三岁儿童乘员下肢有限元模型构建及损伤分析

发布时间：2017-09-04 12:30

  本文关键词：三岁儿童乘员下肢有限元模型构建及损伤分析

  更多相关文章： 三岁儿童 乘员下肢 有限元分析 生长板损伤 髋内翻

【摘要】：近年来我国陆续实施了《机动车儿童乘员使用约束系统》(GB27887—2011)、《机动车运行安全技术条件》(GB7258—2012)等相关标准,但在中国大陆至今仍缺少强制使用儿童安全座椅的相关法律。关于儿童损伤防护的研究可为将来相关法律的颁布提供数据支持,目前关于儿童乘员的头部和胸部损伤防护研究较多,但是关于下肢保护的研究相对较少。为完善儿童下肢损伤防护数据,本文应用有限元分析方法构建高生物仿真度的三岁儿童乘员下肢有限元模型并进行仿真模拟实验研究。本研究从儿童CT图像中提取下肢骨骼、肌肉和皮肤的几何模型,并参照FMVSS 213、ECER44和C-NCAP等法规规定,结合现有儿童座椅标准规范确定三岁儿童的坐姿角度,将儿童站姿几何模型依据确定的角度进行调整,随后进行有限元网格划分。构建长骨有限元模型时参照CT图像与生长板解剖学知识单独提取出生长板。构建完成的三岁儿童乘员下肢有限元模型包含24条肌肉、3根长骨、髌骨、足骨、肌腱、韧带、脂肪和皮肤等组织,包含84187个单元和83697个节点,该模型具有较高的生物仿真度。应用构建完成的有限元模型研究了生长板对下肢损伤结果的影响。针对生长板设置了弯曲试验和剪切试验,在每种试验中含生长板和不含生长板的下肢有限元模型在同种碰撞条件下进行模拟试验,研究结果表明生长板的存在会极大地改变下肢损伤结果,例如长骨骨折位置及韧带损伤呈现显著性差异。同时探讨了髋内翻患者的股骨力学特性,通过构建四种不同HE角(Hilgenreiner epiphyseal angle)的股骨有限元模型,对比研究髋内翻患者股骨颈的受力情况以及病情发展趋势,结果表明HE角越大,股骨颈内侧剪应力越大,剪应力的存在会加重髋内翻的病情。研究结果对我国的儿童乘员下肢损伤研究和损伤防护技术的开发具有一定的参考价值,并对进一步探究生长板损伤机理和髋内翻病情发展具有重要的现实意义。
【关键词】：三岁儿童 乘员下肢 有限元分析 生长板损伤 髋内翻
【学位授予单位】：天津科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U467.14
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-8
• 1 前言8-14
• 1.1 选题背景及研究意义8
• 1.2 损伤生物力学概述8-9
• 1.3 儿童乘员保护法规与标准9-10
• 1.4 儿童乘员安全性研究方法10-12
• 1.4.1 动物实验10
• 1.4.2 尸体实验10
• 1.4.3 儿童假人10-11
• 1.4.4 有限元模型11-12
• 1.5 本文研究内容12-13
• 1.6 本文创新点13-14
• 2 三岁儿童乘员下肢几何模型的构建14-23
• 2.1 几何模型提取14-17
• 2.1.1 下肢几何模型的初步构建14-15
• 2.1.2 下肢几何模型的修复15-16
• 2.1.3 站姿CAD模型16-17
• 2.2 儿童乘员坐姿角度的调整17-21
• 2.2.1 调整角度的确定17-19
• 2.2.2 角度调整过程19-21
• 2.3 下肢几何模型的调整与修复21-22
• 2.4 儿童乘员下肢几何模型22-23
• 3 三岁儿童乘员下肢有限元模型的构建23-42
• 3.1 儿童和成人下肢生理结构的差异23-25
• 3.2 儿童乘员下肢有限元模型的构建25-27
• 3.2.1 网格单元的选取25
• 3.2.2 网格大小的确定25-26
• 3.2.3 TrueGrid网格构建及划化26-27
• 3.2.4 HyperMesh网格调整及优化27
• 3.3 下肢各组织有限元模型的构建27-32
• 3.3.1 含生长板的长骨有限元模型27-29
• 3.3.2 膝关节有限元模型29-30
• 3.3.3 踝关节有限元模型30
• 3.3.4 肌肉有限元模型30-32
• 3.4 下肢整体有限元模型构建32-35
• 3.4.1 肌肉的连接32-33
• 3.4.2 肌腱的连接33
• 3.4.3 皮肤和脂肪的构建及调整33-35
• 3.4.4 网格质量检查35
• 3.5 下肢有限元模型组织材料特性35-38
• 3.5.1 生物体材料组织特性35-37
• 3.5.2 线性粘弹性材料模型37-38
• 3.6 儿童乘员下肢有限元模型验证38-42
• 3.6.1 试验设置38-40
• 3.6.2 仿真试验结果与讨论40-42
• 4 三岁儿童乘员下肢损伤机理分析42-62
• 4.1 生长板损伤类型42-43
• 4.2 生长板材料属性43-45
• 4.3 汽车侧碰中生长板损伤研究45-50
• 4.3.1 汽车侧碰45
• 4.3.2 下肢损伤分析45-50
• 4.4 汽车正碰中生长板损伤研究50-55
• 4.4.1 汽车正面碰撞50
• 4.4.2 含生长板模型膝关节损伤分析50-53
• 4.4.3 不含生长板模型膝关节损伤分析53-55
• 4.5 髋内翻股骨的力学分析55-62
• 4.5.1 髋内翻患病机理与手术治疗55-58
• 4.5.2 试验设置58-59
• 4.5.3 试验结果与讨论59-62
• 5 结论与展望62-64
• 6 参考文献64-70
• 7 致谢70

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 赵文芝;赵艾;马德福;郑迎东;薛勇;李俊萍;张玉梅;王培玉;;中国9地区3～12岁儿童生长发育Z评分分析[J];中国儿童保健杂志;2015年09期

2 杜现平;曹立波;张冠军;张恺;;人体下肢三维有限元模型在交通损伤中的应用研究进展[J];汽车工程学报;2014年04期

3 陈商;吕玲;;关注儿童乘车安全[J];质量与认证;2014年06期

4 李正东;刘宁国;黄平;邵煜;黄伟华;万雷;邹冬华;陈忆九;;下肢有限元模型的建立及损伤机制重建[J];中国司法鉴定;2012年06期

5 陈海斌;王正国;Albert I King;;汽车碰撞事故中下肢的损伤容限与机制[J];汽车安全与节能学报;2010年04期

6 姚运峰;康鹏德;裴福兴;;骨骺骺板的生长发育及其影响因素[J];中国矫形外科杂志;2010年17期

7 王鑫;麦云飞;;有限元分析中单元类型的选择[J];机械研究与应用;2009年06期

8 姜俊;麻宏伟;戴晓梅;张立军;吕俊峰;牛国辉;郭然;吉士俊;;先天性髋关节脱位的遗传流行病学研究[J];中国医科大学学报;2006年05期

9 罗冬梅;金季春;刘晔;;运动对长骨生长板中PTHrP表达状况的影响[J];北京体育大学学报;2006年05期

10 李殿国;王克来;庄岩;;雌激素受体基因多态性与发育性髋关节脱位关系的研究[J];中华小儿外科杂志;2005年11期

，

本文编号：791579