论文摘要
随着汽车工业的发展,汽车安全性越来越受到重视。安全带与安全气囊的普遍应用改变了碰撞损伤的分布与严重程度,头部与胸部得到了更好的保护,但是并没有阻止其他部位如下肢损伤的发生。下肢损伤虽然不会致命,但是需要相当长的时间进行治疗及恢复,而且常常会造成人的终生残疾。随着有限元技术的发展,有限元模型逐渐成为研究汽车乘员下肢损伤的重要工具。为了进一步提高有限元模型的生物仿真度,本研究将在骨骼模型的基础上增加软组织模型,软组织模型严格按照解剖学结构进行提取和划分,共包括23块肌肉以及脂肪。肌肉之间使用实体单元将其连接成整体,肌肉与骨骼之间的肌腱采用单元过渡的方法进行模拟,完成皮肤网格的划分。构建了完整的中国50百分位女性下肢有限元模型。本研究基于下肢有限元模型,通过对建立的下肢有限元模型进行改进,对施加前后方向撞击力的膝关节进行仿真模拟分析,其中韧带采用了更能体现其特性并经过有效验证的和考虑应变率的塑性材料,并结合我国人体韧带的厚度重新设定。在膝关节弯曲90。情况下,分别探讨了不同的加载高度和加载角度对膝关节损伤的影响。结果表明,轴向载荷小于8kN,能避免股骨的骨折；加载角度大于8。时,不会对PCL造成拉伸,避免损伤。借助完整的下肢有限元模型,模拟真实的汽车环境下,不同外翻角度对膝关节损伤的影响。随着外翻角度的增加,股骨轴向力的峰值逐渐减小。95。时并未发现膝关节的损伤,主要是由于撞锤与股骨的中轴线垂直,在撞击过程中缓冲物质会将膝关节包裹住,撞击力会分散给股骨髁；而在90。、100。和105。时,随着外翻或内收角度的增加,髌骨与股骨的接触力也会随之增加,骨折也就越严重。本研究采用了新方法对下肢软组织模型进行了划分,对提高人体有限元模型的仿真度进行了有意义的探索。同时探讨了不同条件下膝关节的损伤,对深刻理解膝关节损伤产生机理和预防下肢损伤具有重要的现实意义。