薄壁長桿采用殼單元模擬，厚度5mm，長度為1000mm，橫截面為（40×40）mm。利用仿真前處理軟件Hypermesh進(jìn)行模型的網(wǎng)格劃分，如圖4所示。該薄壁長桿撞擊胸腔模型共包括188116個節(jié)點(diǎn)，208486個單元。參考人體解剖學(xué)，皮質(zhì)骨與松質(zhì)骨、胸骨與肋軟骨、肋軟骨與肋骨之間的連接方式，采用共節(jié)點(diǎn)方式連接模擬，肋骨與脊椎之間則采用剛性連接模擬。約束肋骨后端與脊椎相連接的節(jié)點(diǎn)x，y，z移動自由度和x，z軸旋轉(zhuǎn)自由度，僅保留y軸肋骨與椎骨之間旋轉(zhuǎn)自由度[18]。薄壁長桿與胸部的接觸采用面面接觸，胸部自身模型接觸采用單面接觸，靜摩擦系數(shù)和動摩擦系數(shù)均設(shè)定為0.2。

圖4 仿真模型Fig.4 Simulation Model

人體胸腔模型的材料屬性參考文獻(xiàn)[6?14]等進(jìn)行的胸部撞擊實(shí)驗(yàn)中所用到的材料數(shù)值。具體材料與屬性，如表1～表3所示。

表1 胸腔骨架模型材料參數(shù)Tab.1 Material Parameter of Thoracic Skeleton

表2 肺部器官的材料參數(shù)Tab.2 Material Parameter of Lung Model

表3 薄壁長桿的材料參數(shù)Tab.3 Material Parameter of Guardrail

4 模型可靠性驗(yàn)證

根據(jù)Kroell在通用汽車上的胸部碰撞試驗(yàn)，進(jìn)行了有限元仿真，驗(yàn)證了模型的可靠性。碰撞塊的中心位于人體胸骨的中間，碰撞塊的端面直徑為0.152m、質(zhì)量為23kg、速度為6.93m/s。根據(jù)這些數(shù)據(jù)對模型胸部碰撞塊進(jìn)行了碰撞仿真，得到了上述條件下時間和胸部變形的響應(yīng)曲線，如圖5、圖6所示。從圖6可以看出，這里的胸部位移和時間曲線與實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致，可以證實(shí)該模型是可靠的。

圖5 仿真模型Fig.5 Reliability Verification

圖6 胸腔變形量與時間曲線Fig.6 Curve of Displacement of Thorax and Time

5 碰撞仿真條件設(shè)置

這里借鑒了文獻(xiàn)[15]研究鈍性碰撞肝臟時的思路，參考文獻(xiàn)[16]等進(jìn)行的胸部正面擺錘撞擊尸體實(shí)驗(yàn)和文獻(xiàn)[17?19]開展的胸部正面擺錘撞擊實(shí)驗(yàn)，分別用薄壁長桿進(jìn)行了正面、左斜側(cè)、右斜側(cè)方向上低速（3.8～4.0）m/s、中速（5.2～5.5）m/s、高速（6.7～7.33）m/s等共9組仿真計(jì)算。其中正面碰撞時薄壁長桿中心對準(zhǔn)胸骨劍突位置；斜側(cè)碰撞時將薄壁長桿繞經(jīng)過人體重心的縱軸線各旋轉(zhuǎn)60°作為斜側(cè)碰撞的方向，以此保證仿真對象不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，提高仿真的準(zhǔn)確性。具體碰撞仿真示意圖，如圖7所示。具體仿真結(jié)果如表4所示。

圖7 碰撞仿真圖Fig.7 Collision Simulation Diagram

表4 仿真結(jié)果Tab.4 Material Parameter of Guardrail

6 肺部生物力學(xué)響應(yīng)分析

6.1 肺部損傷機(jī)制分析

在速度為3.9m/s 的正面碰撞中，薄壁長桿首先碰撞胸骨劍突，胸骨連接肋軟骨和肋骨，胸骨的位移帶動肋軟骨和肋骨一起向肺部擠壓，此時整個胸廓發(fā)生劇烈形變。

隨后胸骨、肋軟骨和肋骨前段撞擊肺部，導(dǎo)致左右兩肺內(nèi)側(cè)面不斷向內(nèi)擠壓，產(chǎn)生變形。隨著變形量的不斷增加，整個肺部開始逐漸相對于脊柱向后位移，胸廓也開始向后朝肺部肋面壓迫，整個肺部被壓向脊柱位移，造成肺部肋面的小部分變形，如圖8所示。

