汽车碰撞中护栏贯穿人体肝脏的损伤研究

朱凤磊，郭唯浩，尹 菲，李宇吉，郭世永,*

(1.青岛理工大学 机械与汽车工程学院，青岛 266525；2.伍伦贡大学，伍伦贡 2522)

随着经济的飞速发展，我国私家车的数量快速增加，交通事故的发生率与汽车保有量成正比[1]。研究数据表明，胸腹部损伤占交通事故伤的13%～15%，而其中肝损伤是最常见的交通事故损伤类型之一[2]。肝脏是人体胸腹中最大的实质器官，主要由左、右肝叶通过中镰状韧带连接而成，在事故中是最容易受到损伤的器官。近期相关资料数据显示，肝脏损伤死亡率有6%～15%[3]。

目前国内外汽车碰撞研究大多局限于汽车与物体的钝性碰撞，而关于碰撞物体与汽车驾驶员的人体组织侵彻损伤研究较少。此外，国内外传统的损伤模型价格昂贵、耗时且无法重复实验，而且很难观察到生物体的特征，因此很难动态、直观地观察和研究贯穿物与人体组织的相互作用。因此开展在汽车碰撞道路护栏下对人体胸腹部侵彻损伤有限元分析研究，对于提高汽车的被动安全性能，减少在交通事故中的伤亡人员的数量，有重要的参考价值。

长杆高速侵彻问题的相关研究开始于20世纪Allen和Rogers最早公开发表的长杆弹高速侵彻问题，在1.5～3.0 km/s的高速下高密度金属制造的长杆弹具有很强的侵彻贯穿能力，长杆弹和靶板之间使用的侵彻算法可以与失效准则一起使用。采用的有限元算法根据单元的塑性应变进行计算，判断该外力所引起的形变是否完全消失，当外力大小超过单元的失效点数值时，单元失效[4]，计算中该失效的单元将被删除。

本文类比动能杆(Kinetic Energy Rod，KE-Rod)侵彻目标靶这一经典的弹靶系统损伤评估问题，从有限元的角度分析道路护栏贯穿肝脏及胸腹部骨骼的损伤机理。采用医学CT扫描，获得人体肝脏及胸腹部骨骼的主要几何参数，建立薄壁长杆贯穿胸腹部有限元模型。并运用LS-DYNA有限元处理软件进行参数设置及仿真计算，利用后处理软件Hyperview来观察乘员胸腹部的贯穿过程和受伤程度。同时选取国内汽车碰撞城市道路护栏造成的贯穿人体下腹部医学案例和事故案例进行简单的验证。

1 城市道路护栏入侵人体肝脏有限元模型的建立

1.1 肝脏及胸腹部骨骼几何模型建立

本文基于我国五十百分位的成年男性平均体型，选择身高173 cm,体重67 kg的健康成年男性志愿者作为CT(Computed Tomography)扫描对象,进行CT扫描，获得人体胸腹部生物模型的数据，扫描层厚为0.6 mm，可精确地捕捉胸腹部骨骼与肝脏的几何信息。

利用Mimics数据处理工具进行图像涂抹和分割来建立准确的人体三维模型。同时利用Mimics下的3-Matic进行建模后的后处理， 对多模型曲面和漏洞等进行改进，生成胸腹部骨骼以及肝脏图像。胸腹部包括胸骨、肋骨、脊椎等。肝脏包括左肝叶、右肝叶以及镰状韧带等。图1为人体肝脏及胸腹部骨骼CT扫描图像。利用GEOMAGIC软件对CT点云图像进行去噪、滤波和数据平滑等处理，最后利用NURBS建模方式生成表面光滑的几何曲面模型。利用三维建模软件SolidWorks按照标准城市道路护栏尺寸进行三维模型建立，如图2所示。建立的三维模型采用IGES格式进行储存，为有限元薄壁长杆模型构建做前期准备。

