摘 要 ：
乘員骨盆損傷在車輛側面碰撞中非常常見，研究骨盆在側碰中的損傷機理，有助于優化汽車保護裝置，提高乘員的安全性。本研究根據cT圖檔提取相關資料，利用逆向工程軟體生成骨盆幾何模型，用有限元前處理軟體劃分網格，建構一個中國50百分位女性骨盆的三維有限元模型，并用Guillemot屍體實驗結果驗證了模型的有效性。然後用該模型進行側碰仿真模拟，研究骨盆在側面碰撞中的響應及密質骨厚度對骨盆剛性的影響。結果表明，女性骨盆在側面碰撞中發生骨折的臨界撞擊力為3．00kN；密質骨厚度不同，骨盆受到載荷時的響應也不同，密質骨厚度為1mm時，前下髂骨脊位移為9．75mm，密質骨厚度為2mm時，前下髂骨脊位移為5．35mm。表明密質骨厚度越薄，骨盆剛性越低。
關鍵詞：骨盆；有限元模型；側面碰撞響應；密質骨厚度
引言
随着汽車産業的飛速發展，汽車安全問題愈來愈引起消費者的關注。據統計，在有乘員損傷的交通事故中，側面碰撞占了15％～20％；但乘員嚴重損傷甚至緻命的事故中，側面碰撞占了25％～30％。乘員骨盆損傷在側面碰撞中非常常見。雖有一些被動安全措施，如側面碰撞安全氣囊等，提高了側面碰撞中乘員的安全性，但由于車門和乘員之間的距離有限，撞擊能量不容易被吸收減少。研究骨盆在側面碰撞中的響應及損傷機理，有助于更好的優化汽車保護裝置，提高乘員安全性。以往對骨盆損傷的研究，主要是屍體實驗。
有限元分析方法的發展應用，解決了屍體實驗材料來源、實驗裝置安放以及測量等方面的困難，減少了實驗經費，縮短了實驗周期。Plummer等利用有限元模型研究骨盆在汽車側面碰撞中的損傷機理，但該模型隻建構了半個骨盆，沒有建構骶骨、尾骨以及對側的髂骨。Anderson等根據CT掃描圖檔建構了一個骨盆的三維有限元模型，該模型用殼單元表示密質骨，用四面體單元表示松質骨]。Kim等建構的髋膝關節有限元模型比較全面，包含肌肉、韌帶等軟組織。雖然國内外關于骨盆的有限元模型很多，但多采用四面體單元，模型的品質不高，且主要用于研究人行走時骨盆的運動特征以及進行醫學上髋關節假體置換的一些相關研究。本研究拟建構一個更加完善、仿真度更高的中國女性骨盆有限元模型，并分析其在側面碰撞中的響應，為骨盆損傷的研究提供資料和參考。
1骨盆三維有限元模型的建構
選取一正常50百分位女性骨盆的CT掃描圖檔，要求不能有骨骼損傷或其他缺陷。根據灰階值提取骨盆相關結構，利用逆向工程軟體生成骨盆的幾何模型，用有限元前處理軟體建構骨盆的有限元模型。由于骨盆幾何結構的複雜性，網格劃分具有一定難度，在有限元模組化過程中，要兼顧網格品質和生物仿真度的要求，并要注意網格的連續性。首先生成松質骨的模型，用八節點六面體單元表示；然後根據骨盆解剖學結構在松質骨模型表面生成一層殼單元，表示密質骨。建構完成的骨盆模型如圖1所示。
模型包括兩側的髋骨、骶骨、尾骨以及骶髂關節軟骨和恥骨聯合。其中松質骨和軟骨全部用八節點六面體單元表示，密質骨用1.5mm厚的殼單元表示，恥骨聯合用軟骨模拟。整個模型共包括29302個單元，33785個節點。與以往的四面體單元網格相比，六面體單元網格品質更好。
為了真實的反應人體不同組織材料的特性，需要給各個組織賦予合适的本構關系和參數。參照文獻[4]，密質骨和松質骨用彈塑性材料模拟，軟骨用彈性材料模拟，主要材料參數如表1所示。
2有限元模型側面碰撞仿真分析
2.1模型有效性驗證
采用碰撞仿真實驗分析骨盆在側面碰撞下的動力學響應，并與屍體實驗對比以驗證模型的有效性。仿真分析試驗在LS-dyna中進行，加載條件參照Guillemot等的實驗，左右前上髂骨脊垂直放置，作為y軸；沿着左側坐骨結節水準固定，添加限制，進行髂骨脊動力加載實驗在右側髂骨脊施加載荷，載荷從0N逐漸增大到500N，然後又降為0N[1]。
測量前下髂骨脊(節點号4299)和恥骨聯合上緣(節點号33039)的位移以及整個骨盆的應力分布情況。有限元模型仿真及載荷加載曲線如圖2和圖3所示。
髂骨脊動力加載實驗得到前下髂骨脊y方向位移曲線如圖4所示，并與Guillemot的S7号實驗(女性，63歲)進行對比。
可以看出，屍體實驗曲線和模型仿真分析得到的曲線走勢一緻，随着加載力從0N增大到500N再降低到0N，y方向位移逐漸增大到最大然後又降低，說明模型是有效的。但數值大小不同，模型得到前下髂骨脊y方向最大位移為6.77mm，恥骨聯合上緣y方向最大位移為1.66mm；Guillemot S7号實驗得到前下髂骨脊y方向最大位移為11.8mm，恥骨聯合上緣y方向最大位移為2.5mm。模型結果比屍體實驗資料偏低，這是由于骨盆存在個體差異，跟骨質密度、年齡以及骨盆的形狀等有關。骨盆模型仿真分析得到的等效應力如圖5所示，分别為3、6、9、12、15、18、21、24、27、30ms時的等效應力圖。
可以看出，髂骨脊、髂骨窩、骶髂關節、恥骨聯合以及恥骨支、坐骨大切迹應力相對較大，容易受到損傷，這跟屍體實驗以及統計結果相符，驗證了模型的有效性。
2.2骨盆模型側面碰撞仿真分析
