6岁儿童颈部建模及汽车尾撞工况下损伤研究
发布时间：2020-07-30 12:22
【摘要】：汽车碰撞容易对儿童颈部造成损伤,由于儿童颈部处于生长发育阶段,其颈部损伤比例比成年人更高,49.4%的颈部损伤是由于尾撞导致的。目前国内外对成人颈部的损伤研究较多,而对车辆尾撞中儿童颈部损伤研究较少。因此,开展汽车尾撞工况下儿童颈部损伤研究有助于提高儿童颈部的损伤防护。采用创新性方法将30个3-10岁的儿童颈部CT样本自动提取出能够代表颈椎椎骨复杂三维形态的几何标志点。依据各样本的几何标志点,利用主成分分析和回归的方法建立儿童颈部几何统计学模型。根据建立的模型,可以预测出不同年龄和颈部周长的儿童颈椎的空间几何形态。另外,运用混合线性模型统计了 30个模型的年龄、椎骨位置及两者之间相互作用对椎骨长度、宽度及椎体周长和椎体高度的影响显著性。依据6岁儿童的颈部CT数据,首先采用分块-投影的方式对具有复杂空间形态的颈椎椎骨划分了高质量的六面体网格,然后按照解剖学结构建立颈部的椎间盘、软骨、韧带和肌肉等网格模型;最后对建立的每一部分模型定义了材料的本构方程及相应参数,完成整个儿童颈椎有限元模型的建立。针对建立的颈部有限元模型,基于文献中的尸体试验数据依次对C0-C2、C4-C5、C6-C7以及整个颈椎进行仿真验证,验证结果表明建立的颈部模型具有较高的生物逼真度。为了使用经验证的有限元模型评价车辆尾撞工况下颈部的损伤情况,首先,在MYDYMO中建立了假人-座椅多体动力学模型,按照真实的尾撞工况进行仿真获得了假人颈椎底部的加速度曲线;然后,将获取的加速度曲线作为边界条件施加在有限元模型的T1颈椎段上进行尾撞工况下仿真;其次,根据仿真结果,分析头颈部有限元模型中各组织的生物力学响应及颈部损伤情况;最后,对座椅靠背的刚度和尾撞加速度曲线进行参数化仿真分析,分析参数变化对儿童颈部损伤的影响规律。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U467.14
【图文】：
Ａｒｂｏｇａｓｔ等Ｗ通过２０个６－１４岁的儿童志愿者研宄了头颈部之间的力学传递响逡逑应，将儿童志愿者通过安全带约束在台车上，进行了平均减速度为３ｇ的台车正面逡逑碰撞试验，如图１－２所示。通过追踪标记点的形式记录了头顶、外耳道、Ｃ４、Ｔ１逡逑等位置的轨迹曲线。通过对不同年龄儿童志愿者轨迹点的记录发现：随着儿童志逡逑愿者年龄减小，样本的标志点向前的位移量有着明显的增加，颈椎发生前屈并且逡逑有更多的向上的移动量。发生头颈部弯曲的位置大部分是在Ｃ６－Ｔ１的位置而不是逡逑发生在颈椎的上部，年龄越小的志愿者个体，发生前屈的位移量也越大。逡逑图１－２儿童志愿者低速台车碰撞实验逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ邋ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ邋ｏｎ邋ｃｈｉｌｄｒｅｎ邋ｖｏｌｕｎｔｅｅｒｓ邋ａｔ邋ｌｏｗ邋ｓｐｅｅｄ逡逑研宄人员还对成人志愿者及尸体进行不同工况下的碰撞实验。Ｍｅｒｔｚ和Ｐａｔｒｉｃｋ逡逑等［６１利用志愿者和尸体样本进行不同速度下的碰撞实验，在碰撞实验中获得了颈部逡逑最大弯矩、头部加速度、轴向压缩力、剪切力等实验数据，通过观察样本发现造逡逑成颈部损伤的原因可能是软组织的损伤；Ｆｅｎｇ邋Ｌｕａｎ等ｍ利用尸体样本进行追尾碰逡逑撞实验，得出样本受到载荷方式与颈部运动状态之间的关系。逡逑Ｙｏｉｃｈｉ邋Ｗａｔａｎａｂｅ等人对志愿者进行低速后碰撞实验，通过实验研究了驾驶员逡逑在尾撞工况下座椅特性对其运动产生的影响。为了避免志愿者受到伤害，因此碰逡逑撞速度相对较低
