薄壁长杆撞击驾驶员胸腔时肺部生物力学响应

郭世永，尹 菲，刘志红

（1.青岛理工大学机械与汽车工程学院，山东青岛 266520；2.滨州医学院康复工程研究院，山东青岛 266520）

1 引言

随着中国汽车保有量的不断增加，交通事故日益频发。道路交通事故已经成为我国社会公共安全与健康的一个重大威胁。在一系列道路交通事故中，文献[1]分析了中国道路交通事故中驾驶员的各个部位损伤情况。在道路交通事故中，胸腹部的伤损占比较高，且在致命伤中占最高比例。而胸腹部损伤中，肺部损伤是最常见也是致死率最高的损伤类型之一[2]。道路交通事故中车辆撞击道路护栏，护栏变形成为薄壁长杆贯穿乘员胸部的例子屡见不鲜。由于目前国内学者对于长管类物体贯穿人体器官的研究几乎没有，因此开展薄壁长杆撞击驾驶员胸腔肺部的生物力学研究对于改善汽车被动安全性能、减少交通事故中人员的伤亡有重要参考意义。

2 国内外现状

目前国内外对于汽车与护栏碰撞领域的研究大多仅限于护栏对汽车的碰撞破坏研究，而对于汽车内部驾驶员的人体损伤研究较少。国内大部分学者主要研究方向是关于钝性器物撞击人体后的生物力学损伤研究。文献开展了碰撞对人体器官的研究。研究发现了在不同角度与不同速度下，钝性物体撞击人体腹部后肝脏的生物力学响应情况，对于在真实情况下方向盘等钝性物体撞击驾驶员后的损伤情况具有很高的实际指导价值。文献[3]通过类比子弹侵彻效应研究了薄壁长杆贯穿胸腔的损伤机理，分析出驾驶员胸腔的实际受伤情况与薄壁长杆的速度，质量以及稳定性有着直接的联系。

此研究开辟了人体安全研究领域的新道路。但是该项研究模型局限性较大，实验组次较少，未能区分胸腔骨骼的皮质骨和松质骨，并且缺乏胸腔内部组织器官，得出的结论不够严谨。而由于胸腔内部组织器官会对薄壁长杆的穿透产生阻力，影响其运动轨迹。因此缺乏一定的准确性。因此，如果能将长管类物体侵彻与人体器官碰撞研究联系起来，此项研究会更加真实地模拟交通事故中护栏贯穿人体的案例，对于未来医护人员评估此类事故的严重情况起到一定参考作用，并且能有效指导车企对于汽车安全结构的修改与完善，促进人机工程的进一步发展。

在真实交通事故中，交通护栏在撞击汽车引擎仓或前挡风玻璃后产生变形，形成薄壁长杆。随后薄壁长杆对驾驶员胸部发生撞击与侵彻，造成胸腔肺部严重损伤，如图1所示。

图1 交通事故Fig.1 Traffic Accident

肺是人体的呼吸器官，也是人体重要的造血器官，位于胸腔，左右各一，覆盖于心脏之上[4]，如图2所示。左肺由斜裂分为上、下两个肺叶，右肺除斜裂外，还有一水平裂将其分为上、中、下三个肺叶。肺是以支气管反复分支形成的支气管树为基础构成的。在受到薄壁长杆撞击时长杆首先碰撞到胸腔骨架，受到撞击的骨头挤压肺部器官，随后骨头断裂与长杆一起侵入肺部，巨大的冲击力使得肺部组织严重撕裂，造成肺部损伤。同时整个胸廓被薄壁长杆撞击发生位移，对肺部造成进一步损伤。严重时会引起气管破损甚至大出血，造成驾驶员失血过多或呼气困难最后死亡。针对以上肺部损伤的特点，肺部损伤生物力学的研究重点是建立人体胸腔模型并针对肺部分析器官层面力学响应与薄壁长杆撞击时的速度、角度等各个参数的影响。