圖8 正面碰撞下模型位移云圖Fig.8 Cloud Chart of Model Displacement Under Frontal Impact

在速度為5m/s的左斜側(cè)碰撞中，薄壁長桿首先碰撞到左側(cè)第4肋骨，左側(cè)第4肋骨在撞擊下逐漸發(fā)生彎曲并不斷擠壓左肺上葉正面中部。整個胸廓因?yàn)樽髠?cè)第4肋骨的變形而發(fā)生向右后方的位移。隨著肋骨的不斷彎曲與擠壓，左肺上葉表面承受不住壓力而被撕裂，左肺因此破損。當(dāng)左側(cè)第4肋骨彎曲到它的屈服極限時，肋骨發(fā)生斷裂。此后薄壁長桿繼續(xù)撞擊，侵徹了左肺上葉。而左側(cè)第4肋骨也因?yàn)楸”陂L桿的壓迫與慣性繼續(xù)向左肺上葉內(nèi)侵徹。與此同時左肺被薄壁長桿和左側(cè)第4肋骨強(qiáng)大的貫穿力牽扯而發(fā)生褶皺，向右肺內(nèi)側(cè)面壓迫，造成右肺上葉與中葉的變形。至此，薄壁長桿與斷裂的左側(cè)第4肋骨完全侵入了左肺上葉，如圖9所示。

圖9 左斜側(cè)碰撞下模型位移云圖Fig.9 Cloud Chart of Model Displacement Under Left Oblique Side Impact

在速度為7m/s的右斜側(cè)碰撞中，薄壁長桿首先碰撞到右側(cè)第4肋骨，右側(cè)第4肋骨在撞擊下迅速發(fā)生彎曲并擠壓右肺上葉和中葉正面中部。整個胸廓因?yàn)橛覀?cè)第4肋骨的劇烈變形而發(fā)生向左后方的位移。由于薄壁長桿速度太快，薄壁長桿的撞擊力太強(qiáng)，右肺上葉和中葉表面被右側(cè)第4肋骨強(qiáng)大的剪切力瞬間切破，右肺因此破損。當(dāng)右側(cè)第4肋骨彎曲到它的屈服極限時，肋骨發(fā)生斷裂，并且斷成三段。

此后薄壁長桿繼續(xù)侵徹，長桿與斷裂的肋骨貫穿了右肺上葉與中葉的相交處。與此同時右肺被薄壁長桿和右側(cè)第4肋骨牽扯向左肺內(nèi)側(cè)面壓迫，造成左肺上葉的變形。至此，薄壁長桿與斷裂的右側(cè)第4肋骨完全侵入了右肺上葉，如圖10所示。

圖10 右斜側(cè)碰撞下模型位移云圖Fig.10 Cloud Chart of Model Displacement Under Right Oblique Side Impact

6.2 肺部力學(xué)響應(yīng)分析

通過不同碰撞角度和速度條件下肺部的變形情況，可以發(fā)現(xiàn)肺部的變形主要分為局部變形和整體變形，它們主要集中在劍突相對于兩肺內(nèi)側(cè)面擠壓的位置和肋骨相對肺部肋面擠壓的位置，因此將這三個位置分別標(biāo)上序號，如圖11所示。

圖11 肺部損傷高風(fēng)險位置Fig.11 High Risk Position of Lung Injury

對于九組仿真的結(jié)果進(jìn)行分析，得出肺部（1～4）位置在不同條件仿真下的壓力與時間曲線，如圖12所示。

模型在薄壁長桿正面碰撞情況下，兩肺在大小、結(jié)構(gòu)和位置上幾乎對稱，因此1、4號位置壓力曲線近似，2、3號位置壓力曲線近似，應(yīng)力主要集中分布在2、3號位置，即兩肺內(nèi)側(cè)面相對劍突擠壓的位置，如圖12所示。由于兩肺內(nèi)側(cè)面前端最先接觸到被薄壁長桿撞擊過來的胸骨，因此其壓力值最大。隨著速度的增大，壓力峰值達(dá)到250kPa以上。

圖12 肺部各位置壓力響應(yīng)及峰值分布Fig.12 Pressure Response and Eak Value Distribution of 4 Locations on Lung

