准静态和动态载荷下的人体胸部响应有限元分析

刖 舌
工作 Ｊ 。文献 ［ ３］ 中 开发 了 一个 ５ ０百 分 位 的男 性
成人坐姿有限元模型 ， 用 以预测和分析人 体在正面
在车 辆交 通事 故 中经常 发生 人体 胸 部 损伤 。据 和侧 面 碰撞 中 的动态 响应 。文 ห้องสมุดไป่ตู้ ［ ４］ 中用 胸 部 有 限 元模 型 替代 了混 ３假 人 有 限元 模 型 的胸 部 结 构 ， 来
第７ 块肋骨进行 了一个 系列 的三点弯 曲实验 ， 包 括 准静 态 和动态 加 载 实 验 ， 来 研 究 加 载 力 和肋 骨 变形
之 问 的关 系 。
该 实验 配 置如 图 ４所 示 ， 肋 骨试 件 被 放 置 在 实
验 台的支撑点上 ， 两支撑点之 间间距为 ０ ． １ ｍ， 冲击
列实验 的仿真 。结果表 明 ， 该胸部有 限元模 型可有效 地用 于车辆碰撞 中的人体胸部损伤生物力学研究 。
关 键词 ： 人体 胸 部 ； 肋 骨 骨折 ； 有 限元模 型 ； 碰 撞
Ｆｉ ｎ ｉ ｔ ｅ Ｅｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｎ Ｈｕ ｍａ ｎ Ｔｈ ｏ ｒ ａ ｘ Ｒｅ ｓ ｐ ｏ ｎ ｓ ｅ ｓ
Ｏ ． ２ ５
．
Ｏ ． ｏ ５ ４
０ ． ４ ０ ０ ． ２ ５ ［ ６］
的肋骨结构对该实验进行 了有限元模拟分析。将对 应 位置 的肋 骨前 后 端分别 通过 在载 荷 平 面 内可 自由
转动 的有 限元 球 铰连 接 到 支 撑块 上 ， 来 模 拟 实 验 过 程 中的肋 骨标本 固定 方式 ， 后端 固定 ， 将 前 面所 述 的 各个速 度分 别 加 载 到肋 骨 前 端 的 支 撑块 上 ， 输 出 后 端 铰链 力在 加载 过程 中随 时 间的变化 历程 。
［ 摘要 ］ 根据前人文献 中的生 物材 料参 数 ， 建 立 了一个基 于人体胸 部解 剖学结构 的有 限元模 型 ， 并利 用该模
型， 对 前人的实验进行仿真 ， 包括对 Ｋ ａ ｌ ｌ ｉ ｅ ｒ ｉ ｓ的肋骨三点弯 曲实验 ， Ｌ ｉ Ｚ ｕ ｏ ｐ ｉ ｎ ｇ的肋骨结构实验和 Ｐ ａ ｔ ｉ ｒ ｃ ｋ 低 速碰 撞系
２ ０ １ ４ （ Ｖ ｏ １ ． ３ ６ ） Ｎ ｏ ． ２
王方 ， 等： 准 静态 和动态载荷下的人体胸部响应有限元分析
・１ ９ １・
表 ２ 胸 部 模型 软 组织结 构材 料参 数
组织 材料 模型 剪切模量／ ＭＰ ａ 密度／ 弹性体积 衰变 参考 （ ｋ ｇ ／ ｍ ） 模量／ ＭＰ ａ 短效剪 长效剪 常数 文献 切模量 切模 量 ８ ． ３ ０ ． ０ ０ ３ ８ ４ Ｏ ． ０ ｏ １ ０ ． ２ ５
器 以一 定 的速 度 对试 件 中 问位 置 施 加 载 荷 ， 直 到试 件 断裂 失 效 ， 加 载速 度 分 为 准 静 态 （ ０ ． ０ ２ ｍ ／ ｓ ） 和 动
态（ ２ ｍ ／ ｓ 和４ ｒ ｎ ／ ｓ ） 。
图 ５ 肋 骨结构实验示 意图
１ ． ４ 胸 部模 型碰 撞模 拟
中的胸部损伤风险非 常重要 。迄今 ， 国内外学者 已
个较为完整的男性人体有 限元模型 ， 来模拟正 面碰 撞、 侧面碰撞和安全带约束载荷 中的人体胸部动态 响应 ， 并对损伤进行详细 的分析和评估 。 从２ ０世纪 ９ ０年代末期 开始 ， 欧盟资 助进行 了
通过使用生物材料 、 机械假人和数学模型等方法 ， 对
［ Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ］ Ａ ｃ ｃ ｏ ｒ ｄ ｉ ｎ ｇ ｔ ｏ ｔ ｈ ｅ ｂ ｉ ｏ ｌ ｏ ｇ ｉ ｃ ａ ｌ ｍ ａ ｔ ｅ ｉ ｒ ａ ｌ ｐ ｒ ｏ ｐ ｅ ｒ ｔ ｉ ｅ ｓ ｕ ｓ ｅ ｄ ｉ ｎ ｐ ｒ ｅ ｄ ｅ ｃ ｅ ｓ ｓ ｏ ｒ ｓ ’ ｌ ｉ ｔ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ， ａ Ｆ Ｅ ｔ ｈ ｏ ｒ ａ ｘ ｍｏ ｄ —
进行离位乘员在气囊起爆过程中的胸部损伤分析和
研究 。文献 ［ ５ ］ 中建 立 了一 个 胸 部 有 限 元 模 型 ， 旨
在分析和确定最有可能引发人体心脏大动脉破裂的
胸部 载荷模 式 ， 该 模 型是 在 之 前 文 献 ［ ６ ］ 中所 建 立
的胸 部模 型基 础上 改 进 而来 。文 献 ［ ７ ］ 中建 立 了一
