行人和乘员下肢生物力学损伤分析与应用

发布时间：2017-09-09 01:16

  本文关键词：行人和乘员下肢生物力学损伤分析与应用

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【摘要】：中国是交通事故伤亡人数最多的国家之一,如何避免或降低道路使用者在交通事故中的损伤,是汽车安全领域的研究热点。交通事故中,道路使用者下肢损伤的几率较高,约为29.1%,仅次于头部33.4%,下肢损伤尽管通常不会直接危及生命,却是使人致残的主要因素。因此,深入研究行人和乘员下肢在交通事故中的生物力学响应、损伤机理以及耐受极限等,对汽车安全性的提升以及汽车安全法规的完善均具有指导意义。基于一名50百分位中国成年男性志愿者的医学影像数据,分别建立了具有精细解剖学结构的行人和乘员下肢生物力学有限元模型,模型包括股骨、胫骨、腓骨、髌骨等下肢骨骼以及皮肤、肌肉、韧带、关节囊、半月板等软组织。针对长骨断面几何不均匀的特征,建立了皮质骨断面厚度和形状真实变化的长骨数值模型,最大程度保证模型的仿生精度;提出使用黏弹性材料模拟膝关节韧带,并以实验数据为依据,反求膝关节各韧带的黏弹性材料参数,以准确模拟韧带在不同应变率下的拉伸力学特性。通过模拟相关生物力学实验对下肢模型进行了验证,验证结果表明:行人和乘员下肢生物力学模型具有较高的仿生可靠性,能够准确模拟下肢的生物力学响应和损伤。在验证基础上,获得了中国50百分位成人下肢各部位的耐受极限,并分析了皮质骨厚度对下肢长骨耐受极限的影响:皮质骨厚度每减薄1%,长骨抗弯极限将下降约0.7%。利用经验证的下肢生物力学模型,分别进行行人和乘员下肢的损伤生物力学研究。针对行人下肢,通过填充保险杠梯形泡沫结构,并适当降低保险杠碰撞高度,改善了某品牌汽车对行人下肢的友好性;针对乘员下肢,分析了前碰撞条件下碰撞角度对其损伤的影响:碰撞面水平旋转当碰撞面法向和股骨轴向同向时乘员KTH所受载荷较大,且碰撞面两侧小角度水平旋转、尤其向大腿外侧旋转时有利于降低其损伤风险;此外,下肢的损伤风险和撞击面法线与乘员股骨轴线在矢状面上的投影夹角紧密相关。本文建立的行人和乘员下肢生物力学模型可作为交通事故中行人和乘员下肢损伤生物力学研究的重要工具,可为汽车安全性设计提供有益的参考。
【关键词】：汽车安全 碰撞 损伤生物力学 行人 乘员 下肢 有限元模型
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U467.14
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-22
• 1.1 论文研究背景和意义11-12
• 1.2 损伤生物力学的研究方法12-17
• 1.2.1 交通事故统计与分析12-13
• 1.2.2 损伤生物力学实验研究13-15
• 1.2.3 数字模型仿真研究15-17
• 1.2.4 损伤生物力学各研究方法对比17
• 1.3 国内外研究进展17-19
• 1.4 目前存在的主要问题19-20
• 1.5 本文的主要研究内容20-22
• 第二章 人体下肢损伤生物力学基础22-39
• 2.1 引言22
• 2.2 人体下肢解剖学结构22-27
• 2.2.1 下肢整体结构22-23
• 2.2.2 下肢各部位解剖学结构23-27
• 2.3 行人和乘员下肢损伤机理27-33
• 2.3.1 行人下肢损伤机理27-30
• 2.3.2 乘员下肢损伤机理30-33
• 2.4 下肢损伤评估标准、耐受极限和评价准则33-38
• 2.4.1 下肢损伤评估标准33-34
• 2.4.2 下肢各部位耐受极限34-36
• 2.4.3 下肢损伤评价准则36-38
• 2.5 本章小结38-39
• 第三章 下肢生物力学模型的构建与材料参数研究39-63
• 3.1 引言39
• 3.2 人体有限元建模理论基础39-41
• 3.2.1 人体组织常用单元类型40-41
• 3.2.2 人体组织常用材料模型41
• 3.3 下肢模型构建方法和步骤41-48
• 3.3.1 志愿者CT扫描和下肢几何重建42-46
• 3.3.2 下肢有限元模型的建立46-48
• 3.4 行人和乘员下肢生物力学模型48-54
• 3.4.1 下肢各组织有限元模型48-53
• 3.4.2 行人下肢生物力学模型53-54
• 3.4.3 乘员下肢生物力学模型54
• 3.5 下肢生物力学模型的材料参数研究54-62
• 3.5.1 下肢生物组织材料文献研究54-55
• 3.5.2 下肢模型生物组织材料参数确定55-62
• 3.6 本章小结62-63
• 第四章 下肢生物力学模型可靠性验证与耐受极限研究63-83
• 4.1 引言63
• 4.2 人体下肢生物力学实验文献研究63-65
• 4.2.1 下肢长骨生物力学实验64-65
• 4.2.2 膝关节生物力学实验65
• 4.3 行人下肢生物力学模型的验证与耐受极限研究65-77
• 4.3.1 下肢长骨模型准静态三点弯曲验证与耐受极限研究66-67
• 4.3.2 下肢长骨模型动态三点弯曲验证与耐受极限研究67-71
• 4.3.3 大腿和小腿模型动态三点弯曲验证与耐受极限研究71-75
• 4.3.4 行人膝关节模型四点弯曲验证与耐受极限研究75-77
• 4.4 乘员下肢生物力学模型的验证及耐受极限研究77-82
• 4.4.1 膝关节模型冲击验证及耐受极限研究77-78
• 4.4.2 股骨头模型静压验证与耐受极限研究78-80
• 4.4.3 乘员膝部-大腿模型冲击验证与耐受极限研究80-82
• 4.5 本章小结82-83
• 第五章 下肢模型在碰撞损伤生物力学分析中的应用83-102
• 5.1 引言83
• 5.2 侧面低速碰撞行人下肢损伤分析83-90
• 5.2.1 不同碰撞速度下行人下肢损伤分析84-86
• 5.2.2 不同保险杠填充泡沫行人下肢损伤分析86-89
• 5.2.3 不同碰撞高度行人下肢损伤分析89-90
• 5.3 前碰撞乘员下肢KTH损伤分析90-100
• 5.3.1 不同碰撞速度下乘员KTH损伤分析90-93
• 5.3.2 不同水平碰撞角度下乘员KTH损伤分析93-98
• 5.3.3 不同俯仰碰撞角下乘员KTH损伤分析98-100
• 5.4 本章小结100-102
• 总结与展望102-104
• 参考文献104-113
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果113-114
• 致谢114-115
• 附件115

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本文编号：817434