薄壁長(zhǎng)桿撞擊駕駛員胸腔時(shí)肺部生物力學(xué)響應(yīng)

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(guó)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(guó)社會(huì)公共安全與健康的一個(gè)重大威脅。在一系列道路交通事故中，文獻(xiàn)[1]分析了中國(guó)道路交通事故中駕駛員的各個(gè)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(jiàn)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(zhǎng)桿貫穿乘員胸部的例子屢見(jiàn)不鮮。由于目前國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于長(zhǎng)管類物體貫穿人體器官的研究幾乎沒(méi)有，因此開(kāi)展薄壁長(zhǎng)桿撞擊駕駛員胸腔肺部的生物力學(xué)研究對(duì)于改善汽車被動(dòng)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(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于汽車與護(hù)欄碰撞領(lǐng)域的研究大多僅限于護(hù)欄對(duì)汽車的碰撞破壞研究，而對(duì)于汽車內(nèi)部駕駛員的人體損傷研究較少。國(guó)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(kāi)展了碰撞對(duì)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(duì)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(jià)值。文獻(xiàn)[3]通過(guò)類比子彈侵徹效應(yīng)研究了薄壁長(zhǎng)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(zhǎng)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(kāi)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(huì)對(duì)薄壁長(zhǎng)桿的穿透產(chǎn)生阻力，影響其運(yùn)動(dòng)軌跡。因此缺乏一定的準(zhǔn)確性。因此，如果能將長(zhǎng)管類物體侵徹與人體器官碰撞研究聯(lián)系起來(lái)，此項(xiàng)研究會(huì)更加真實(shí)地模擬交通事故中護(hù)欄貫穿人體的案例，對(duì)于未來(lái)醫(yī)護(hù)人員評(píng)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(duì)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(zhǎng)桿。隨后薄壁長(zhǎng)桿對(duì)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(gè)肺葉，右肺除斜裂外，還有一水平裂將其分為上、中、下三個(gè)肺葉。肺是以支氣管反復(fù)分支形成的支氣管樹(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)成的。在受到薄壁長(zhǎng)桿撞擊時(shí)長(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)整個(gè)胸廓被薄壁長(zhǎng)桿撞擊發(fā)生位移，對(duì)肺部造成進(jìn)一步損傷。嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起氣管破損甚至大出血，造成駕駛員失血過(guò)多或呼氣困難最后死亡。針對(duì)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(duì)肺部分析器官層面力學(xué)響應(yīng)與薄壁長(zhǎng)桿撞擊時(shí)的速度、角度等各個(gè)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(zhǎng)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(zhǎng)桿撞擊時(shí)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(jià)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(dòng)和樣本老齡化等問(wèn)題，目前人機(jī)安全界已經(jīng)很少開(kāi)展。離體器官法將器官剝離身體，單獨(dú)對(duì)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(shí)真實(shí)的受損環(huán)境。假人實(shí)驗(yàn)法相對(duì)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(shí)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(zhǎng)桿侵撞擊人體胸腔時(shí)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(zhǎng)桿的建立

人體胸腔模型由中國(guó)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(duì)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(gè)胸腔的相對(duì)位置沒(méi)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(jiǎn)化，椎骨和椎間盤成為一個(gè)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(zhǎng)桿采用殼單元模擬，厚度5mm，長(zhǎng)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(zhǎng)桿撞擊胸腔模型共包括188116個(gè)節(jié)點(diǎn)，208486個(gè)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(dòng)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(zhǎng)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(dòng)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(zhǎng)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(duì)模型胸部碰撞塊進(jìn)行了碰撞仿真，得到了上述條件下時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(kāi)展的胸部正面擺錘撞擊實(shí)驗(yàn)，分別用薄壁長(zhǎng)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(shí)薄壁長(zhǎng)桿中心對(duì)準(zhǔn)胸骨劍突位置；斜側(cè)碰撞時(shí)將薄壁長(zhǎng)桿繞經(jīng)過(guò)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(duì)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(zhǎng)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(dòng)肋軟骨和肋骨一起向肺部擠壓，此時(shí)整個(gè)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(gè)肺部開(kāi)始逐漸相對(duì)于脊柱向后位移，胸廓也開(kāi)始向后朝肺部肋面壓迫，整個(gè)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(zhǎng)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(gè)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(shí)，肋骨發(fā)生斷裂。此后薄壁長(zhǎng)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(zhǎng)桿的壓迫與慣性繼續(xù)向左肺上葉內(nèi)侵徹。與此同時(shí)左肺被薄壁長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(gè)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(zhǎng)桿速度太快，薄壁長(zhǎng)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(shí)，肋骨發(fā)生斷裂，并且斷成三段。

此后薄壁長(zhǎng)桿繼續(xù)侵徹，長(zhǎng)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(shí)右肺被薄壁長(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)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(duì)于兩肺內(nèi)側(cè)面擠壓的位置和肋骨相對(duì)肺部肋面擠壓的位置，因此將這三個(gè)位置分別標(biāo)上序號(hào)，如圖11所示。

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

對(duì)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(shí)間曲線，如圖12所示。

模型在薄壁長(zhǎng)桿正面碰撞情況下，兩肺在大小、結(jié)構(gòu)和位置上幾乎對(duì)稱，因此1、4號(hào)位置壓力曲線近似，2、3號(hào)位置壓力曲線近似，應(yīng)力主要集中分布在2、3號(hào)位置，即兩肺內(nèi)側(cè)面相對(duì)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(zhǎng)桿撞擊過(guò)來(lái)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(gè)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(guò)150kPa。

模型在薄壁長(zhǎng)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(duì)擠壓的位置，如圖12（d）～圖12（f）所示。

薄壁長(zhǎng)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(guò)程中整個(gè)胸廓向右后方位移，壓迫左肺內(nèi)側(cè)面。

此時(shí)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(zhǎng)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(shuō)明。

分析各個(gè)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(hào)位置、左側(cè)碰撞下1號(hào)位置以及右側(cè)碰撞下4號(hào)位置是肺部受到撞擊時(shí)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(zhǎng)桿的碰撞速度足夠大，推測(cè)各位置的峰值可能達(dá)到一個(gè)臨界點(diǎn)，趨于一個(gè)極值。

7 結(jié)論

（1）分析了薄壁長(zhǎng)桿貫穿胸腔時(shí)的肺部損傷機(jī)制。通過(guò)九組仿真可以得出不同碰撞方向和不同速度下薄壁長(zhǎng)桿對(duì)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(guò)薄壁長(zhǎng)桿對(duì)胸骨或者肋骨的猛烈撞擊，造成胸骨或肋骨對(duì)兩肺內(nèi)側(cè)面和肋面的擠壓，與此同時(shí)整個(gè)胸廓跟隨薄壁長(zhǎng)桿的貫穿發(fā)生位置偏移，在偏移的過(guò)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)肋面的輕微壓迫。

（2）分析了薄壁長(zhǎng)桿侵徹胸腔時(shí)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(duì)汽車的安全結(jié)構(gòu)的完善起到一定指導(dǎo)作用。

（3）推測(cè)在速度足夠大的情況下，薄壁長(zhǎng)桿對(duì)肺部造成的壓力可能趨于一個(gè)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(shí)間過(guò)短，只了解了一小部分薄壁長(zhǎng)桿撞擊人體肺部的損傷情況，未能獲悉薄壁長(zhǎng)桿穿透整個(gè)胸腔模型后的情況，實(shí)屬遺憾，未來(lái)將逐步完善。

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