无网格伽辽金法和有限元法耦合的人体肺部对冲击载荷的动力学响应及损伤机理研究

Lung injury is the most common and deadly vehicle accident injuries. Understanding the injury mechanism of the lung under impact loadings is the basis to improve vehicle safety design and decrease the fatal injuries. Lung is consist of alveolus and other soft tissues, manifested as viscoelasticty properties, the existing numerical methods for lung injuries simplified as one-dimensional quality-spring model, it is difficult to accurately assess lung damage. The dynamic response and injury risk evaluation function for the viscoelasticty properties of the lung soft tissue under impact loading is the key scientific issues. This project aims at coupling the method of element-free Galerkin and finite element methods to develop the numerical analysis model of the lung. To study the dynamic response and injury parameters under impact loadings and the influence of the impact velocities on the response characteristic of the lung soft tissue material. Validating the effectiveness of the numerical model by using the physical experiments. Typical traffic accident cases with lung injuries are selected for lung injuries reconstruction to study the lung injury parameters and mechanism by using the validated model via the coupling method. Developing the injury risk function between loading impact velocities and chest compression f(v,c) for biomechanical basis of the chest viscous injury criterion (VCmax) and vehicle safety design. The study will promote research and application of the element-free method in biomechanics research area.

肺部是道路交通伤中易受损伤器官并引起伤亡的主要原因之一。对肺部的损伤机理研究是车辆安全设计和降低伤亡风险的必要生物力学基础。肺由肺泡及软组织组成，呈粘弹性。现有研究肺部损伤的数值方法将肺简化为一维的质量-弹簧模型，难以精确评估肺部损伤。本项目重点围绕肺部软组织粘弹性材料对冲击载荷动力学响应及损伤风险评价函数的关键科学问题，采用无网格伽辽金和有限元耦合方法构建肺部数值模型，研究在冲击载荷条件下肺部的动力学响应参数与损伤参数的关系及不同冲击速度对肺的粘弹性材料响应特性的影响，应用物理实验验证模型的有效性。并采用验证的模型和耦合方法重建典型交通事故案例中的肺损伤并研究肺部损伤参数和损伤机理, 建立肺对冲击速度和胸腔压缩量的损伤风险评价函数f(v, c)，为胸部粘性损伤准则（VCmax) 及车辆安全性设计提供生物力学基础。该研究将促进无网格法在生物力学研究领域的基础理论研究和应用。

交通事故事中的弱势道路使用者行人，二轮车者及车内儿童的交通事故死亡风险高，人体胸部的肺部损伤是常见的损伤，也是导致死亡的得要部位。特别是在国内，交通事故导致的行人和儿童死亡比例较高，一致受到了研究者和汽车工业界的重视，对肺部的损伤机理研究是车辆及零部件安全性设计和降低伤亡风险的重要基础。本项目首先研究了行人人体胸部软组织在不同汽车前部结构参数的碰撞载荷条件下的动力学响应参数和损伤机理究。建立了4种不同汽车前部结构有限元模型对胸部和软组织动力学响应参数及损伤机制进行了损伤机制分析；研究了胸部材料参数及对其碰撞响应特性分析，同时研究了汽车侧面碰撞和斜碰撞中人体胸部肋骨和软组织损伤响应参数分析；其次，通过与南方医科大学生物力学实验室合作，对人体肺部软组织的生物力学拉伸试验，建立了肺部软组织结构试验的方法和数据分析方法，得到了不同试验条件下的肺部软件的材料特性，为后续进行无网格分析奠定了基础；同时本项目采用儿童人体有限元模型研究在不同载荷条件下的运动力响应和胸部损伤机制研究，并通过动物小猪实验验证了肺部损伤类型及损伤风险，发现在五点式安全带和前置护体型儿童安全约束系统下，前置护体型儿童安全座椅对儿童人体胸部的压力较大，导致胸部压缩量较大，对肺等软组织损伤风险较大。同时小猪实验发现在前护板型的压溃下，在未有肋骨骨折的情况下，小猪的双侧的肺组织有挫伤，验证了VC粘性指标对胸部内软组织损伤评价的有效性。本次课题的研究对厘清人体胸部软组织及肺组织的损伤机理，促进汽车碰撞中人体胸部的生物力学研究都有重要意义。