图1 肝脏及胸腹部骨骼CT扫描

图2 城市道路护栏三维几何模型

1.2 肝脏及胸腹部骨骼与道路护栏有限元模型建立

利用有限元前处理软件Hypermesh对胸腹部骨骼、肝脏及城市道路护栏几何模型进行网格划分，利用LS-DYNA内置的有限元前处理软件LS-PrePost进行模型的属性、材料、关键字及速度设置。碰撞贯穿有限元模型如图3所示。

图3 肝脏及胸腹部骨骼-薄壁长杆碰撞贯穿有限元模型

为了提高计算效率和精度，薄壁长杆的网格与胸腹部接触较近区域采用局部加密的方法。城市道路护栏简化为薄壁长杆，薄壁长杆的单元类型为SectShll，肝脏和胸腹部骨骼的单元类型均为SectSld。薄壁长杆与胸腹部骨骼的网格单元采用八节点六面体，由于肝脏几何模型不规则，所以肝脏的网格单元采用四节点四面体，以更好表现出肝脏的实际形状。薄壁长杆与肝脏以及胸腹部骨骼与肝脏之间的接触方式均采用ERODING_SURFACE_TO_SURFACE，胸腹部骨骼之间的接触方式采用SingeSurface定义其自接触。静摩擦系数与动摩擦系数均设定为0.2。

薄壁长杆侵彻肝脏及胸腹部骨骼模型包括156 109个节点、8 800个壳单元、138 027个体单元。参考人体医学解剖结构连接胸骨和肋骨、肋骨和肋骨模型，采用共节点连接模拟，采用刚性连接肋骨和脊椎模型进行模拟。

1.3 肝脏及胸腹部骨骼材料参数

生物模型材料参数的相关数值参考前人进行的肋骨胸骨三点弯曲实验的数据来设定[5]。如表1所示，材料参数均来自相关参考文献。胸腹部结构模型中的胸骨定义为线弹性材料[6]，肋骨定义为线弹性材料[7]，肋软骨定义为弹性材料[8]，脊椎定义为弹性材料[9]。肝脏器官定义为黏弹性材料，其材料参数[10]如表2所示。为了清晰地表现城市道路护栏入侵肝脏时的过程，图3没有显示人体胸腹部内脏整体模型，只显示出肝脏及胸腹部骨骼结构的相对位置关系。

表1 生物模型的基本参数

表2 肝脏器官的材料参数

由于城市道路护栏与生物材料特性相差较大，在汽车与城市道路护栏相撞的过程中，城市道路护栏贯穿人体时基本不发生变化，故将薄壁长杆定义为刚性材料，材料参数如表3所示。

表3 薄壁长杆的材料参数

2 模型验证

2.1 事故案例

2018年9月11日，在浙江台州做生意的张某在一红绿灯处发生碰撞车祸，路边的道路护栏穿透了车身之后，接着刺穿了张某的身体与座椅靠背。图4显示，道路护栏从他的左腹股沟进入，左腰部刺出，长度有25 cm。胸腹部贯穿处肋骨断裂，大量人体内部组织器官被道路护栏穿透，动脉与静脉被撕裂，造成大量出血，贯穿处皮肤等组织被道路护栏严重挫伤，与图5仿真一致。

图4 施救现场与薄壁长杆

2.2 仿真验证

本实验中使用的城市道路护栏简化成薄壁长杆，建模中薄壁长杆的长度、质量等数据均来源于实际测量与称重，其中实际称重得纵向长度为50 cm,横截面为4 cm×3 cm的道路护栏的质量为0.8 kg。LS-DYNA仿真中定义薄壁长杆的X-Velocity为60 km/h。护栏入侵肝脏及胸腹部骨骼起始点如图3(d)所示。模拟时间为8 ms，仿真过程取四个关键性时刻进行分析，包括(a)起始时刻；(b)接触肝脏时刻；(c)接触胸后肋骨时刻；(d)侵彻贯穿整个肝脏及胸腹部骨骼时刻，图5为薄壁长杆在0，0.5，4.5，6.0 ms时碰撞肝脏及胸腹部骨骼时刻状态以及时刻应力图。上下两图在同一视图下，为了更清晰地描述肝脏受力图，下图是肝脏的单独显示。