图2 肺部结构Fig.2 Structure of Lung

目前研究薄壁长杆撞击驾驶员肺部的生物力学损伤研究主要有尸体实验法PMHS（Post Mortem Human Subject）、离体器官实验法、假人实验法和数学模型方法。尸体实验法（PMHS）可以最真实地还原胸腔肺部被薄壁长杆撞击时的生物力学响应，提供诸如肺部变形量、肺部损伤情况等一系列极具价值的响应数据。但是因为尸体样本不可重复、样本与样本之间差异巨大、缺乏活人体内应有的脏器活动和样本老龄化等问题，目前人机安全界已经很少开展。离体器官法将器官剥离身体，单独对其进行实验，可以得到详细的器官生物力学数据，如器官的接触力、变形量等。但是因为器官离体后缺少其他组织的约束，此法得出的实验数据不能准确模拟人体碰撞时真实的受损环境。假人实验法相对准确可靠，但是一般用于钝性碰撞。进行侵彻实验时需要将假人侵彻，由于假人成本高昂，不利于多组撞击实验。而数字模型方法则是目前主流的人体安全实验法，利用建模软件建立精确的解剖结构人体模型，设置薄壁长杆侵撞击人体胸腔时的约束以及模型材料参数，仿真后可以得到较为准确的人体胸腔肺部生物力学响应数据。

3 人体胸腔模型与薄壁长杆的建立

人体胸腔模型由中国第五十百分位男性的身体数据建立[5]。模型包括脊椎、肋骨、肋软骨、胸骨和肺部器官。首先使用mim‐ics 19.0（Materialisc Inc.，Leuven，Belgium）分别对人体胸腔骨架和肺部器官提取点云数据，得到人体胸腔模型点云数据，如图3所示。随后将点云数据导入软件Geomagic Studio 2013中构建几何模型并生成实体模型。由于胸腔模型是在同一CT中提取并被建成，所有点云模型使用同一坐标系，所以肺部器官与整个胸腔的相对位置没有发生改变，与体内实际位置相符，是准确的解剖学位置。

图3 胸腔骨架的CT提取Fig.3 CT Extraction of Thoracic Skeleton

人体中肋骨和胸骨均是由皮质骨和松质骨组成。脊椎由椎骨和椎间盘组成。由于本文主要研究肺部生物力学响应，因此这里将脊椎简化，椎骨和椎间盘成为一个整体并光滑表面。人体胸腔模型中所有皮质骨均使用壳单元模拟，厚度为0.8mm；脊椎、肋软骨、肺部和所有松质骨均使用六面体实体单元进行模拟。薄壁长杆采用壳单元模拟，厚度5mm，长度为1000mm，横截面为（40×40）mm。利用仿真前处理软件Hypermesh进行模型的网格划分，如图4所示。该薄壁长杆撞击胸腔模型共包括188116个节点，208486个单元。参考人体解剖学，皮质骨与松质骨、胸骨与肋软骨、肋软骨与肋骨之间的连接方式，采用共节点方式连接模拟，肋骨与脊椎之间则采用刚性连接模拟。约束肋骨后端与脊椎相连接的节点x，y，z移动自由度和x，z轴旋转自由度，仅保留y轴肋骨与椎骨之间旋转自由度[18]。薄壁长杆与胸部的接触采用面面接触，胸部自身模型接触采用单面接触，静摩擦系数和动摩擦系数均设定为0.2。

图4 仿真模型Fig.4 Simulation Model

人体胸腔模型的材料属性参考文献[6−14]等进行的胸部撞击实验中所用到的材料数值。具体材料与属性，如表1～表3所示。

表1 胸腔骨架模型材料参数Tab.1 Material Parameter of Thoracic Skeleton

表2 肺部器官的材料参数Tab.2 Material Parameter of Lung Model

表3 薄壁长杆的材料参数Tab.3 Material Parameter of Guardrail

4 模型可靠性验证

根据Kroell在通用汽车上的胸部碰撞试验，进行了有限元仿真，验证了模型的可靠性。碰撞块的中心位于人体胸骨的中间，碰撞块的端面直径为0.152m、质量为23kg、速度为6.93m/s。根据这些数据对模型胸部碰撞块进行了碰撞仿真，得到了上述条件下时间和胸部变形的响应曲线，如图5、图6所示。从图6可以看出，这里的胸部位移和时间曲线与实际实验数据基本一致，可以证实该模型是可靠的。

