第４１卷 第１期吉林大学学报（工学版） Ｖｏｌ．４１ Ｎｏ．１２０１１年１月Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｊｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｅｄｉｔｉｏｎ） Ｊａｎ．２０１１
韩 勇１，杨济匡１，２，李 凡１，刘凯扬１
（１．湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙４１００８２；２．查尔摩斯大学应用力学系，瑞典哥德
堡４１２９６）
摘 要：改进了人体下肢有限元模型，这个模型包括骨盆、股骨、髌骨、胫骨、腓骨、足骨，以及主
要的肌腱、膝关节囊、半月板和韧带。整个模型采用实体单元，壳单元和线性弹簧阻尼单元模
拟骨骼和软组织。比较实验与仿真中下肢的动力学响应参数与损伤分布，仿真模型的动力学
响应参数与损伤分布与实验吻合较好。应用多体动力学系统（ＭＢＳ）与已验证的下肢模型对
真实的汽车与行人碰撞事故进行多刚体系统及损伤重建，结果表明：本文提出的人体下肢模型
具有较好的生物逼真度和生物力学响应，可应用于人体下肢损伤机理及开发损伤防护设施的
研究。
关键词：车辆工程；有限元模型；下肢损伤；损伤机理；车辆－行人事故
中图分类号：Ｕ４６１．９１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７１－５４９７（２０１１）０１－０００６－０６
Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｌｏｗｅｒ ｅｘｔｒｅｍｉｔｙ ｆｒａｃｔｕｒｅｓ
ｉｎ ｖｅｈｉｃｌｅ－ｐｅｄｅｓｔｒｉａｎ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ
ＨＡＮ Ｙｏｎｇ１，ＹＡＮＧ Ｊｉ－ｋｕａｎｇ１，２，ＬＩ Ｆａｎ１，ＬＩＵ Ｋａｉ－ｙａｎｇ１
（１．Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ ａ
ｎｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｆｏｒ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｂｏｄｙ，Ｈｕｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１００８２，Ｃｈｉｎａ；２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，Ｃｈａｌｍｅｒｓ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｏｔｈｅｎｂｕｒｇ ４１２９６，Ｓｗｅｄｅｎ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｈｕｍａｎ ｌｏｗｅｒ ｅｘｔｒｅｍｉｔｙ ｗａｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｇｅｏｍｅｔｒｙ ｏｆｈｕｍａｎ ｓｋｅｌｅｔｏｎ ａｎａｔｏｍｙ．Ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｅｌｖｉｓ，ｔｈｅ ｆｅｍｕｒ，ｔｈｅ ｐａｔｅｌｌａ，ｔｈｅ ｔｉｂｉａ，ｔｈｅｆｉｂｕｌａ，ｔｈｅ ｆｏｏｔ ｂｏｎｅｓ，ｔｈｅ ｐｒｉｍａｒｙ ｔｅｎｄｏｎｓ，ｔｈｅ ｋｎｅｅ ｊｏｉｎｔ ｃａｐｓｕｌｅ，ｔｈｅ ｍｅｎｉｓｃｕｓ ａｎｄ ｌｉｇａｍｅｎｔｓ．Ｉｎｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｔｈｅ ｂｏｎｅｓ ａｎｄ ｓｏｆｔ ｔｉｓｓｕｅｓ ｗｅｒｅ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｓｏｌｉｄ ｅｌｅｍｅｎｔ，ｔｈｅ ｓｈｅｌｌ ｅｌｅｍｅｎｔ，ａｎｄ ｔｈｅｌｉｎｅａｒ ｓｐｒｉｎｇ－ｄａｍｐｅｒ ｅｌｅｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄ ｉｎｊｕｒｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｈｕｍａｎ ｌｏｗｅｒ ｅｘｔｒｅｍｉｔｙ ｗｉ