逑歐逡逑图１－３十岁儿童头颈部有限元模型逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ａ邋ｔｅｎ－ｙｅａｒ－ｏｌｄ邋ｃｈｉｌｄ邋ｎｅｃｋ邋ｆｉｎｉｔｅ邋ｅｌｅｍｅｎｔ邋ｍｏｄｅｌ逡逑吕文乐［１８］等人开发了一个６岁儿童全颈有限元模型，该模型基于６岁儿童的逡逑ＣＴ图像建立，包含完整的椎骨和椎间盘结构，应用膜单元建立的韧带组织，肌肉逡逑和脂肪采用的是六面体单元，皮肤采用壳单元建立。模型采用的材料参数是通过逡逑缩放成人参数获取的并应用该模型进行颈椎段的动态拉伸实验、全颈椎拉伸实验逡逑验证。逡逑｜ｋ：逦＼逡逑n牛眿
本文编号：2775535
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U467.14
【图文】：
Ａｒｂｏｇａｓｔ等Ｗ通过２０个６－１４岁的儿童志愿者研宄了头颈部之间的力学传递响逡逑应，将儿童志愿者通过安全带约束在台车上，进行了平均减速度为３ｇ的台车正面逡逑碰撞试验，如图１－２所示。通过追踪标记点的形式记录了头顶、外耳道、Ｃ４、Ｔ１逡逑等位置的轨迹曲线。通过对不同年龄儿童志愿者轨迹点的记录发现：随着儿童志逡逑愿者年龄减小，样本的标志点向前的位移量有着明显的增加，颈椎发生前屈并且逡逑有更多的向上的移动量。发生头颈部弯曲的位置大部分是在Ｃ６－Ｔ１的位置而不是逡逑发生在颈椎的上部，年龄越小的志愿者个体，发生前屈的位移量也越大。逡逑图１－２儿童志愿者低速台车碰撞实验逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ邋ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ邋ｏｎ邋ｃｈｉｌｄｒｅｎ邋ｖｏｌｕｎｔｅｅｒｓ邋ａｔ邋ｌｏｗ邋ｓｐｅｅｄ逡逑研宄人员还对成人志愿者及尸体进行不同工况下的碰撞实验。Ｍｅｒｔｚ和Ｐａｔｒｉｃｋ逡逑等［６１利用志愿者和尸体样本进行不同速度下的碰撞实验，在碰撞实验中获得了颈部逡逑最大弯矩、头部加速度、轴向压缩力、剪切力等实验数据，通过观察样本发现造逡逑成颈部损伤的原因可能是软组织的损伤；Ｆｅｎｇ邋Ｌｕａｎ等ｍ利用尸体样本进行追尾碰逡逑撞实验，得出样本受到载荷方式与颈部运动状态之间的关系。逡逑Ｙｏｉｃｈｉ邋Ｗａｔａｎａｂｅ等人对志愿者进行低速后碰撞实验，通过实验研究了驾驶员逡逑在尾撞工况下座椅特性对其运动产生的影响。为了避免志愿者受到伤害，因此碰逡逑撞速度相对较低
逑歐逡逑图１－３十岁儿童头颈部有限元模型逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ａ邋ｔｅｎ－ｙｅａｒ－ｏｌｄ邋ｃｈｉｌｄ邋ｎｅｃｋ邋ｆｉｎｉｔｅ邋ｅｌｅｍｅｎｔ邋ｍｏｄｅｌ逡逑吕文乐［１８］等人开发了一个６岁儿童全颈有限元模型，该模型基于６岁儿童的逡逑ＣＴ图像建立，包含完整的椎骨和椎间盘结构，应用膜单元建立的韧带组织，肌肉逡逑和脂肪采用的是六面体单元，皮肤采用壳单元建立。模型采用的材料参数是通过逡逑缩放成人参数获取的并应用该模型进行颈椎段的动态拉伸实验、全颈椎拉伸实验逡逑验证。逡逑｜ｋ：逦＼逡逑n牛眿
本文编号：2775535
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