基于有限元模型的3岁儿童乘员胸腹部碰撞损伤分析

发布时间：2020-03-28 23:21

【摘要】：交通事故统计数据显示,胸腹部损伤是导致儿童乘员伤亡的主要形式之一。研究儿童胸腹部损伤机理对汽车设计安全性和降低儿童乘员胸腹部损伤风险具有非常重要的研究意义。尸体实验是研究儿童胸腹部损伤机理的一种有效方式,但由于样本获取困难且重复率低,其应用受到限制。但近几年有限元仿真技术快速发展,使有限元碰撞仿真成为研究儿童胸腹部损伤机理的重要方式之一。本文利用实验室同课题组构建并经过有效性验证的3岁和6岁儿童乘员有限元胸腹部有限元模型,通过重构欧阳钧所做的儿童尸体实验,从胸部压缩量、接触力以及胸部心脏和肺脏最大第一主应变的角度,对比分析试验撞锤大小、材料参数及几何特征参数对胸部损伤的影响。结果表明,几何特征参数对儿童胸部损伤的影响最明显,材料参数和试验所采用的撞锤大小对儿童胸部损伤存在一定的影响,但影响较小。应用验证有效的3岁和6岁儿童乘员有限元模型,参照ECE R44法规中的滑车实验,将两组不同年龄的儿童模型分别采用五点式儿童安全约束系统进行约束,对3岁和6岁儿童在正面碰撞过程中胸腹部损伤严重程度及位置的差异进行对比探讨。由于不同年龄儿童胸腹部各内脏组织发育程度不同,3岁和6岁儿童模型胸腹部损伤的严重程度及位置均出现较明显的差异。除此之外,还研究了正面碰撞过程中不同初速度对3岁儿童乘员胸腹部损伤响应的影响。结果表明,在初始速度不同的3组仿真试验中,3岁儿童乘员胸腹部损伤严重程度及损伤位置均出现差异:3岁儿童乘员胸腹部损伤程度并不是单纯地随着初始速度的增加而增加,需要结合胸腹部损伤的各种指标综合分析。构建完整的3岁儿童上肢有限元模型,并将上肢有限元模型与儿童胸腹部模型连接。参照E-NCAP实验设置,将3岁儿童乘员模型以正常乘坐以及上肢举起两种姿势放置于汽车后排座椅,并采用五点式儿童安全座椅对其进行约束,对比分析在侧面刚性柱碰撞过程中,两种不同姿势对胸腹部损伤的影响。结果表明,上肢在侧面碰撞过程中能够吸收一部分碰撞产生的能量,减弱了车内部件及安全座椅与乘员胸腹部的直接碰撞,对乘员胸腹部起到了一定程度的保护作用。
【图文】：

儿童,乘员,有限元模型

模型主要由两种方法构建获得。第一种方法是对成人有限元模型进行缩放而构建。逡逑Ｍｉｚｕｎｒ邋（２００５）等通过缩放５０百分位成人乘员的模型获得３岁儿童乘员有限元逡逑模型，如图１－２所示。但是儿童并不是成人的缩小版，对成人有限元模型进行等比逡逑例缩放而构建的儿童有限元模型并不能真实反映儿童真实的生理学结构及特征。因逡逑此，基于不同年龄儿童的ＣＴ数据，从而构建具有真实生理学结构的儿童有限元模逡逑型的第二种方法应用更为广泛。逡逑图１－２邋３岁儿童乘员有限元模型逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋３－ｙｅａｒ－ｏｌｄ邋ｃｈｉｌｄ邋ｆｉｎｉｔｅ邋ｅｌｅｍｅｎｔ邋ｍｏｄｅｌ逡逑蒋彬辉等４１（２０１４）构建了具有详细解剖学结构的１０岁儿童胸部有限元模型，逡逑如图１－３所示，并对该模型进行了静态加载实验验证模型有效性及对胸部损伤情况逡逑的分析。逡逑３逡逑

模型图,胸腹部,儿童,乘员

（ａ）逦（ｂ）逡逑图１－３邋１０岁儿童胸部有限元模型逡逑（ａ）邋１０岁儿童的骨骼组织；（ｂ）邋１０岁儿童完整结构逡逑Ｆｉｇ．邋１邋－３邋１０－ｙｅａｒ－ｏｌｄ邋ｃｈｉｌｄ邋ｔｈｏｒａｘ邋ＦＥ邋ｍｏｄｅｌ逡逑于翱洋［ｌ５］（２０１２）构建相对比较完整的６岁儿童腹部有限元模型，并应用Ｌｓ－Ｄｙｎａ逡逑有限元分析软件，重构Ｋｉｎｇ邋Ｈ．邋［１６］邋（１９８４）所进行的Ｌ４－Ｌ５腰椎尸体实验以及Ｖｉａｎ0［１７］逡逑（１９８９）所做腹部侧碰实验验证了邋６岁儿童腹部模型的有效性。１＾［１８］等（２０１５）构逡逑建６岁儿童行人胸腹部有限元模型，如图１－４所示，重构Ｏｕｙａｎｇ儿童尸体实验，得逡逑出的胸腹部力－位移曲线在尸体实验通道内，而且通过ＶＣ曲线以及内脏最大第一主逡逑应变判断内脏损伤，与尸体实验结果相一致，验证了模型的有效性。逡逑ｆｆyU梊电逡逑｜｜脚逡逑图１－４邋６岁儿童乘员胸腹部模型逡逑Ｆｉｇ．邋１－４邋６－ｙｅａｒ－ｏｌｄ邋ｃｈｉｌｄ邋ｏｃｃｕｐａｎｔ邋ｔｈｏｒａｃｉｃ邋ａｎｄ邋ａｂｄｏｍｅｎ邋ＦＥ邋ｍｏｄｅｌ逡逑卫志强［１９］邋（２０１５）和孙田军［２（）］邋（２０１５）在６岁儿童（躺姿）几何数据的基础上，逡逑调整构建了邋６岁儿童乘员胸腹部有限元模型，如图１－５邋（ａ）、（ｂ）所示。卫志强参逡逑照Ｋｒｏｅｌｌ邋０＾２１］尸体实验的方法验证了模型的有效性
【学位授予单位】：天津科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U467.14

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