0～0.5 ms时穿透部位的肋骨发生断裂，肝脏开始被薄壁长杆穿透，如图5(b)所示。4.5 ms时，腹部背面肋骨被护栏长杆碰撞冲击，薄壁长杆基本贯穿胸腹部，肝脏遭到侵彻，并被挤压穿透(图5(c))。4.5～6.0 ms时胸腹部后肋骨断裂，薄壁长杆完全贯穿胸腹部并裸露在人体外，肝脏遭到完全性侵彻，并被薄壁长杆挤压发生移位(图5(d))。

为了清晰显示城市道路护栏入侵肝脏及发生变形的骨骼结构，图6隐藏了薄壁长杆有限元模型，只保留肝脏与胸腹部骨骼的相对位置关系。此时薄壁长杆完全穿过胸腹部并裸露在人体外，胸腹部及肝脏已经被薄壁长杆穿透，薄壁长杆穿透部位的前后肋骨发生断裂，其他部位的肋骨发生少量的位移，肝脏组织器官遭到入侵贯穿。医学案例：护栏贯穿张某的左腹股沟和左腰部，贯穿长度约为25 cm，伤者胸腹部左下方前后肋骨断裂，内部组织器官被入侵贯穿。与图5仿真过程一致。

图5 护栏长杆贯穿肝脏及胸腹部骨骼仿真过程

图6 肝脏及胸腹部骨骼贯穿仿真结果

3 人体肝脏的损伤研究

在高速长杆侵彻靶板的损伤效应研究中，损伤特征用动能杆的侵彻体积和靶板的变形体积来描述，高速长杆碰撞的损伤指数由它们的加权求和来计算[11]。本研究针对城市道路护栏侵彻目标靶——肝脏及胸腹部骨骼建立动能杆碰撞损伤指标，用于衡量薄壁长杆碰撞与贯穿人体肝脏造成的损伤程度。薄壁长杆的微元(单元)侵彻体积Vρ定义为

(1)

式中：n为薄壁长杆模型的微元总数；Zi为微元i相对于目标靶板上表面的位置，靶板内部为正；H为目标靶板被侵彻的总深度；mi为薄壁长杆微元i的质量；ρrod为薄壁长杆的密度。

在薄壁长杆的碰撞和侵彻过程中，靶板材料发生塑性变形，产生凹陷和缺口。对于靶板，在其微元模型中超过塑性应变阈值的所有微元体积的总和可以用作靶的穿透程度的度量。因此，靶板变形体积Vd定义为

(2)

D=λ1·Vρ+λ2·Vd。

(3)

式(2)(3)中：l为靶板模型的微元总数；mj为微元j的质量；ρplate为靶板密度；D为城市道路护栏的碰撞损伤指标；λ1，λ2为加权系数，λ1取0.995，λ2取0.0995。

当高速长杆以倾斜角度侵彻靶板时，长杆角度增大，靶的变形量增大，但穿透深度减小，故将λ2取0.0995以降低靶板变形体积在侵彻指标中所占的权重。在目标靶板——肝脏及胸腹部骨骼被侵彻的总深度H一定时，薄壁长杆贯穿肝脏及胸腹部骨骼的损伤程度与以下因素有关：

3.1 质量

由式(1)可以看出,薄壁长杆的微元侵彻体积与薄壁长杆微元的质量呈正相关。由于实际中薄壁长杆为固定端，汽车与乘员为移动端，故汽车和乘员的总质量与薄壁长杆贯穿人体肝脏及胸腹部骨骼器官的损伤程度成正比，汽车与乘员的总质量越大，侵彻效果就越大，肝脏及胸腹部骨骼的损伤越严重。

