皮下脂肪组织钝性冲击损伤机制的微结构材料模型构建与验证

针对钝性创伤中皮下脂肪组织(SAT)力学行为复杂且缺乏多载荷类型统一模型的问题，研究人员开发了基于微结构特征的圆形纤维模型(CFM)。该模型通过neo-Hookean部分模拟脂肪细胞，三组圆形纤维族表征基底膜增强结构(RBM)，仅需等双轴拉伸实验数据即可准确预测双轴拉伸(1:1/1:0.5/0.5:1)和简单剪切载荷下的力学响应，有限元实现与实验数据吻合度达EEARTH评分0.90以上，为法医生物力学中钝性损伤机制研究提供了新型分析工具。

　　

在法医生物力学和创伤研究中，钝性外力导致的皮下脂肪组织(SAT)损伤是最常见的伤害类型之一。作为人体最外层的保护屏障，SAT能吸收30%-69%的冲击能量，但其复杂的泡沫状微结构——由脂质填充的脂肪细胞(adipocytes)、包裹细胞的增强基底膜(RBM)和贯穿组织的隔膜纤维(septa fibers)组成——使得力学行为呈现显著的非线性、应变率依赖性和多模式耦合特性。现有研究多采用Ogden模型等唯象模型，但难以同时表征双轴拉伸与剪切响应，更无法揭示微观结构与宏观力学性能的关联。

为解决这一难题，研究人员开发了创新的圆形纤维模型(CFM)。该模型将应变能函数(SEF)分解为表征脂肪细胞的neo-Hookean部分和模拟RBM的三组圆形纤维族，通过椭圆周长公式推导纤维拉伸量λ_CF,i
。仅用等双轴拉伸实验数据拟合参数后，模型即能准确预测非等比例双轴拉伸(1:0.5/0.5:1)和rθ/rz模式简单剪切下的应力-应变响应。有限元实现采用LS-DYNA用户自定义材料，通过单元素测试验证了算法精度(EEARTH评分>0.99)，并成功复现了40×40×5 mm³
样本的双轴拉伸和8 mm立方体剪切实验。

关键技术包括：1) 基于组织学图像构建RBM的圆形纤维简化理论；2) 采用MATLAB进行参数拟合与EEARTH客观评价；3) LS-DYNA显式有限元实现与实验数据对比验证。实验数据来源于Sommer等发表的腹部SAT测试结果。

【材料模型】
通过假设RBM胶原纤维均匀分布，将其简化为三组主平面内的圆形纤维族。当λ₁
²
+λ₂
²
≥2时激活纤维贡献，采用指数型应变能函数实现"J形"应力响应。该设计使模型仅需3个参数(c=0.0095 kPa, k₁
=0.429 kPa, k₂
=11.6)，显著优于需6参数的Ogden模型。

【有限元实现】
采用近不可压缩假设和体积-偏量分解，在LS-DYNA中开发用户子程序。单元素测试显示数值解与解析解在双轴拉伸(ES=1.0)和剪切(ES=1.0)中高度吻合，验证了算法正确性。

【实验验证】
组件级仿真显示：双轴拉伸工况下应力-应变曲线与实验数据ES达0.99；简单剪切工况因实际边界条件复杂，仿真结果比解析解更接近实验(ES从0.81提升至0.90)，揭示模型具备实际应用潜力。

该研究首次建立了SAT微结构与多轴力学响应的定量关联，其创新性体现在：1) 通过圆形纤维族巧妙简化RBM的复杂拓扑结构；2) 实现单组参数预测拉伸/剪切耦合响应；3) 计算效率较Ogden模型提升10-30倍。尽管当前版本未考虑隔膜纤维各向异性和应变率效应，但为后续研究奠定了理论基础。该模型有望应用于汽车碰撞安全评估、防护装备设计等领域，为钝性创伤的法医学鉴定提供量化分析工具。未来工作将整合纤维取向数据与粘超弹性本构，进一步逼近SAT的真实力学行为。