基于概率模型与体型特征的汽车乘员足踝损伤行为研究

Characteristics of human body exhibit significant influence on injury risk of occupant foot and ankle in motor vehicle crashes; however, little is known about the exact mechanism, and a biofidelic model is in lack. This proposed study seeks to focus on three critical scientific questions on the injury biomechanics of the foot and ankle: interactions between microscopic structure of biological tissues and macroscopic mechanical response, influence of whole-body characteristics, kinematic and injury response subject to complicated loading conditions. A stochastic injury model via probabilistic analysis and parameterized morphology via mesh morphing will be established. Then using the developed foot and ankle model and a valuable experimental database of 174 tests on Post-Mortem Human Subjects, the relationship of bony kinematics and injury patterns with human body characteristic will be explored. Furthermore, the kinetics, kinematics, injury initiation and progression will be investigated using numerical Design of Experiment and the generation of response surface. Upon clarifying the influence of population variability on the injury mechanism of foot and ankle area at multiple scales, knowledge and strategy will be proposed for restraint design towards effective occupant protection covering a wide population variability.

乘员体型等人群分布特征与道路交通事故中足踝部位的损伤风险显著相关，但其影响机理还不明确，并且缺乏合理的数值研究工具。本课题拟围绕足踝部位韧带与骨骼微观结构与宏观原位力学行为之间的作用机理、乘员体型特征对足踝损伤形式的影响、复杂加载工况下足踝的运动学响应与损伤特点这三个逐层深入的关键科学展开。本研究将建立韧带与骨骼的概率损伤模型、建立具备可参数化肌体几何形态的足踝数值模型作为有效研究手段；基于覆盖大范围体型特征与不同加载工况的174例尸体试验数据，研究人体体型特征函数及其对足踝损伤力学响应的影响；结合二者进行仿真矩阵分析，研究复杂加载工况下足踝韧带纤维组织和骨骼的微损伤扩展特点和踝关节结构的运动学响应与伤害形式。本课题结合先进的数值工具与实际人体试验数据，从微-宏观尺度上探索性的揭示乘员体型特征对足踝损伤生物力学行为的影响机制，为乘员安全防护提供理论基础与设计策略。

车辆安全与乘员保护是提高道路交通安全的支柱性研究。乘员体型等人群分布特征显著影响道路交通事故中的损伤风险，但其影响机理还不明确，并且缺乏合理的数值研究工具。.本项目通过应用生物力学与车辆工程学科交叉，聚焦汽车乘员足踝损伤行为，研究了复杂冲击工况乘员运动学响应与损伤特点，具体包括：（1）解析了非均衡加载下足踝韧带的载荷传递路径及损伤力学行为特性，基于覆盖大范围体型特征与不同加载工况的生物力学试验与数值计算数据，研究了体型特征等对足踝损伤响应的影响机理；（2）提出了融合韧带与骨骼细观结构及原位行为的概率损伤建模方法，开发了具备可参数化肌体材料与几何形态的人体数值模型，表征了亚洲人群体征分布特点及肌肉收缩特性；（3）构建了较大规模仿真矩阵分析，确立了足踝韧带纤维组织和骨骼微损伤扩展特点、关节结构运动学响应与伤害形式；（4）结合所开发的高生物逼真度人体模型，进一步建立了机理融合的多损伤快速预测算法框架并进行了初步验证，为后续研究工作提供了基础。通过项目研究内容，从细-宏观尺度上探索性的揭示了乘员体型特征对足踝损伤生物力学行为的影响机制，拓展建立了先进的数值方法与研究工具，为乘员安全防护提供了理论基础与设计策略参考。.项目执行期间获得省部级二等奖1项，国际会议最佳论文及报告奖2篇；申请中国发明专利11项，国际专利2项，其中授权中国发明专利4项；获得软件著作权4项；发表SCI/SSCI/EI收录学术论文19篇，其中期刊论文8篇，会议论文11篇。项目负责人入选第四届中国科协青年人才托举工程、北京市优秀人才培养资助项目等。培养博士后1人（在站），研究生7人（其中毕业硕士3人，在读博士生3人，在读硕士生1人），毕业学士4人，获清华大学车辆学院优秀学位论文1篇。依托项目内容进行拓展研究，项目负责人先后申请获得国家自然科学基金面上项目1项，承担国家重点研发计划子任务2项等。