在数值重建的真实世界近侧汽车碰撞中，减少主动脉应变的车辆原因因素和概念设计修改

摘要

主动脉损伤导致主动脉破裂在现代社会是一种罕见但致命的创伤后果。最近的估计是，每年有7500至8000例各种原因造成的病例。据观察，80%以上的主动脉损伤患者因失血进入胸腔而当场死亡。可见，从根本上提高车祸致人工智能效果的有效手段是预防损伤。在当前的研究中,16计算机实验设计(公司)进行了不同程度的主方向的力(PDOF),影响速度,影响身高,和子弹的位置影响车辆结合主人的座位位置的车辆来确定这些因素对主动脉损伤的影响。此外，结合碰撞损伤研究与工程网络(CIREN)数据库、有限元(FE)车辆模型和韦恩州人体模型ii (WSHBM-II)报告的真实碰撞数据表明乘员座位、碰撞高度和PDOF在主动脉损伤中起主要作用。

1.介绍

TRA和钝性主动脉损伤(BAI)是高速撞击创伤中死亡的主要原因。Smith and Chang [1]报告了387例车祸致钝挫伤死亡病例，发现主动脉损伤是仅次于头部损伤的第二大死因。他们还报告说，近85%的主动脉撕裂的受害者当场死亡。此外，大多数主动脉损伤病例伴有头部损伤、肋骨骨折和/或肝脏损伤(Burkhart et al. [2])。

这些病例的损伤机制和损伤阈值可能与主动脉及其周围组织的特殊解剖生理有关。然而，文献数据显示，在侧向撞击中，b柱侵入结合居住者侧向滑入侵入的b柱及其相关结构是造成主动脉损伤的主要原因[3.，4］．此外，高主动脉张力被认为是主动脉撕裂的主要因素，主要分布在峡部周围区域，左锁骨下动脉起源的远端[3.- - - - - -7］．

近年来，复杂有限元（FE）计算机模型的出现大大有助于确定伤害原因。2005年，Shah等人完善了人体模型的第一个版本，以开发Wayne State人体模型II（WSHBM-II）它有详细的胸部器官，包括心脏、主动脉和肺[3.]。WSHBM共有79471个节点和94484个元素，质量为75.6千克。

2.方法和材料

为了进一步了解主动脉损伤的机制，我们在modelfrontier 4.0 (ESTECO North America)中进行了一项基于因果关系的DOCE研究，研究对象为5个设计因素的16个不同组合，使用拉丁方法生成[6，8］．如Siegel等人2010年所述，重建分两个阶段进行。在第一阶段，从碰撞损伤研究与工程网络(CIREN)数据库获得的事故报告(案例#7，来自[4])。在第二阶段，有16宗个案考虑了乘客的影响。附录一个和B为了完整性，描述重构过程并详细描述案例#7。

选择了五个设计因素，冲击高度、冲击位置、PDOF和子弹车的初始速度，以及案例车辆中不同的乘员座位，每个因素都有两到四个水平的变化，这些变化是从Siegel et al.2010中提供的CIREN数据附近选择的。表1列出模拟的设计系数和范围1(一)和1 (b)用图形演示这些位置。同样，将车辆运动学时间历史作为WSHBM的输入，以确定FE模型预测主动脉损伤的风险。

基线案例车辆，2001 FE福特金牛座模型，与选定案例中的撞击车辆模型相似，用作DOCE研究的目标车辆。对于引人注目的车辆，模拟使用了2002年道奇大篷车和2002年福特探险家的有限元模型，前者具有类似轿车的低保险杠轮廓，后者具有比轿车更高的保险杠轮廓。选择撞击位置作为中心，300 向前移动毫米或300毫米 箱型车辆B柱向后mm。选择PDOF和初始速度以覆盖先前CIREN案例中的值范围。最后，选择的乘员座位覆盖了座椅apt范围的全部范围（250 对于2001年福特金牛座，座椅靠背角度为110度。也就是说，乘员被安置在轨道中间，125 中轨前方mm，或125 中间轨道向后mm。桌子2列出使用拉丁方采样方法（modeFRONTIER 4.0）的DOCE输出。

反应变量为平均最大主应变(AMPS)和主动脉最大压力。对于AMPS，选取最大主应变区域内的4个相邻单元，取平均值;对于压力，将整个模拟过程中主动脉的最大值制成表格。

3.结果与讨论

表格2列出使用来自modelfrontier的拉丁方抽样和输出变量导出的DOCE测试矩阵。每个案例运行的最大模拟时间已制成表格，以建立一个标准化的时间尺度进行比较。根据LS-DYNA的术语，由于“负体积”，一些模拟比另一个提前终止。

模拟结果显示，在所有运行中，最大主应变均发生在主动脉峡部附近，左锁骨下动脉口的远端。在第5次试跑中，最大应变为32.4%，这是一辆轿车以55公里/小时的速度撞击b柱(270度)，坐在b柱旁边的乘客。在第14次试验中观察到2.5%的低应变，这是一辆轿车以310度角和30公里/小时的速度撞击b柱左侧300毫米，乘客坐在b柱前125毫米。