3.2 速度角

由式(1)可知，微元i相对于目标靶板上表面的位置Zi与薄壁长杆的微元(单元)侵彻体积Vρ成正比，根据图7分析可知：

图7 微元i相对位置

Zi=l·sinφ

(4)

式中：l为薄壁长杆的微元(单元)到撞击中心的直线距离。

由式(4)可知，当l一定时，速度角φ越大，微元i相对于目标靶板上表面的位置Zi越大。即速度角φ越大，薄壁长杆的侵彻体积越大，造成的肝脏及胸腹部骨骼损伤程度越大。

3.3 密度

由式(1)(2)可以看出，薄壁长杆碰撞侵彻过程中，薄壁长杆和目标靶——肝脏及胸腹部骨骼的密度与薄壁长杆贯穿人体胸腹部的损伤程度成反比。薄壁长杆(钢铁材料)与肝脏及胸腹部骨骼(生物材料)的密度基本保持不变，故在本研究中不考虑密度给肝脏损伤带来的相关影响。

4 损伤机理

4.1 直接损伤

当城市道路护栏沿着其运动的方向前进穿透肝脏时，护栏长杆直接破坏肝脏内部组织，造成肝脏的贯穿损伤[12]。为了提高本贯穿模型的可视化，本研究视汽车与薄壁长杆为一个独立的系统，忽略其他微小的能量损失。根据动能定理，汽车碰撞城市道路护栏前的自身动能主要取决于汽车碰撞护栏的速度，即

(5)

式中：EK为碰撞动能；m为汽车与乘员的总质量；v为汽车的速度。

薄壁长杆的动能主要消耗在对肝脏和胸腹部骨骼的直接损伤作用上。它作用于折断胸腹部前后肋骨与刺穿肝脏及损坏通道周围的组织和内脏等，对其造成直接损伤。

4.2 间接损伤

在护栏的薄壁长杆以一定的速度贯穿乘员的肝脏及胸腹部骨骼过程中，其本身具备很大能量。首先，碰撞产生的压力波的传递效应可通过能量传递的方式将其传导给肝脏、胸骨骼、软组织和其他薄壁长杆周围的组织，造成邻近器官的损伤[13]。

其次，由于肝脏等胸腹部器官组织通过肌肉组织、血管等互相连接，彼此之间存在粘连力，当肝脏被城市道路护栏刺穿时，肝脏在胸腹部发生相对位移，随后肝脏周围的组织会迅速地发生相对运动，从而产生二次间接损伤。

5 结论

1) 建立了我国成年男性肝脏及胸腹部骨骼的有限元模型。该模型能够比较准确地模拟道路护栏贯穿人体肝脏及胸腹部的损伤特性。

2) 模型验证参考了医学贯穿案例和事故调研案例，通过分析汽车碰撞城市道路护栏产生的贯穿过程中肝脏的贯穿现象与胸腹部骨骼骨折和断裂的现象，该模型与实际情况吻合较好，具有一定的可靠性。

3) 通过类比高速长杆侵彻目标靶过程中弹靶系统毁伤评估问题的侵彻效应，分析出肝脏的损伤情况与汽车和乘员总质量、速度角具有直接的关系。

4) 本文分析结果为将来国家制定城市道路护栏的相关标准提供了理论分析依据。同时为城市道路护栏贯穿人体肝脏组织及胸腹部骨骼将可能发生的损伤情况作为临床医学伤势评估的相关依据，以及为肝脏及其他内脏器官贯穿损伤治疗提供重要的参考。

本研究也存在一定的局限性。肝脏及胸腹部骨骼模型没有细化胸腔内部其他组织器官以及皮肤和肌肉组织，而皮肤和内脏组织对城市道路护栏的穿透会产生阻力等其他因素，对其在胸腔内部运动动能的衰减和轨迹的变化都具有一定的影响。

由于人体结构的复杂性，道路护栏高速碰撞人体造成的损伤机制非常复杂。后期仍需要不断开展学习与研究，提高有限元模型的应用性与准确性。