基于体征的参数化乘员有限元模型建立方法及应用研究

发布时间：2017-09-26 09:14

  本文关键词：基于体征的参数化乘员有限元模型建立方法及应用研究

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【摘要】：世界卫生组织统计表明,每年约124万人死于道路交通事故,还有2000万至5000万人遭受非致命伤害。道路交通伤害会对受害者、其家庭以及整个国家造成很大的经济损失,预计至2020年道路交通伤害将成为全球疾病与伤害负担的第三大因素。因此,汽车碰撞过程中的乘员安全问题成为汽车设计中的重要研究方向。但是,目前所涉及的碰撞假人以及人体有限元模型等乘员伤害评价工具,一般侧重于50百分位男性乘员的保护,并未考虑人群中乘员体型和身材组成的多样性。而在汽车碰撞事故中,相对于50百分位的成年男性,老人、肥胖者、儿童、以及矮小女性均是易受伤害的人群。大量的事故统计数据表明,人体特征参数的变化,包括年龄、性别、身高以及BMI(Body Mass Index,身体质量指数)对乘员的碰撞损伤具有重要的影响。例如随着年龄的增加,乘员身体各部位受到MAIS 3+的伤害均会增加,特别是胸部、头部、下肢以及脊柱等部位。在汽车正面碰撞事故中,肥胖乘员胸部受到AIS 2+和AIS 3+伤害的几率比正常体重乘员高出26%和33%,而当保持其它碰撞条件不变的情况下,女性受到MAIS 3+和MAIS 2+伤害的几率比男性分别高出了47%和71%。如果考虑到不同参数之间的相互作用,例如肥胖的老年乘员、肥胖的儿童乘员以及老年的女性乘员,其伤害程度会更加严重。但是,目前所有的乘员损伤评价工具均无法对上述乘员类型的损伤进行研究。因此,为研究不同体征参数对乘员损伤的影响机理,本文利用几何形状统计分析技术以及网格变换技术,设计了基于年龄、身高、性别以及BMI的参数化乘员有限元模型建模方法,并将所建立的参数化模型应用于汽车前后排座椅约束系统中,开展了不同体征乘员的损伤机理以及防护研究,具体的研究重点与创新点如下:1、建立了基于年龄、身高、性别以及BMI等体征的参数化骨骼有限元模型。通过不同人体的CT扫描数据,基于形状统计分析技术,包括图像阈值分割、标志点选取、空间位置匹配、主成分分析以及线性回归分析,建立了胸腔骨骼、盆骨、股骨以及胫骨的参数化有限元模型。该模型可根据任意合理的年龄、身高、性别以及BMI的参数组合预测该个体特征的骨骼有限元模型。2、建立了基于年龄、身高、性别以及BMI等体征的参数化人体体表有限元模型。通过网格变换技术将基础体表网格经过两次网格变换映射到目标人体体表几何点云上,然后根据模型特性对网格进行调整,获得左右对称的人体体表几何模型,同样基于形状统计分析技术建立参数化的人体体表有限元模型。分析结果表明:随着BMI和身高的增加,乘员所有体表尺寸都有所增加,其中胸腔厚度以及腰部厚度随着BMI变化明显,坐高随着身高尺寸的增加而快速增加。年龄对乘员的胸腔厚度和臀部宽度没有影响,但老年人腰围尺寸增加且发生驼背现象。3、提出了基于年龄、身高、性别以及BMI的参数化乘员有限元模型建模方法,并根据尸体试验对所建立的模型进行验证。基于所建立的参数化骨骼有限元模型(胸腔、骨盆,股骨以及胫骨)以及参数化体表有限元模型,利用最小二乘法并根据相应的关节点位置信息将产生的骨骼放置到人体体表内,获得融合体表与骨骼的目标人体几何统计模型,然后通过分区域的网格变换方法,将基础人体有限元模型映射到目标人体几何模型上,该方法可快速生成基于个体特征的乘员有限元模型,且生成的模型具有较好的网格质量。通过对比生成的模型与尸体样本之间的骨骼形状差异、乘员动态响应以及乘员损伤数据发现,该参数化乘员有限元模型可较为准确地模拟尸体在碰撞事故中的响应。4、基于所建立的参数化乘员有限元模型对不同BMI水平的后排乘员进行损伤机理研究并对乘员约束系统进行优化设计。基于所建立的参数化乘员有限元模型,产生了四个不同BMI水平(25/30/35/40kg/m2)的人体有限元模型,通过建立并获得验证的后排座椅模型进行了参数化研究,分析了BMI、限力器限力水平、固定点预紧器以及安全带放置位置对乘员损伤的影响。仿真结果表明:后排乘员头部或者下肢的损伤与胸部的损伤成反比,通过优化的安全带限力器以及固定点预紧器可减少由肥胖所造成的乘员损伤。