后碰撞中乘员颈部肌肉有限元模型的建立与验证

李凡　曹迎春　粟思橙　黄晶

摘 要：建立并验证了具有主动力响应的乘员颈部肌肉有限元模型，用于研究颈部肌肉主被动响应对后碰撞载荷下乘员头颈部动力学响应及颈部损伤的影响.运用50百分位成年男性颈部的MRI数据重建了人体颈部肌肉三维数值模型，采用克里格插值方法将其与头颈基础模型进行匹配.肌肉材料定义采用Ogden材料和Hill材料相耦合的办法以分别模拟肌肉的被动和主动特性.根据Davidsson等人开展的后碰撞台车志愿者试验数据对该颈部肌肉模型进行了验证.结果表明，肌肉激活状态下与未激活时比较，头部质心相对T1位移减小了12 mm，头部角位移减小了4°，肌肉主动力影响显著.该模型的数值模拟结果与志愿者试验结果吻合较好，模型具有较高的生物逼真度，可应用于后碰撞中的乘员颈部损伤研究.

关键词：肌肉主动力；汽车后碰撞；颈部损伤；生物力学；有限元模型

中图分类号：R318.01 文献标识码：A

Abstract：The aim of the present study was to develop and validate an FE model of neck muscle system according to human anatomy structure in order to analyze the influence of neck muscle activation on head-neck dynamic responses and biomechanical responses under rear impact loading condition. A three-dimensional neck muscle model was developed on the basis of the MRI data of a 50th percentile male. The model was then combined with a previously developed and well-validated head-neck FE model in Kriging method. The passive and active behavior of a single neck muscle was defined by coupling Ogden and Hill material models. The neck muscle FE model was validated through volunteer tests of rear-impact conducted in Chalmers University of Technology. The result has shown that， compared with non-activation muscle behavior， the displacement of head CDG to T1 decreases by 12mm while the angle displacement decreases by 4°， which indicates the significant effect of muscle activation on head kinetic responses. The head-neck dynamic responses from the simulations are consistent with the test results. The current neck muscle FE model is of a good biofidelity and can further be used for occupant neck biomechanical research in rear impact loading conditions.

Key words：muscle activation；vehicle rear impact；neckinjuries；biomechanics；FE model

乘员颈部损伤是交通事故中的常见损伤.据统计，约85%以上的颈部损伤发生于低速（ΔV≤25 km/h）追尾碰撞中[1]，其中约98%的颈部损伤属于AIS1级损伤，即轻度损伤[2].但是，挥鞭伤是最为常见的颈部交通伤，在事故发生初期往往难以发现或者损伤轻微，而随着时间积累，这种损伤会慢慢加重甚至造成继发性损伤，对人体危害严重[3].由于目前对于颈部挥鞭伤的损伤机理仍未能清楚认知，国内外研究者对颈部损伤进行了大量的深入研究，并逐步开始重视颈部肌肉主动力对于颈部损伤机理的重要影响.

为了研究后碰撞中乘员头颈部的真实响应过程及颈部损伤机理，研究者们近年来进行了大量的生物力学试验研究.Severy等人[4]最早开始颈部损伤研究，并进行了志愿者碰撞试验，试验中仅测得碰撞车辆的加速度曲线，粗略描述了志愿者头部的运动响应，并没有详细研究颈部如何吸收惯性作用下头部产生的冲击能量，也未测量碰撞过程中的头部加速度数据.之后，在Severy研究的基础上，Mertz和Patrick[5-6]分别用志愿者、人类尸体及机械假人进行台车冲击试验，测得了头部的精确加速度，并首次考虑了颈部肌肉对头颈部动力学响应的影响.在志愿者不发生损伤的前提下，许多研究者开展了类似的研究，并测得了不同碰撞环境下头部加速度曲线及颈部响应数据[7-8].Davidsson等人[9]开展了志愿者低速后碰撞试验，借助13名志愿者进行了28次台车试验，速度为5～7 km/h，并根据试验结果建立了颈部响应通道，该试验所得数据被广泛应用于后碰撞假人的验证工作.Szabo等[10]通过低速后碰撞志愿者试验记录了志愿者头颈部的动力学响应以及颈部肌肉的肌电活动.可见，志愿者碰撞试验为颈部损伤机理研究提供了大量的实测数据，可极大地推动颈部损伤的研究进展，同时在碰撞过程中发现颈部肌肉主动响应也对颈部损伤产生一定的影响.