ｔｈ ｔｈｅ ｓｈｅａｒｉｎｇ－ｂｅｎｄｉｎｇ ｃａｄａｖｅｒ ｔｅｓｔｓ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄｉｎ ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈｅ ｖａｌｉｄｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ．Ｔｈｅ ｖａｌｉｄａｔｅｄ ｈｕｍａｎ ｌｏｗｅｒ ｅｘｔｒｅｍｉｔｙ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ａｎｅｘｉｓｔｉｎｇ ｐｅｄｅｓｔｒｉａｎ ｍｕｌｔｉ－ｂｏｄｙ ｍｏｄｅｌ ｗｅｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔ ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ－ｂｏｄｙ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｉｔｓ ｉｎｊｕｒｉｅｓ ｉｎｔｈｅ ｒｅａｌ－ｗｏｒｌｄ ｖｅｈｉｃｌｅ－ｐｅｄｅｓｔｒｉａｎ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ａｃｃｉｄｅｎｔ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｍｏｄｅｌ ｉｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄ ｂｙ ｂｅｔｔｅｒ ｂｉｏｆｉｄｅｌｉｔｙ ａｎｄ ｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｏｎｅ，ｂｅｉｎｇ ｈｅｌｐｆｕｌ ｔｏ
收稿日期：２００９－０３－０３．
基金项目：教育部高等学校学科创新引智计划项目（１１１－２－１１）；“８６３”国家高技术研究发展计划项目（２００６ＡＡ１１０１０１）；通用汽车研究与发展中心项目（ＧＭ－ＲＤ２０９）；湖南大学汽车车身先进设计制造国家重
点实验室自主研究项目（６０８７０００４）．
作者简介：韩勇（１９８４－），男，博士研究生．研究方向：汽车碰撞安全与行人下肢生物力学．Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｙｏｎｇ０８＠ｇｍａｉｌ．ｃｏｍ通信作者：杨济匡（１９４８－），男，教授，博士生导师．研究方向：损伤生物力学与汽车碰撞安全．
Ｅ－ｍａｉｌ：ｊｉｋｕａｎｇｙａｎｇ＠ｈｎｕ．ｃｎ
第１期韩 勇，等：汽车－行人碰撞中人体下肢骨折的有限元分析
ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｌｏｗｅｒ ｅｘｔｒｅｍｉｔｙ ｉｎｊｕｒｉｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｉｎｊｕｒｙ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅｓ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｖｅｈｉｃｌｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ；ｌｏｗｅｒ ｅｘｔｒｅｍｉｔｙ ｉｎｊｕｒｙ；ｉｎｊｕｒｙ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ｖｅｈｉｃｌｅ－ｐｅｄｅｓｔｒｉａｎ ａｃｃｉｄｅｎｔ