ｖ ｅ ｈ ｉ ｃ ｌ ｅ ｃ ｏ ｌ ｌ ｉ ｓ ｉ ｏ ｎ ｓ ． Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ：ｈｕ ｍａ ｎ ｔ ｈｏ ｒ ａ ｘ；ｒ ｉ ｂ ｆ ｒ ａ ｃ ｔ ｕｒ ｅ；ＦＥ ｍｏ ｄｅ ｌ ；ｉ ｍｐ ａ ｃ ｔ
侧 面碰 撞 中的动 态 响应 和损 伤机 理 做 了大量 的研究
ｉ ｎ ｄ ｉ ｃ ａ ｔ ｅ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｔ ｈ ｏ ｒ ａ ｘ Ｆ Ｅ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｃ ａ ｎ ｂ ｅ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｌ ｙ ｕ ｓ ｅ ｄ ｏｒ ｆ ｂ ｉ ｏ ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ｌ ａ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｅ ｓ ｏ ｎ ｈ ｕ ｍａ ｎ ｔ ｈ ｏ ｒ ａ ｘ ｉ ｎ ｊ ｕ ｒ ｉ ｅ ｓ ｉ ｎ
在人体胸部损伤生物力学研究 中， 曾经有许多 研究人员做过大量的人体胸部碰撞块实验。有研究 人员通过分析认为 ， 从评估胸部刚度特性来说 ， 碰撞 块实验要比台车实验更合适 。文献 ［ ２ ４ ］ 和文献 ［ ２ ５ ］ 中在 美 国通 用 汽 车公 司进 行 了一 系列 共 计 ３ ０ 多个胸部摆锤冲击实验 ， 实验 中人体尸体标本按 照
０ ． ５ ｍ ／ ｓ ） ， 实验 配置 如 图 ５所示 。本 文 中利用 模 型 中
心脏 黏弹性材料 １ ０ ｏ ０
肺 黏 弹 性 材 料 １ ０ ｏ Ｏ ３ ． ３ ３ ３ ０ ． ０ ０ ７ １ ５ ０ ． ０ ０ ４ １ ５ ０ ． ２ ５
脾 黏弹性材料 ｌ ｏ ０ Ｏ
ｅ ｌ ｉ ｓ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｅ ｄ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｈ ｕ ｍａ ｎ ａ ｎ ａ ｔ ｏ ｍｉ ｃ ｌ ａ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｓ ．Ｗｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ａ ｓ ｅ ｉｅ ｒ ｓ ｏ ｆ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｏ ｎ ｐ ｒ ｅ ｄ ｅ ｃ ｅ ｓ ｓ ｏ ｒ ｓ ’ ｅ ｘ － ｐ ｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ａ ｒ ｅ ｃ ｏ ｎ ｄ ｕ ｃ ｔ ｅ ｄ，ｉ ｎ ｃ ｌ ｕ ｄ ｉ ｎ ｇ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ Ｏ ｆ ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ — ｐ ｏ ｉ ｎ ｔ ｂ ｅ ｎ ｄ ｉ ｎ ｇ ｔ ｅ ｓ ｔ ｆ ｏ ｒ ｉｂ ｒ ｓ ｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍｅ ｄ ｂ ｙ Ｋａ ｌ ｌ ｉ ｅ ｒ ｉ ｓ ，ｔ ｈ ｅ ｉｂ ｒ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｌ ａ ｅ ｘ ｐ ｅ ｉ ｒ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ｃ ｏ ｎ ｄ ｕ ｃ ｔ ｅ ｄ ｂ ｙ Ｚ ｕ ｏ ｐ ｉ ｎ ｇ Ｌ ｉ ，ａ ｎ ｄ Ｐ ａ ｔ ｉ ｒ ｃ ｋ ’ Ｓ ｓ ｅ ｉｅ ｒ ｓ ｅ ｘ ｐ ｅ ｉ ｒ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ｏ ｆ ｌ ｏ ｗ— ｓ ｐ ｅ ｅ ｄ ｉ ｍｐ ａ ｃ ｔ ．Ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ
人体动态响应和损伤机理等进行了广泛的研究。而
近年来 ， 人们采用人体有 限元模型对胸部在正面或