图5 仿真模型Fig.5 Reliability Verification

图6 胸腔变形量与时间曲线Fig.6 Curve of Displacement of Thorax and Time

5 碰撞仿真条件设置

这里借鉴了文献[15]研究钝性碰撞肝脏时的思路，参考文献[16]等进行的胸部正面摆锤撞击尸体实验和文献[17−19]开展的胸部正面摆锤撞击实验，分别用薄壁长杆进行了正面、左斜侧、右斜侧方向上低速（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组仿真计算。其中正面碰撞时薄壁长杆中心对准胸骨剑突位置；斜侧碰撞时将薄壁长杆绕经过人体重心的纵轴线各旋转60°作为斜侧碰撞的方向，以此保证仿真对象不发生偏转，提高仿真的准确性。具体碰撞仿真示意图，如图7所示。具体仿真结果如表4所示。

图7 碰撞仿真图Fig.7 Collision Simulation Diagram

表4 仿真结果Tab.4 Material Parameter of Guardrail

6 肺部生物力学响应分析

6.1 肺部损伤机制分析

在速度为3.9m/s 的正面碰撞中，薄壁长杆首先碰撞胸骨剑突，胸骨连接肋软骨和肋骨，胸骨的位移带动肋软骨和肋骨一起向肺部挤压，此时整个胸廓发生剧烈形变。

随后胸骨、肋软骨和肋骨前段撞击肺部，导致左右两肺内侧面不断向内挤压，产生变形。随着变形量的不断增加，整个肺部开始逐渐相对于脊柱向后位移，胸廓也开始向后朝肺部肋面压迫，整个肺部被压向脊柱位移，造成肺部肋面的小部分变形，如图8所示。

图8 正面碰撞下模型位移云图Fig.8 Cloud Chart of Model Displacement Under Frontal Impact

在速度为5m/s的左斜侧碰撞中，薄壁长杆首先碰撞到左侧第4肋骨，左侧第4肋骨在撞击下逐渐发生弯曲并不断挤压左肺上叶正面中部。整个胸廓因为左侧第4肋骨的变形而发生向右后方的位移。随着肋骨的不断弯曲与挤压，左肺上叶表面承受不住压力而被撕裂，左肺因此破损。当左侧第4肋骨弯曲到它的屈服极限时，肋骨发生断裂。此后薄壁长杆继续撞击，侵彻了左肺上叶。而左侧第4肋骨也因为薄壁长杆的压迫与惯性继续向左肺上叶内侵彻。与此同时左肺被薄壁长杆和左侧第4肋骨强大的贯穿力牵扯而发生褶皱，向右肺内侧面压迫，造成右肺上叶与中叶的变形。至此，薄壁长杆与断裂的左侧第4肋骨完全侵入了左肺上叶，如图9所示。

图9 左斜侧碰撞下模型位移云图Fig.9 Cloud Chart of Model Displacement Under Left Oblique Side Impact

在速度为7m/s的右斜侧碰撞中，薄壁长杆首先碰撞到右侧第4肋骨，右侧第4肋骨在撞击下迅速发生弯曲并挤压右肺上叶和中叶正面中部。整个胸廓因为右侧第4肋骨的剧烈变形而发生向左后方的位移。由于薄壁长杆速度太快，薄壁长杆的撞击力太强，右肺上叶和中叶表面被右侧第4肋骨强大的剪切力瞬间切破，右肺因此破损。当右侧第4肋骨弯曲到它的屈服极限时，肋骨发生断裂，并且断成三段。

此后薄壁长杆继续侵彻，长杆与断裂的肋骨贯穿了右肺上叶与中叶的相交处。与此同时右肺被薄壁长杆和右侧第4肋骨牵扯向左肺内侧面压迫，造成左肺上叶的变形。至此，薄壁长杆与断裂的右侧第4肋骨完全侵入了右肺上叶，如图10所示。

图10 右斜侧碰撞下模型位移云图Fig.10 Cloud Chart of Model Displacement Under Right Oblique Side Impact

6.2 肺部力学响应分析

通过不同碰撞角度和速度条件下肺部的变形情况，可以发现肺部的变形主要分为局部变形和整体变形，它们主要集中在剑突相对于两肺内侧面挤压的位置和肋骨相对肺部肋面挤压的位置，因此将这三个位置分别标上序号，如图11所示。