０ 引 言
交通事故中的人体下肢损伤通常是由行人与
车辆前部结构碰撞而导致的［１－２］。多年的研究［３］
结果表明，下肢发生损伤的类型包括：股骨骨折，
膝关节损伤（包括股骨髁和胫骨髁骨折，膝部韧带
的拉伤和撕裂），髌骨骨折，踝关节／足部的脱位骨
折。
以往对人体下肢耐受限度的研究主要是通过
人体尸体样本进行试验研究。Ｂｕｒｓｔｅｉｎ等［４］１９７６
年对不同年龄段的人体股骨和胫骨标本做了强度
分析，研究显示股骨的屈服强度为１０４～１２０
ＭＰａ，胫骨的屈服应力为１２０～１４０ＭＰａ。
当前，计算机仿真技术已被广泛应用于车辆
与行人碰撞事故建模。Ｙａｎｇ等［６］１９９６年在瑞典
开发了人体下肢的骨骼有限元模型，以研究下肢
在侧碰撞条件下的动力学响应和损伤参数。随着
计算机技术的快速发展，其他国家也相继开发了
人体下肢的有限元模型，例如：日本ＴＯＹＯＴＡ汽车公司建立了ＴＨＵＭＳ（Ｔｏｔａｌ Ｈｕｍａｎ Ｂｏｄｙ ｆｏｒＳａｆｅｔｙ）人体下肢模型［７］，同时，这些模型被用于汽车交通事故和运动事故的下肢损伤研究。目前我国尚缺少这样的基础性有限元模型来评估损伤风险和研究损伤机理，这方面的研究还处于基础阶段。方海峰等［８］２００５年建立了一个基于５０百分位行人的下肢有限元模型Ｈｕｍａｎ ｂｏｄｙ ｍｏｄｅｌｏｆ ｌｏｗｅｒ ｌｉｍｂ（ＨＢＭ－ｌｏｗｅｒ ｌｉｍｂ），对其进行胫骨的三点弯曲实验和模型整体的动力学响应验证，并初步应用其研究了下肢的动力学响应。但由于其生物逼真度不高，模型不能很好地预测下肢骨折和膝关节韧带的损伤风险。
本文在方海峰等的研究基础上进一步改进下肢模型，建立起骨骼的实体单元和膝关节韧带及半月板等重要的组织，对其动力学响应进行重新验证，并在验证的基础上应用此模型并结合行人交通事故数据对行人下肢骨折进行有限元分析，提出了下肢骨折的ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ失效应力极限。
１
人体下肢有限元模型
Ｈｕｍａｎ ｂｏｄｙ ｍｏｄｅｌ（ＨＢＭ－ｌｏｗｅｒ ｌｉｍｂ）模型［８］是采用ＬＳ－ＤＹＮＡ ３Ｄ程序开发的。本研究对该模型重新划分了网格，选择了一系列新的材料属性以及尸体试验的数据验证该模型。１．１ 几何形体与网格划分
模型（ＨＢＭ－ｌｉｍｂ ｍｏｄｅｌ）的几何数据来源于美国Ｖｉｅｗｐｏｉｎｔ ＴＭ公司，是基于一名５０百分位的成年男性行人的下肢主要解剖结构。模型包括骨盆、胫骨、股骨、腓骨、足骨以及主要的肌腱、膝关节囊、半月板和韧带。模型中，没有考虑皮肤和肌肉的建模。使用ＨＹＰＥＲＭＥＳＨ软件进行三维解剖学图像数据前处理和网格划分工作。为了使网格更精确地反映骨骼解剖学结构，壳单元的建模直接根据几何表面的形状进行网格划分，而骨骼的实体单元则采用扫描（Ｓｗｅ
ｅｐｉｎｇ）网格生成法进行划分，生成的下肢模型示例如图１所示。整个ＨＢＭ－ｌｉｍｂ ｍｏｄｅｌ如图１（ａ）所示，包括５３个部件，２９ １２４个节点，１８ ６３０个实体单元，１２ ４２７个壳单元，有效质量为１３．４ｋｇ。
图１ 下肢模型和长骨模型结构
Ｆｉｇ．１ Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｌｏｗｅｒ－ｌｉｍｂ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ
ｂｏｎｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
壳单元、体单元和线性弹簧－阻尼单元分别被应用于构建模型的不同部分。为了更好地体现骨骼的生理解剖学结构，股骨和胫骨的皮质骨的骨干部分使用实体单元，骨骺部分则采用壳单元。所有的松质骨模型使用实体单元划分，如图１（ｂ）所示。松质骨与皮质骨单元之间使用点对点接触定义（ｎｏｄｅ ｔｏ ｎｏｄｅ ｔｉｅｄ ｃｏｎｔａｃｔ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）。膝关节半月板的网格划分采用体单元，并与胫骨平台的接触定义为点对面的接触方式（ｎｏｄｅ ｔｏｓｕｒｆａｃｅ ｔｉｅｄ ｃｏｎｔａｃｔ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ），这样的接触定义