国家 ８ ６ ３ 计划项 目（ ２ ０ ０ ６ Ａ Ａ １ １ ０ １ ０ １ ） 和湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室 自 主研究课题 （ ６ １ ０ ７ ５ ０ ０ ４ ） 资助。 原 稿收到 日 期为 ２ ０ １ ２ 年３ 月 ７日， 修改稿收到 日 期为 ２ ０ １ ２ 年５ 月２ ４日。
究肋骨在受到类似汽车正面碰撞中前后方向载荷 时 的 响应 。选取 尸体 标 本 上 的第 ２ 、 ４ 、 １ ０节 肋 骨 分 别
进行 准 静 态 （ ０ ． ０ ０ ２ ｍ ／ ｓ ） 和动 态 加 载实 验 （ 右边 第 ２
节Ｒ ２速度 １ ｍ ／ ｓ ， 左边第 ４和 １ ０节 Ｌ ４ 和Ｌ １ ０速度
汽
车
工
程
２ ０ １ ４年 （ 第３ ６卷 ） 第 ２期
Ａｕ ｔ ｏ ｍｏ ｔ ｉ ｖ ｅ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ
２ ０１ ４ ０ ３ ７
准静态和动态载荷下 的人体胸部 响应有 限元分析 术
王 方 ， 杨济 匡 ， 李桂兵
（ １ ．湖南大学， 汽车车 身先进设计制造 国家重点 实验室 ， 长沙 ４ １ ０ ０ ８ ２ ；２ ．查 尔 摩 斯理工大学应 用力学系， 瑞典哥德堡 ４ １ ２ ９ ６ ）
Ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ Ｑ ｕ ａ ｓ ｉ － ｓ ｔ ａ ｔ ｉ ｃ ａ ｎ ｄ Ｄ ｙ ｎ ａ ｍ ｉ ｃ Ｌ ｏ ａ ｄ ｉ ｎ ｇ
Ｗａ ｎ ｇ Ｆ ａ ｎ ｇ ．Ｙａ ｎ ｇ Ｊ ｉ ｋ ｕ ａ ｎ ｇ ’ ＆ Ｌ ｉ Ｇｕ ｉ ｂ ｉ ｎ ｇ
１ ． Ｈｕ ｎ ａ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ，Ｓ ｔ ａ ｔ ｅ Ｋ ｅ ｙ Ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｙ ｏ ｆＡ ｄ ｖ ａ ｎ ｃ ｅ ｄ Ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｎ ｄ Ｍａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｉ ｎ ｇｆ ｏ ｒ Ｖ ｅ ｈ ｉ ｃ ｌ ｅ舶 ，Ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｓ ｈ ａ ４ １ ０ ０ ８ ２ ； ２ ． Ｄ ｅ ｐ ａ ｒ ｔ ｍｅ ｎ ｔ ｏ ｆＡ ｐ ｐ ｌ ｉ ｅ ｄ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ｓ ，Ｃ ｈ ａ ｌ ｅｒ ｍ ｓ Ｕ ｎ ｉ ｅｒ ｖ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆＴ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ，Ｇ ｏ ｔ ｈ ｅ ｎ ｂ ｕ ｒ ｇ ４ １ ２ ９ ６ ， Ｓ ｗ ｅ ｄ ｅ ｎ
肠道 黏弹性材料 １ Ｏ ０ ０ ０ ． ０ ２ ５
多位 学者 采用 不 同 的人 体 尸体肋 骨 标本 进 行 了一 系 列 的相关 实验 研 究 卜 。在 这些 实验 中 ， 人 们 都 将
丁
恒 定速 度 加 载
研究焦点集中在肋骨的三点弯曲特性上。
文献 ［ １ ４ ］ 中从人体尸体上选取 了若干节第 ６和
坐姿 被放 置在 刚性 的平板 上 ， 采取 某 些 措 施 对 标 本
文献记载 ， 人体胸部损伤在所有汽车碰撞 导致 的乘 员致命伤害和严重伤害 中位居第二 】 ； 而行人 碰撞 事故数据也表明 ， 在行人碰撞事故 中， 人体胸部和上 肢 的 伤害 常有 发生 ， 尤： 其是其 与 ＭＰ Ｖ和小 型客 车 的
碰撞 中胸部 损 伤 的 风 险更 高 。 因此 ， 更 好 地 了解 人 体胸 部 损伤 机 理 ， 从 而尽 可 能地 降 低 车 辆 碰 撞 事 故
肝脏 黏弹性材料 １ Ｏ ｏ ０ ０
［ ７］ １ ６ ６ Ｏ ． Ｏ ４ ５ ０ ． ０ ３ ６ Ｏ ． ２ ５ ［ ８ ］
肾脏 黏弹性材料 １ ｏ ｏ Ｏ ０ ． １ ６ ６ Ｏ ． Ｏ ４ ５ ０ ． ０ ３ ６ Ｏ ． ２ ５ ［ １ ７］ 胃 黏弹性材料 １ Ｏ ｏ ｏ Ｏ ． ２ ５ ０ ． ０ ５ ４ ０ ． ０ ４ Ｏ ． ２ ５ ０ ． ０ ３ ６ ０ ． ０ ２ ７ Ｏ ． ２ ５