模型有效性驗證完畢後，進行骨盆側面碰撞仿真。仿真設定同Guillemot等人的側面碰撞實驗，沿着左側坐骨結節水準固定，添加限制。用一個3.68kg的金屬塊撞擊右側髋日，初始撞擊速度4m/s。Guillemot實驗在髋白處添加一個金屬球，目的是使載荷能均勻的傳遞到整個關節面上，金屬球的大小按照髋白的幾何尺寸而定。模型仿真設定如圖6所示。
柱形撞錘品質為3.68kg，金屬球定義為剛體，撞擊力通過金屬球均勻傳遞到髋白上。骨盆模型側面碰撞分析得到的力-時間曲線如圖7所示。
從曲線可以看出，第一個峰值出現在1.2ms，模型顯示此時沒有發生單元失效。在2.55ms出現單元失效(失效單元已經删除，如圖8所示)，說明發生骨折現象，骨折部位為髋白窩，此時撞擊力大小為3.00kN；3.70ms出現第二個峰值，模型失效單元增多，髋臼、恥骨上端出現骨折現象；4.06ms以後不再有單元失效發生。
Guillemot用12個骨盆做側面碰撞實驗，男女骨盆分别六個。實驗得到骨折時平均撞擊力為(2.8±1.2)kN。其中女性骨盆側面碰撞實驗的平均最大撞擊力為2.70kN，男性平均最大撞擊力為2.85kN。有限元模型分析得到女性骨盆最大撞擊力為3.55kN，模型得到的撞擊力-時間曲線位于屍體實驗數值範圍内，進一步驗證了模型的有效性。
2.3密質骨厚度對骨盆剛性的影響
由于人體骨盆的個體差異、年齡差異、性别差異等，對所建構的有限元模型主要研究密質骨厚度對骨盆剛性的影響。分别對密質骨賦予不同的厚度即1.0mm和2.0mm，進行髂骨脊動力加載實驗，比較前下髂骨脊的位移，研究密質骨厚度對骨盆剛性的影響。
經過分析得出不同密質骨厚度時前下髂骨脊的y方向位移，如圖9所示。
其中曲線A和曲線B分别代表密質骨厚度為2.0mm和1.0mm模型的結果曲線。可以看出，密質骨厚度越大，相應前下髂骨脊y方向位移越小，說明骨盆剛性越大。其中密質骨厚度為1.0mm的模型分析得到的前下髂骨脊y方向位移最大，為9.75mm，最接近Guillemot的S7号屍體實驗。
3讨論和結論
通過側面碰撞模拟分析，得到女性骨盆側碰的最大撞擊力為3.55kN，結果和Guillemot的屍體實驗結果(2.8 ±1．2)kN 相近，但 比 Cavanaugh 等的實驗結果(9.6 ±3.2 )kN 偏低 ，這跟實驗條件有關 。Cavanaugh 采 用 整 個 屍 體 标 本 做 滑 車 實 驗 ，而G uillemot用單獨的骨盆做墜塊撞擊實驗模 拟側面碰撞 。
密質骨厚 度不 同，骨盆側 面碰撞 響應 也不 相同，由于人體骨盆存 在一定的個體差異 ，今 後的研究需要分析不同年齡 ，不 同性别的人群骨盆的碰撞響應 ；以及建構更加完善 的有 限元模型 ，包括肌 肉，腹部器官等軟組織 ，并準确對各組織材料指派。本研究基 于 50 百分位 中國女性 的骨盆 CT 掃描圖檔，建構了具有解剖學結構的的骨盆三維有限元模型，通過仿 真分析 實驗驗證 了該模 型 的有效性 ；50 百分位女性側面碰撞時骨盆發生骨折的臨界撞擊力為 3．0 kN ，側 面碰撞 中，髂 骨脊，髋 臼，恥骨支容易出現應力集 中，易受到損傷 ；密質骨 的厚度對骨盆剛性具有較大影響 ，密質骨 厚度越薄 ，骨盆剛性越低 。
對于側面碰撞 中骨盆的損傷機理研究 ，可 以為車輛碰撞研究提供實驗資料 ，有助于改進汽車被動安全裝置 ，提高乘 員的安全性。另外 ，該模型也可用于醫學上髋關節假體置換的仿真研究 。
參考文獻
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[2]PlummerJW,BidezMW,AlonsoJ.Parametricfiniteelement,studiesofthehumanpelvis:theinfluenceofloadmagnitudeand durationonpelvictoleranceduringsideimpact[C]//Proceedingsofthe40thStappCarCrashConference．New Mexico：STAPP，1996：1740—1751．
[3]AndrewEA,ChristopherLP,BenjaminDT,eta1.Subject.specificfiniteelementmodelofthepelvis:development，validationandsensitivitystudies[J]JournalofBiomeehanical Engineering，2005，127：364—373．
[4]YongSK,HyeongHC,YoungNC,eta1.Numericalinvestigationsofinteractionsbetweentheknee-thigh·hipcomplex,withvehicleinteriorstructures[J].StappCarCrashJournal，2005，49：85—115．
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