面向正面碰撞的乘员腰椎生物力学模型与损伤机理

Advanced safety designs in newer cars generally provide more protections for occupants than older cars. However, recent field data analysis has shown that lumbar spine fractures has increased every year. But as lack of the spine injury evaluation criteria and test methods, the mechanism of lumbar spine fractures in frontal crashes is still unknown. Therefore considering the material strain rate effect under high-speed collision and the model failure criteria, the objective of this study intends to establish a detailed lumbar spine finite-element (FE) model including the vertebra, ligaments and intervertebral disc to improve the biological fidelity of lumbar spine in the human body FE model. A parametric study is conducted based on the validated human model to investigate the mechanism and risk factors associated with lumbar spine fractures in frontal crashes. Additional simulations will be conducted based on the parametric human body FE models to better understand how to design the restraint system for minimizing the lumbar spine fracture risks for different occupants. The success of this study will address the mechanism of lumbar injury and provide better understanding of how to design countermeasures to reduce occupant injuries in new generation of vehicle models.

新一代车型配置了更先进的乘员约束系统，但正面碰撞中腰椎骨折几率却逐年增加，其原因在于缺乏腰椎损伤的评价标准和测试手段，腰椎骨折损伤问题至今没有得到重视与解决。因此本项目拟建立考虑高速碰撞载荷下材料应变率效应、失效准则的腰椎损伤模型，提高人体腰椎模型的碰撞生物力学逼真度。采用该腰椎局部模型，研究碰撞冲击方向、冲击速度、接触摩擦系数、接触刚度对腰椎生物力学行为的影响，识别出腰椎骨折损伤的最大致伤因子，进而探索正面碰撞中乘员约束系统与腰椎损伤之间的力学关系，以揭示正面碰撞乘员腰椎骨折的损伤机理。结合腰椎损伤机理和参数化人体模型，建立面向不同体征的乘员约束系统参数最优匹配准则，提出正面碰撞腰椎防护装置设计理论与优化方法。本研究对于揭示正面碰撞腰椎损伤机理和研制新一代车型腰椎防护约束系统，具有重要的科学意义与应用价值。

新一代车型配置了更加先进与安全的乘员约束系统，提供了更好的乘员保护，因此在近年来的交通事故统计中，碰撞事故中乘员头胸、腹部和腿部等损伤正逐年下降。但是新车正面碰撞中出现的乘员腰椎骨折现象却比旧车更频繁，且呈现逐年增加趋势。由于目前的汽车碰撞试验法规，尚都没有腰椎损伤的相关评价标准，现有的碰撞假人也不能预测碰撞中腰椎受伤的风险，因此，建立具有更高生物力学仿真度的人体腰椎有限元模型，研究正面碰撞中乘员腰椎骨折损伤机理，探索正面碰撞中发生腰椎损伤的分析方法，以及防止乘员在正碰中发生腰椎骨折损伤的设计理论，具有重要的理论意义和实用价值。.本研究建立并验证了一个具有更好的生物力学特性的腰椎模型，对改进后的腰椎模型采用Taguchi DOE方法进行了腰椎损伤的参数敏感性分析。结果表明冲击速度和腰椎损伤之间具有显著相关性。当冲击速度控制在定值后，坐垫厚度和腰椎损伤之间显著相关。提高坐垫厚度的同时，减小坐垫刚度可以减小腰椎损伤风险。降低坐垫和腰椎之间的摩擦系数也能减小腰椎损伤风险。.本研究将腰椎有限元模型中的韧带进行改进，以此来研究韧带参数（刚度；失效区；松弛区；应变率效应）和腰椎曲率对于腰椎损伤的影响。结果表明韧带参数和腰椎曲率对于腰椎响应的影响很大。因此在有限元仿真中应重视韧带生物力学行为并保持其完整性，重视腰椎曲率的建模。.本研究基于验证过的车辆驾驶室有限元模型进行参数化模拟，研究中考虑的危险因素包括乘员坐姿、碰撞波形、车辆俯仰角、座椅结构、锚点式预紧器、安全带动态锁止器和肩带限力器。仿真结果显示，所有降低下潜风险的因素都增加了腰椎轴向力，这表明下潜与腰椎骨折之间存在矛盾关系。座椅结构是决定腰椎受力的最显著因素(P = 0.001)。碰撞波形的强度、峰值时刻和俯仰角对腰椎轴向力也很重要。此外，与直立姿势相比，后倾姿态会增加腰椎轴向力。本文为如何减少新一代车辆中乘员腰椎损伤提供了更好的理解。