而肺部組織較軟，兩肺的肋面受到擠壓力度小，但隨著整個胸廓的變形，胸廓前端后移，壓迫兩肺肋面，肋面所受壓力逐漸增大，但不超過150kPa。

模型在薄壁長桿左側(cè)碰撞情況下，應(yīng)力主要集中分布在1位置，即左肺肋面與左側(cè)第4肋骨相對擠壓的位置，如圖12（d）～圖12（f）所示。

薄壁長桿撞擊在左側(cè)第四肋骨上，肋骨隨后擠壓左肺肋面，肋面壓力急劇增加。隨著速度的增加，肋面壓力增大將近300kPa。

肋骨侵入左肺肋面過程中整個胸廓向右后方位移，壓迫左肺內(nèi)側(cè)面。

此時左肺內(nèi)側(cè)面前端產(chǎn)生褶皺，并觸碰到右肺內(nèi)側(cè)面，右肺內(nèi)側(cè)面受到擠壓輕微變形，右肺肋面也因此受到細(xì)微壓力波及，因此最先受到擠壓的位置所受壓力最大。

模型在薄壁長安右側(cè)碰撞情況下的右肺肋面壓力產(chǎn)生與增加方式同左側(cè)碰撞下的情況基本相似，這里不多做說明。

分析各個位置在不同條件下的壓力峰值，得到圖12（j）～圖12（l）。

從圖中可以看出正面碰撞下2和3號位置、左側(cè)碰撞下1號位置以及右側(cè)碰撞下4號位置是肺部受到撞擊時最易發(fā)生損傷的部位。

而隨著速度的增加，各位置峰值隨之增大，峰值差異逐漸減小。因此，若薄壁長桿的碰撞速度足夠大，推測各位置的峰值可能達(dá)到一個臨界點(diǎn)，趨于一個極值。

7 結(jié)論

（1）分析了薄壁長桿貫穿胸腔時的肺部損傷機(jī)制。通過九組仿真可以得出不同碰撞方向和不同速度下薄壁長桿對肺部造成損傷的部位和嚴(yán)重情況各不相同。但主要都是通過薄壁長桿對胸骨或者肋骨的猛烈撞擊，造成胸骨或肋骨對兩肺內(nèi)側(cè)面和肋面的擠壓，與此同時整個胸廓跟隨薄壁長桿的貫穿發(fā)生位置偏移，在偏移的過程中壓迫肺部肋面造成輕微的變形。正面碰撞下肺部應(yīng)力主要集中在兩肺內(nèi)側(cè)面處，劍突對內(nèi)側(cè)面擠壓造成的壓力與位移最為明顯，伴隨胸廓位移對肋面的輕微壓迫；左側(cè)碰撞下肺部應(yīng)力主要集中在左肺第4肋骨相對左肺肋面擠壓處，伴隨左肺發(fā)生褶皺擠壓右肺以及胸廓位移對肋面的輕微壓迫；右側(cè)碰撞下肺部應(yīng)力主要集中在右側(cè)第4肋骨相對右肺肋面擠壓處，伴隨右肺發(fā)生褶皺擠壓左肺以及胸廓位移對肋面的輕微壓迫。

（2）分析了薄壁長桿侵徹胸腔時肺部的力學(xué)響應(yīng)特性，為以后醫(yī)護(hù)人員救治傷員以及車企對汽車的安全結(jié)構(gòu)的完善起到一定指導(dǎo)作用。

（3）推測在速度足夠大的情況下，薄壁長桿對肺部造成的壓力可能趨于一個極值。

（4）這里中的模型結(jié)構(gòu)還是不夠復(fù)雜，省去了許多依附于胸腔骨架和肺部之間的器官與組織，仿真結(jié)果與實(shí)際情況可能不符。另外，本次仿真的沙漏時間過短，只了解了一小部分薄壁長桿撞擊人體肺部的損傷情況，未能獲悉薄壁長桿穿透整個胸腔模型后的情況，實(shí)屬遺憾，未來將逐步完善。

（5）為進(jìn)一步了解薄壁長桿撞擊人體后的力學(xué)特性，未來作者將探究薄壁長桿本身的屬性差異以及人體骨骼的差異化在碰撞過程中的影響，為以后護(hù)欄的相關(guān)改進(jìn)奠定基礎(chǔ)。