·
７
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吉林大学学报（工学版）第４１卷
可限制由于膝关节形变所导致的半月板相对胫骨
的滑动。模型中主要的韧带包括：内侧副韧带
（ＭＣＬ）、前十字交叉韧带（ＡＣＬ）、后十字交叉韧
带（ＰＣＬ）、外侧副韧带（ＬＣＬ）和髌韧带（ＰＬ），所
有的韧带使用壳单元划分，并以共节点的方式定
义与股骨、胫骨、腓骨的皮质骨的接触，同时，一些
低刚度的弹簧单元被用以定义膝关节囊。
在划分网格时，对模型整体进行单元的质量
控制。模型中只有２％的壳单元的雅各比数小于
０．７，而体单元的平均雅各比数为０．７，最小值为
０．４９。因此，计算结果不受网格质量的影响。
１．２ 材料特性
本模型中主要的材料特性来源于文献［６，９］。
组织（骨、韧带、软骨和肌腱）属各向异性的黏弹性
材料，但为了简化模型的材料属性，在本文中，松
质骨和皮质骨定义为各向同性的弹塑性材料。而
韧带的材料特性的定义采用了具有加载速率敏感
特征的材料，半月板定义为弹性材料（见表１）。
表１ 下肢模型的材料特性
Ｔａｂｌｅ １ Ｍａｔｅｒｉａｌ ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ ｏｆ ｍｏｄｅｌ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ
组 织材料
类型杨氏模量
／ＭＰａ
屈服应力湖南汽车网
／ＭＰａ
泊松
比
最终应
变／％
骰骨皮质骨弹塑性１３ ５００ １１５ ０．３ １．７
股骨头小梁骨弹塑性９００ ９．３ ０．３１５ １３．４
股骨下端小梁骨弹塑性６１６ ６．６ ０．３ １３．４
胫骨皮质骨弹塑性２０ ０３３ １２９ ０．３１５ １．６
腓骨皮质骨弹塑性１５ ０００ １２５ ０．３ １．６
胫骨小梁骨弹塑性４４５ ５．３ ０．３ １３．４
韧带弹塑性３４５ ２９．８ ０．２２ １５
半月板弹性 ２５０－０．３－
１．３ 模型验证方法
方海峰等［８］基于Ｎｙｐｕｉｓｔ等［５］的试验进行了胫骨三点弯曲验证，本文在其验证的基础上对１９９７年Ｋａｊｚｅｒ等［１０］的尸体试验进行仿真验证。在有限元模型中，根据Ｋａｊｚｅｒ的下肢尸体试验设置方法，在股骨头加垂直向下的４００Ｎ的预载荷以模拟上部身体重量；固定股骨模型上的一些节点以约束股骨上端的所有自由度，在股骨下端建立固定板以限制股骨下端在冲击载荷方向的自由度。在前部装了６．２５ｋｇ泡沫材料的碰撞器模型分别以４０ｋｍ／ｈ和２０ｋｍ／ｈ的速度撞击踝关节（弯曲实验）和膝关节下部（剪切实验）。在剪切仿
真实验中，鞋与地面直接接触，使之更真实地反映行人与地面的接触特性，鞋与地面的摩擦因子设为０．４，在弯曲仿真实验中，为了减少地面的摩擦力对弯曲试验结果的影响，鞋与地面的摩擦因子为０．０１。如图２所示［１０］。文献［１０］描述了尸体实验结果：股骨相对胫骨的相对位移以及标记Ｐ１和Ｐ２的位移－时间曲线。本文选择了４组身高和体重相似的尸体试验数据对ＨＢＭ下肢模型的动力学响应进行了验证，它们分别为８Ｓ和１６Ｓ的剪切试验，编号为７Ｂ和１４Ｂ的弯曲试验。
图２ 剪切试验（左）与弯曲试验（右）的有限元仿真设置Ｆｉｇ．２ ＦＥ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ ｓｈｅａｒｉｎｇ（ｌｅｆｔ）ａｎｄ ｂｅｎｄｉｎｇ
ｔｅｓｔ（ｒｉｇｈｔ）
１．４ 仿真实验标记的位移－时间曲线验证
仿真实验与尸体试验中胫骨上的标记Ｐ１和Ｐ２的位移－时间曲线比较如图３、图４所示。仿真实验得到的点Ｐ１和点Ｐ２的位移－时间曲线基本落在尸体试验曲线的走廊里，但有一些细微的差异，可能由下肢有限元模型的几何与材料特性等
图３ 有限元仿真与试验结果的对比（弯曲实验，４０ｋｍ／ｈ）