5、基于所建立的参数化乘员有限元模型对不同性别、年龄以及身高的前排乘员进行损伤机理研究。基于所建立的参数化乘员有限元模型产生了四个不同性别、年龄以及身高的乘员有限元模型,根据文献中关于不同体征的人体材料参数数据,分别为四个乘员有限元模型选取相应的材料参数,然后将不同乘员有限元模型在前排约束系统中进行定位以及参数匹配,通过仿真分析获得不同性别、年龄的乘员在前排约束系统下的损伤机理。研究结果表明:随着年龄的增长,人体胸腔骨骼以及下肢骨骼发生骨折的几率明显增加,女性乘员的损伤程度要高于男性乘员,并且年龄对女性乘员损伤的影响要大于男性乘员。该参数化乘员有限元模型对于不同体征乘员的安全防护研究具有非常重要的意义,通过此方法可获得大量基于个体特征的乘员有限元模型,最大拓宽碰撞安全所保护的人群,同时该模型可应用于自适应汽车约束系统参数优化设计中,针对不同体征乘员获得其最佳约束系统匹配参数,从而在汽车碰撞事故中为不同乘员类型提供最优的保护措施。
【关键词】：人体有限元模型 网格变形技术 参数化模型 老龄乘员 女性乘员 肥胖乘员
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U467.14
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-14
• 第1章 绪论14-35
• 1.1 参数化乘员有限元模型的研究背景与意义14-15
• 1.2 不同人体特征对乘员损伤影响15-26
• 1.2.1 汽车乘员损伤评价工具15-18
• 1.2.1.1 汽车拟人试验装置15-17
• 1.2.1.2 人体有限元模型17-18
• 1.2.2 事故统计分析中不同体征乘员的损伤研究18-21
• 1.2.2.1 事故统计分析中老年乘员损伤19-20
• 1.2.2.2 事故统计分析中肥胖乘员损伤20-21
• 1.2.2.3 事故统计分析中女性乘员损伤21
• 1.2.3 不同体征乘员典型部位的损伤机理21-26
• 1.2.3.1 汽车乘员头部解剖结构与损伤机理21-23
• 1.2.3.2 汽车乘员胸部损伤机理23-24
• 1.2.3.3 汽车乘员下肢损伤机理24-26
• 1.3 参数化乘员有限元模型国内外研究现状26-33
• 1.3.1 人体几何形态的参数化模型研究现状26-29
• 1.3.2 人体材料属性的参数化研究现状29-30
• 1.3.3 参数化乘员有限元模型的研究现状30-33
• 1.4 本文的研究意义与内容33-35
• 第2章 基于体征的人体骨骼参数化有限元模型35-58
• 2.1 基于体征的参数化人体胸腔有限元模型36-54
• 2.1.1 参数化人体胸腔有限元模型的建模流程36
• 2.1.2 胸腔几何模型的样本获取36-38
• 2.1.3 胸腔几何模型的姿态调整38-40
• 2.1.4 胸腔几何模型的网格变换40-42
• 2.1.5 不同样本的空间位置匹配42-43
• 2.1.6 样本矩阵主成分分析方法43-44
• 2.1.7 不同样本的线性统计模型44-45
• 2.1.8 参数化模型GPA结果分析45-46
• 2.1.9 参数化模型PCA结果分析46-50
• 2.1.10 参数化人体胸腔有限元模型输出50
• 2.1.11 参数化人体胸腔有限元模型精度50-52
• 2.1.12 参数化人体胸腔有限元模型验证52-54
• 2.2 基于体征的参数化骨盆有限元模型54-56
• 2.2.1 骨盆几何模型的样本获取54-55
• 2.2.2 骨盆标志点获取与网格变换55-56
• 2.2.3 参数化人体骨盆有限元模型56
• 2.3 基于体征的参数化下肢有限元模型56
• 2.4 本章小结56-58
• 第3章 基于体征的人体体表参数化有限元模型58-70
• 3.1 人体体表参数化有限元模型的样本选取58-61
• 3.1.1 参数化模型样本点分布58-61
• 3.1.2 参数化模型的个体几何数据获取61
• 3.2 人体体表网格变换61-65
• 3.2.1 人体体表网格的初次变换62-63
• 3.2.2 人体体表网格的二次变换63-64