为了确定关键因素，在Minitab 16.1 (Minitab Inc.， PA)中基于表中所列的FE模型预测结果进行了“主效应”分析2．数据2和3.分别总结WSHBM预测的选定设计因素、峡部AMP和主动脉峰值压力之间的关系。

值得注意的是，270度的PDOF导致了最高的平均AMPS(图)2（a）（A） ）在所有研究的因素和水平中。冲击速度的增加与最大主应变的增加直接相关（图2（a）(B))，而一名乘员坐在B柱旁，对B柱的冲击似乎在地峡区域产生了更高的应变(图)2（a）(C)和2（a）（D） ）。与直觉思维相反，与福特探索者车型所代表的高调SUV相比，带有轻薄保险杠的道奇大篷车的撞击产生了更高的地峡应变（图2（a）(E))。从帕累托效应图中我们观察到，PDOF和乘员座位位置的组合，以及保险杠外形高度和乘员位置对产生的应变有显著影响(图)2（b）).

从图3（a）（A） ，270度的PDOF在所有四个模拟PDOF中产生最高的主动脉压力。随着撞击速度的增加，主动脉压力也增加，并且在速度为46.6度后，似乎变化不大 公里/小时（图3（a）（B） ）。与最大主应变的结果相反，冲击位置集中在B柱上（图3（a）（C） ），坐在B柱上的乘员（图3（a）(D))产生最低的主动脉压力，较高的保险杠剖面产生较高的主动脉压力(图3（a）(E))。与之前的研究结果类似，帕累托效应图显示，在16次模拟中，PDOF和乘员座位位置、保险杠外形高度和乘员位置的组合对主动脉产生的最大压力有显著影响(图)3（b）).

学生的-使用modeFRONTIER 4.0进行试验，以确定每个设计因素的显著性水平。发现PDOF()有显著的负面影响，冲击速度()有边缘显著的正向影响，而影响高度()对有限元模型预测的最大主应变有极显著的负影响。撞击位置()及居住者职位()对FE模型预测的最大主应变没有显著影响。根据有限元模型预测的主动脉峰值压力、撞击速度()PDOF时有显著的积极作用()产生了显著的负面影响。其他因素，乘员位置()，冲击高度()，以及撞击位置()，对FE模型预测的主动脉压力没有显著影响。

巴斯等人[9]报告在120℃时主动脉撕裂的风险为50% kPa适用于68岁的居住者。此外，Shah等人于2006年[10]使用双轴固定装置测试了八个十字形尸体主动脉，直到失败，报告平均纵向失败应变为22.1%。他们将失败定义为主动脉三层（内膜、中膜和外膜）全部撕裂。利用应变（0.221）和压力（120 kPa）作为主动脉衰竭的阈值，表3.报告了平均AMPS和平均最大压力及其意义，分别分析了基于应变和压力准则的失效因素。

从表中可以看出3.对于基于应变的标准，故障运行次数对于AMPS而言非常重要，而对于基于压力的标准，故障运行次数对于最大压力而言非常重要。主动脉衰竭与应变和压力的联合作用没有相关性。表中的数据也支持这一点2其中，在某一特定运行中，最大AMPS发生的时间和主动脉最大压力之间没有发现相关性。

虽然在撞击速度、PDOF或最大压力方面没有显著差异，但值得注意的是，主动脉破裂的情况下，有一辆低保险杠外形的子弹车（轿车）.观察到，在保险杠轮廓较低的跑步中，扶手被推入胸部，而保险杠轮廓较高时扶手完全缺失。此外，还发现道奇大篷车（2028.1）之间的质量差为488.5千克 kgs）和福特探险家（1539.6 kgs）有限元模型。两次撞击之间的动量差异可能会对侵入模式产生影响。在两个有限元模型之间对平均最大主应变进行单向方差分析()和主动脉的最大压力()不显著。

我们注意到当前研究的几个局限性。即使车辆模型精确地按比例匹配的大小和重量的情况下，车辆的刚度和内部车厢的细节没有补偿。同样重要的是要观察到，由于各种内部部件的弹性模量的差异，测量到的外部变形可能与类似的乘员舱室侵入力和接触力不一致。由于在外部表面的个别点测量变形剖面，导致实际和模拟剖面的变化，这一事实加剧了这一问题。

4.结论

使用FE车辆模型和第二版Wayne State人体模型进行了16次DOCE试验。在模拟的左侧左侧侧面碰撞中，峰值平均最大主应变主要发生在主动脉峡部，左侧锁骨下动脉开口的远端。计算机实验设计的结果表明：我不相信乘员座椅位置、保险杠轮廓高度和碰撞PDOF，在这个顺序中，它在主动脉张力和压力的产生中起着至关重要的作用，这是在车祸中造成主动脉创伤性破裂的潜在损伤机制。