图11 肺部损伤高风险位置Fig.11 High Risk Position of Lung Injury

对于九组仿真的结果进行分析，得出肺部（1～4）位置在不同条件仿真下的压力与时间曲线，如图12所示。

模型在薄壁长杆正面碰撞情况下，两肺在大小、结构和位置上几乎对称，因此1、4号位置压力曲线近似，2、3号位置压力曲线近似，应力主要集中分布在2、3号位置，即两肺内侧面相对剑突挤压的位置，如图12所示。由于两肺内侧面前端最先接触到被薄壁长杆撞击过来的胸骨，因此其压力值最大。随着速度的增大，压力峰值达到250kPa以上。

图12 肺部各位置压力响应及峰值分布Fig.12 Pressure Response and Eak Value Distribution of 4 Locations on Lung

而肺部组织较软，两肺的肋面受到挤压力度小，但随着整个胸廓的变形，胸廓前端后移，压迫两肺肋面，肋面所受压力逐渐增大，但不超过150kPa。

模型在薄壁长杆左侧碰撞情况下，应力主要集中分布在1位置，即左肺肋面与左侧第4肋骨相对挤压的位置，如图12（d）～图12（f）所示。

薄壁长杆撞击在左侧第四肋骨上，肋骨随后挤压左肺肋面，肋面压力急剧增加。随着速度的增加，肋面压力增大将近300kPa。

肋骨侵入左肺肋面过程中整个胸廓向右后方位移，压迫左肺内侧面。

此时左肺内侧面前端产生褶皱，并触碰到右肺内侧面，右肺内侧面受到挤压轻微变形，右肺肋面也因此受到细微压力波及，因此最先受到挤压的位置所受压力最大。

模型在薄壁长安右侧碰撞情况下的右肺肋面压力产生与增加方式同左侧碰撞下的情况基本相似，这里不多做说明。

分析各个位置在不同条件下的压力峰值，得到图12（j）～图12（l）。

从图中可以看出正面碰撞下2和3号位置、左侧碰撞下1号位置以及右侧碰撞下4号位置是肺部受到撞击时最易发生损伤的部位。

而随着速度的增加，各位置峰值随之增大，峰值差异逐渐减小。因此，若薄壁长杆的碰撞速度足够大，推测各位置的峰值可能达到一个临界点，趋于一个极值。

7 结论

（1）分析了薄壁长杆贯穿胸腔时的肺部损伤机制。通过九组仿真可以得出不同碰撞方向和不同速度下薄壁长杆对肺部造成损伤的部位和严重情况各不相同。但主要都是通过薄壁长杆对胸骨或者肋骨的猛烈撞击，造成胸骨或肋骨对两肺内侧面和肋面的挤压，与此同时整个胸廓跟随薄壁长杆的贯穿发生位置偏移，在偏移的过程中压迫肺部肋面造成轻微的变形。正面碰撞下肺部应力主要集中在两肺内侧面处，剑突对内侧面挤压造成的压力与位移最为明显，伴随胸廓位移对肋面的轻微压迫；左侧碰撞下肺部应力主要集中在左肺第4肋骨相对左肺肋面挤压处，伴随左肺发生褶皱挤压右肺以及胸廓位移对肋面的轻微压迫；右侧碰撞下肺部应力主要集中在右侧第4肋骨相对右肺肋面挤压处，伴随右肺发生褶皱挤压左肺以及胸廓位移对肋面的轻微压迫。

（2）分析了薄壁长杆侵彻胸腔时肺部的力学响应特性，为以后医护人员救治伤员以及车企对汽车的安全结构的完善起到一定指导作用。

（3）推测在速度足够大的情况下，薄壁长杆对肺部造成的压力可能趋于一个极值。

（4）这里中的模型结构还是不够复杂，省去了许多依附于胸腔骨架和肺部之间的器官与组织，仿真结果与实际情况可能不符。另外，本次仿真的沙漏时间过短，只了解了一小部分薄壁长杆撞击人体肺部的损伤情况，未能获悉薄壁长杆穿透整个胸腔模型后的情况，实属遗憾，未来将逐步完善。

（5）为进一步了解薄壁长杆撞击人体后的力学特性，未来作者将探究薄壁长杆本身的属性差异以及人体骨骼的差异化在碰撞过程中的影响，为以后护栏的相关改进奠定基础。