• 3.2.3 人体体表网格的对称变换64-65
• 3.3 参数化人体体表有限元模型的建立65-67
• 3.3.1 不同人体几何模型的空间位置匹配65-66
• 3.3.2 参数化人体体表模型线性回归分析66-67
• 3.4 参数化人体体表有限元模型的结果67-69
• 3.4.1 参数化人体体表有限元模型结果对比67
• 3.4.2 不同体征参数下人体几何尺寸变化67-69
• 3.5 本章小结69-70
• 第4章 参数化乘员有限元模型建立方法及验证70-87
• 4.1 参数化乘员有限元模型建模流程71-72
• 4.2 骨骼有限元模型在体表内的定位72-75
• 4.2.1 胸腔有限元模型在体表内的定位72-73
• 4.2.2 骨盆有限元模型在体表内的定位73
• 4.2.3 股骨与胫骨有限元模型在体表内的定位73-74
• 4.2.4 其余骨骼有限元模型在体表内的定位74-75
• 4.3 参数化乘员有限元模型的建立方法75-79
• 4.3.1 基于径向神经基的网格变换方法75-77
• 4.3.2 分区域人体有限元模型网格变换方法77-79
• 4.3.3 人体有限元模型的网格质量优化79
• 4.4 参数化乘员有限元模型的验证79-86
• 4.4.1 台车有限元模型的建立79-80
• 4.4.2 参数化乘员有限元模型的验证结果80-85
• 4.4.2.1 人体有限元模型的测量参数对比以及网格质量80-82
• 4.4.2.2 试验与仿真的人体动态响应对比82-83
• 4.4.2.3 仿真分析与尸体试验之间的损伤结果对比83-85
• 4.4.3 基于个体特征的人体有限元模型损伤分析85-86
• 4.5 本章小结86-87
• 第5章 不同体征的后排乘员损伤及防护研究87-107
• 5.1 有限元模型的建立与验证88-92
• 5.1.1 后排座椅有限元模型的建立与验证88-91
• 5.1.2 肥胖人体有限元模型的建立与验证91-92
• 5.2 后排座椅肥胖乘员的损伤分析92-98
• 5.2.1 后排座椅标准约束系统下的肥胖乘员损伤92-96
• 5.2.2 后排座椅先进约束系统下的肥胖乘员损伤96-98
• 5.3 不同约束系统参数优化仿真分析98-105
• 5.3.1 不同参数对人体损伤的显著性分析98-103
• 5.3.2 身体前移量、胸部压缩比率以及躯干角度相互关系103-104
• 5.3.2.1 身体前移量与胸部压缩比率的相互关系103
• 5.3.2.2 身体前移量与躯干角度的相互关系103-104
• 5.3.2.3 胸部压缩比率与躯干角度的相互关系104
• 5.3.3 安全带放置位置与固定点预紧器相互关系104-105
• 5.4 不同BMI乘员的约束系统优化设计105-106
• 5.5 本章小结106-107
• 第6章 不同体征的前排乘员损伤机理及防护研究107-122
• 6.1 汽车前排约束系统有限元模型的建立与验证108-111
• 6.1.1 前排约束系统有限元模型的建立108-109
• 6.1.2 前排约束系统有限元模型的验证109-111
• 6.2 不同性别与年龄的人体有限元模型的建立111-117
• 6.2.1 不同性别与年龄的乘员几何尺寸变化112-114
• 6.2.2 不同性别与年龄的乘员材料参数变化114-115
• 6.2.3 不同性别与年龄的乘员有限元模型建立115-117
• 6.3 乘员有限元模型在前排约束系统中的定位117-118
• 6.4 不同性别与年龄的乘员有限元模型损伤分析118-121
• 6.5 本章小结121-122
• 总结与展望122-125
• 参考文献125-137
• 附录A 攻读学位期间所获得的学术成果137-139
• 附录B139-143
• 附录C143-147
• 致谢147

【参考文献】

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 蒋彬辉;儿童胸部有限元模型开发及损伤机理研究[D];湖南大学;2013年

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本文编号：922628