附录

A.有限元重建方法

从美国国家碰撞分析中心(NCAC)网站下载的2001款福特金牛座和2002款道奇Caravan FE车型，分别按轴距、宽度和高度等整体尺寸进行了调整。此外，汽车质量通过移除一些部件来调整，如后保险杠，这通常不会涉及左侧或正面碰撞。驾驶员的重量通过在驾驶员座位的重心上增加一个集总质量(来自案例数据)来补偿。注意确保整体重心和总质量没有改变。同样，对撞击车辆进行建模，并根据事故调查数据对两辆车进行定位。初始速度作为矢量分量应用于撞击车辆，由PDOF定义。总模拟时间分配以确保达到最大变形(弹塑性)。所有仿真使用Hypermesh 9.0 (Altair Corporation, Troy, MI)作为预处理器，LS-DYNA 970的MPP版本在一个四节点集群(每个节点两个处理器)上作为求解器，LS-PrePost 2.4 (LSTC Corporation, Livermore, CA)作为后处理器。将模拟得到的构造变形深度与CIREN数据中根据SAEJ2433报告的C1至C6变形剖面进行比较(图)4).

在被撞击的壳体车辆上建立局部坐标系，以获得局部轴上的变形。对于案例车辆，将驾驶员侧结构（包括前后门框、车门扶手和左侧B柱节点）分组，并将其运动记录在单独的二进制接口文件中。这些接口文件用作第二阶段模拟的输入。

在阶段II中，界面文件被用作WSHBM乘员模型的输入，其中包括节点运动学历史和可能与乘员交互的案例车辆结构的子模型(左车门结构)。根据表中定义的DOCE设置的值范围定位WSHBM1.在车辆内部子模型和乘员模型的内部结构之间创建了一个接触界面。仿真输出提供了车辆峰值变形时的总体乘员运动学以及乘员模型预测的主动脉中的平均最大主应变（AMPS）和最大压力。

B.案例#7描述

本病例涉及一名34岁非裔美国男性司机（体重=83） 千克和高度=1630 1993年丰田花冠（重量=1085）的 千克）被1996年道奇商队（重量=1085）侧面击中 受试者当时正在使用三点式安全带系统和碰撞时展开的正面安全气囊。患者受到致命伤害，包括30人受伤 峡部右后侧主动脉峡部横裂伤mm，位于35 左锁骨下动脉口远端mm。合并主动脉夹层和纵隔出血。第二次致命伤涉及“铰链”基底颅骨骨折类型为寰枕关节脱位。司机当场死亡。WinSmash计算的案例车辆碰撞Delta-V为59 在PDOF为280度的情况下，撞击速度为kph。

利益冲突

兹证明Aditya Belwadi和King H.Yang均未获得任何组织或商标对本文的任何经济利益或支持或协助。

致谢

南方损伤生物力学协会(SCIB)资助了这项研究。作者非常感谢John Siegel博士(新泽西医学院，NJ)提供了CIREN的数据。主要作者也获得了2009年安东尼和凯尔斯奖学金。

参考文献

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2. H.M.Burkhart，G.A.Gomez，L.E.Jacobson，J.E.Pless和T.A.Broadie，“致命钝性主动脉损伤：242例尸检病例回顾，”创伤、感染和重症护理杂志，第50卷，第5期。1，页113-115,2001。视图:出版商的网站|谷歌学者
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4. J. H. Siegel, a . Belwadi, J. a . Smith, C. Shah，和K. Yang，“使用基于计算机的有限元数值模型分析现实机动车碰撞中主动脉峡部侧向冲击破坏的机制:模拟预防策略”，创伤、感染和重症护理杂志，第68卷，第6期，第1375-13942010页。视图:出版商的网站|谷歌学者
5. C. S. Shah, M. Maddali, S. a . Mungikar等人，“使用有限元建模来检查创伤性主动脉破裂的真实碰撞分析”SAE乘员安全、关键安全系统和耐撞性世界大会论文集，美国密歇根州底特律，2005年4月。视图:谷歌学者
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7. W.N.Hardy，C.S.Shah，M.J.Mason等人，“创伤性主动脉破裂及相关峡部周围运动和变形的机制，”斯塔普汽车碰撞杂志，第52卷，第233-265页，2008年。视图:谷歌学者
8. s·e·巴梅尔和j·罗斯坦，《9×9拉丁方块的数量》离散数学，第11卷，第93-951975页。视图:出版商的网站|谷歌学者|数学网
9. C. R. Bass, K. Darvish, B. Bush等，“创伤性主动脉破裂建模的材料属性”，斯塔普汽车碰撞杂志，第45卷，第143-160页，2001。视图:谷歌学者
10. C.S.Shah，W.N.Hardy，M.J.Mason等人，“人类尸体主动脉的动态双轴组织特性，”斯塔普汽车碰撞杂志，第50卷，217 - 246,2006年。视图:谷歌学者

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