Ｆｉｇ．３ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ＦＥ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ
ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ（ｂｅｎｄｉｎｇ，４０ｋｍ／ｈ）
·８·
第１期韩 勇，等：汽车－
行人碰撞中人体下肢骨折的有限元分析
图４ 有限元仿真与试验结果的对比（剪切实验，
４０ｋｍ／ｈ）
Ｆｉｇ．４ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ＦＥ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ
ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ（ｓｈｅａｒｉｎｇ，４０ｋｍ／ｈ）
造成的。但是通过两点的位移与时间对比，可以
得出下肢的动力学响应与尸体实验是一致的，反
映整个ＨＭＢ－ｌｏｗｅｒ ｌｉｍｂ模型具有良好的生物力
学响应。
１．５ 仿真实验的损伤分布对比
通过对比仿真实验与尸体试验中下肢损伤的
分布（见表２），验证ＨＢＭ下肢模型对其损伤部
位的预测。
表２ 仿真实验８Ｓ／１６Ｓ和７Ｂ／１４Ｂ输出的下肢损伤参数
Ｔａｂｌｅ ２ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｉｎｊｕｒｙ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ＦＥ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ
实验编号仿真实验尸体试验
８Ｓ／１６Ｓ
股骨骨折
腓骨骨折
前交叉韧带撕裂
胫骨平台外侧骨折
前交叉韧带撕裂
７Ｂ／１４Ｂ胫骨侧副韧带撕裂股骨骨干骨折股骨下段骨折
在仿真实验８Ｓ／１６Ｓ中，股骨骨折出现在固定板的上方，腓骨也出现了骨折，但在标本实验１６Ｓ中并没有出现股骨与腓骨骨折的现象，然而，在其他的尸体标本的膝关节剪切实验中，有７０％
实验能观察到这种骨折现象，因此剪切实验仿真验证是有效。真７Ｂ／１４Ｂ，侧
副韧带出现撕裂，如图５所示。而在标本实验７Ｂ中只出现股骨中段骨折，而１４Ｂ中只出现股骨下段骨折，但在膝关节弯曲实验中可观察到胫骨侧副韧带撕裂损伤。由于尸体标本的差异性，因此认为这样的结果是可以接受的。
图５ 弯曲实验仿真中的ＭＣＬ在９ｍｓ时撕裂现象
Ｆｉｇ．５ Ｆｒａｃｔｕｒｅ ｐｈｅｎｏｍｅｎａ ｏｆ ＭＣＬ ｉｎ ＦＥ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ２ 行人事故分析
２．１ 案例描述
本文研究的案例源自湖南大学汽车安全研究中心现有的事故数据库。该数据库是由该中心的事故调查小组在对长沙市的车辆交通事故进行了深入故调查后开发的。在长沙交警部门和医院的协助下，小组成员对每个事故案例进行了详细的记录和分析，包括事故形态、车辆形变、接触特性以及损伤描述等信息。其中损伤按照简明损伤准则ＡＩＳ进行分类（Ａｂｂｒｅｖｉａｔｅｄ ｉｎｊｕｒｙ ｓｃａｌｅ）。
（ａ）股骨粗隆间骨折 （ｂ）腓骨及胫骨骨折
图６ 骨折ＣＴ图
Ｆｉｇ．６ ＣＴ ｓｃａｎ ｆｏｒ ｂｏｎｅ ｆｒａｃｔｕｒｅｓ
案例信息：一名５０岁男性行人在试图横穿马路不成，在路中双黄线处等待时被迫近的小型家庭车（ＳＦＣ）碰撞。司机首先发现该状况并紧急制动，但仍碰上了该男子，使其严重受伤。其下肢所受的损伤具体表现为：股骨粗隆间骨折（ＡＩＳ ３），
·
９
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吉林大学学报（工学版）
第４１卷
见图６（ａ），胫骨和腓骨近端骨折（ＡＩＳ ２），见图６（ｂ
）。这些损伤最初是由于与保险杠和引擎罩下缘碰撞引起的。２．２ 行人事故重建
研究中采用以多体动力学为基础的分析软件Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｄｙ
ｎａｍｉｃ ｍｏｄｅｌ（ＭＡＤＹＭＯ），建立了多体行人模型和事故车辆模型，
同时在重建中参考了事故现场中车辆和行人的相对位置以确定车辆和行人的相对碰撞速度和相对碰撞位置。车辆碰撞行人的初始时刻的输出参数将作为下肢损伤重建的输入条件。图７（ａ）碰撞时刻的多体动力学模型
。
（ａ）保险杠多体动力学模型 （ｂ
）初始碰撞时的有限元模型图７ 碰撞时刻的多体动力学模型与有限元模型Ｆｉｇ
．７ ＭＢＳ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ＦＥ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｔｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｉｍｐ
ａｃｔ多刚体行人模型是以Ｙａｎｇ等
［１１］
开发的ＣＰＭ（Ｃｈａｌｍｅｒｓ ｐ
ｅｄｅｓｔｒｉａｎ ｍｏｄｅｌ）为基础，以受伤者的身高和体重参数为标准，用ＭＡＤＹＭＯ自
带的ＧＥＢＯＤ程序进行模型缩放得到的，其具有良好的生物逼真度。模型包括１５个椭球，分别代表头、颈部、胸部、腹部、臀部、大腿和小腿，由１６个球铰连接。它可以通过胫骨段可破坏的铰链来模拟骨折。铰链失效的阈值为４ｋＮ的力或是２００Ｎｍ的力矩。
多刚体的汽车模型是基于事故车辆的几何数据开发的。车辆前部结构由一系列椭球组成，为了更好地体现保险杠的几何特征，保险杠采用了多面体（Ｆａｃｅｔ）模型，如图７（ａ
）所示。保险杠和引擎罩的刚度特征取自于Ｍａｒｔｉｎｅｚ［１２］中Ｅｕｒｏ－ＮＣＡＰ的试验参数。
事故重建中汽车的刹车距离、行人与车辆间的相对位置、
朝向以及接触点信息都来自事故案卷记录。由于行人碰撞时刻并未移动，因此行人
初始速度定义为０ｍ／ｓ。事故重建的目标是在保况相符的前提下，估计碰撞时刻的汽车速度以及与行人的相对位置。２．３ 下肢损伤重建
在真实的汽车与行人碰撞事故中，不同的碰撞情况导致不同下肢损伤类型。为了到在侧碰撞载荷条件下的物理参数与下肢损伤的关系，应用已验证的ＨＢＭ－ｌｏｗｅｒ
ｌｉｍｂ模型进行损伤重建。长骨的ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ等效应力定义为判断损伤的指标。在重建中输入的汽车速度等均为ＭＢＳ事故重建的输出结果。图７（ｂ）为在初始碰撞时刻的有限元模型，历时７０ｍｓ的动态碰撞过程由ＬＳ－Ｄ
ＹＮＡ程序计算完成。骨骼骨折现象是通过定义其材料的失效来反映的，当代表骨骼的有限元模型受到的应力超过
其失效应力时［１３］
，网格将从求解过程中自动删
除，
不再影响其他部位的力学响应。２．４ 行人碰撞事故的多刚体重建结果
在一系列的计算调整后，模型准确地预测汽车及行人的最终位置、两者之间的最终距离以及行人多刚体模型的动力学响应。并发现在碰撞中
胫骨段的铰链所受冲击力高于阈值水平，即表明胫骨和腓骨出现骨折现象。因此最终的重建结果是可接受的，
其计算结果用于损伤重建的输入参数如下：线速度（ｖｘ，ｖｙ）＝（０．０３２，－７．４３２）ｍ／ｓ；角速度ωｚ＝－
０．０４６ｒａｄ／ｓ。２．５ 利用有限元模型的损伤重建结果
图８（ａ）为胫骨平台和腓骨近端因与保险杠（ａ
）胫骨与腓骨骨折和应力图碰撞所发生的骨折，腓骨近端的ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ等效应力达到了１２５ＭＰａ。图８（ｂ）为因与引擎罩碰撞引起的股骨粗隆间骨折，其松质骨的Ｖｏｎ
Ｍｉｓｅｓ等效应力达到了９．
３ＭＰａ。腓骨近端和胫骨近端的ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ等效应力（１２５ＭＰａ）处于文献［７］
中的对胫骨和腓骨的失效应力（１００～１２５ＭＰａ）范围内。腓骨近端和股骨粗隆间的松质骨在仿真中同样发生了骨折。这
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