汽车碰撞人体头部流固耦合模型及伤害机理研究

发布时间：2017-06-01 06:11

  本文关键词：汽车碰撞人体头部流固耦合模型及伤害机理研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：头部伤害是交通事故中最为常见的伤害类型之一，是造成重伤和死亡的主要形式。目前汽车安全设计与评价采用碰撞试验假人，这极大提高了汽车的安全性。但与真人头部相比，假人头部结构和功能都十分简单，用其研究头部伤害存在一定的局限性。假人头部由铸铝头盖骨和具有乙烯树脂皮肤的头盖骨盖构成，而真人头部由皮肤、颅骨、脑组织构成。在伤害方面，假人头部表现为质心处的HIC值，真人头部表现为骨折、组织损伤和出血等生理现象。事实上，车辆的安全设计应该从真人出发，，从而更好地保护车内乘员。 头部伤害问题很早就引起了研究人员的重视。针对于头部伤害的研究起始于上世纪40年代，研究方法包括志愿者试验、尸体试验、动物试验、机械模型试验和应用有限元法的数学模型研究，而利用有限元法的数学模型自1975年至今，已成为目前头部伤害研究的主要工具。本文针对目前国内外头部数学模型中未考虑头部流固耦合关系的不足，依托国家自然科学基金“汽车被动安全设计中人体头部流固耦合模型及其伤害评价技术研究”项目，建立基于50百分位中国人人体头部的流固耦合碰撞分析模型，开展汽车碰撞人体头部模型建模及其伤害机理研究。对“颅骨-脑脊液-脑”接触界面采用任意拉格朗日-欧拉（ALE）流固耦合方法建模，以模拟大脑“水浴”于脑脊液中的耦合工况。本文研究内容如下： （1）头部冲击流固耦合理论与替代模型研究。开展任意拉格朗日-欧拉（ALE）法流固耦合理论研并基于Corina等人的头部物理替代模型的实验数据进行仿真研究，证实了人体头部流固耦合建模的的必要性和有效性。 （2）50百分位中国人人体头部几何模型与有限元模型建立。基于某50百分位中国成年男性人体头部志愿者的CT与MRI扫描数据，建立头部的三维几何模型；依据头部几何模型，建立包含头皮、颅骨、面骨、硬脑膜、脑脊液、软脑膜、大脑、小脑、脑干、脑室、胼胝体、大脑镰、小脑幕等详细解剖结构的头部有限元模型。“颅骨-脑脊液-脑”之间的耦合关系通过网格重叠的ALE方法设定，材料参数根据公开发表的文献确定。 （3）头部碰撞分析模型验证。利用国际认可的经典尸体实验数据，进行人体头部流固耦合模型生物力学响应的有效性验证。通过对Nahum等人的颅内压、Trosseille等人的颅内动态响应及Hardy等人的颅脑相对位移实验的仿真验证，调整和修正本文模型，以确保其有效性。 （4）不同颅脑接触界面仿真方法的研究。对比研究流固耦合模型与采用共节点方法建立的头部模型采用不同脑脊液材料参数对冲击中颅内响应仿真结果的影响。结果显示，而流固耦合模型可以弥补Lagrange模型预测的颅脑相对位移峰值小于实验值的不足，所得结果与实验结果更为接近。 （5）人体头部流固耦合模型应用研究。使用多刚体假人模型进行正面及追尾碰撞模拟，提取碰撞过程中假人头部的六向加速度，加载到人体头部流固耦合有限元模型的刚性颅骨上，对比研究车正面碰撞与追尾碰撞假人与人体头部模型所给出伤害响应的差异。结果表明，正面碰撞时，当假人的头部HIC值小于头部伤害限值时，人体头部流固耦合模型显示乘员头部仍有可能遭受脑挫伤、重度神经损伤和弥散性轴索损伤；而追尾碰撞时，即使在HIC值很小的情况下，仍有可能发生中度神经损伤和弥散性轴索损伤。应用本文流固耦合模型可以给出比假人更全面有效的伤害评价结果。 本论文存在以下不足，需要进一步完善和探索： （1）本文旨在探讨颅骨、脑脊液、脑之间的流固耦合关系，简化忽略了蛛网膜小梁、大脑表面沟回对颅脑接触界面的作用，可能会对仿真结果造成影响。 （2）本论文集中研究颅内生物力学响应，因此仅进行了颅内压、颅脑相对位移的验证。若以后研究中涉及颅骨伤害，还需对颅骨、面骨发生不同形式的骨折特性进行验证。 （3）模型建立及损伤预测中没有考虑血管。因此无法考察碰撞中的血管撕裂及血肿等现象，模型还有待更进一步地细化。 本文针对于目前国内外头部碰撞伤害研究中未考虑颅内流固耦合关系的不足，建立了基于中国50百分位成年男性头部医学影像数据、考虑“颅骨-脑脊液-脑”流固耦合关系的详细人体头部有限元模型，该模型能够弥补以往模型颅脑相对位移量偏小的不足，更准确地预测脑组织损伤。将该模型应用于汽车碰撞中头部损伤预测及伤害机理研究，可以弥补碰撞假人仅采用HIC值预测头部伤害的不足，提高汽车安全防护设计手段，更为全面的评价汽车碰撞头部安全性。
【关键词】：汽车碰撞 头部模型 流固耦合 模型验证 损伤预测
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U467.14;O353.4
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第1章 绪论12-24
• 1.1 课题研究背景12-13
• 1.2 头部有限元模型研究及应用现状13-19
• 1.3 “颅骨-脑脊液-脑”接触方式研究进展19-21
• 1.4 本文的主要研究内容21-24
• 第2章 流固耦合理论与头部替代模型仿真验证24-40
• 2.1 流固耦合基础理论24-30
• 2.1.1 基本控制方程24-27
• 2.1.2 流固耦合边界条件27-28
• 2.1.3 压力速度方程28-30
• 2.2 流固耦合头部替代模型仿真验证研究30-37
• 2.2.1 实验描述及仿真设定30-34
• 2.2.2 仿真结果及讨论34-37
• 2.3 小结37-40
• 第3章 人体头部流固耦合有限元模型建立40-56
• 3.1 头部解剖学结构40-43
• 3.2 头部三维几何模型建立43-47
• 3.3 头部有限元模型建立47-53
• 3.4 头部流固耦合边界条件设置53-54
• 3.5 小结54-56
• 第4章 基于尸体实验的人体头部流固耦合模型颅内响应验证56-74
• 4.1 颅内压实验仿真验证56-59
• 4.1.1 实验描述及仿真设定56-58
• 4.1.2 仿真结果及讨论58-59
• 4.2 颅内动态响应验证59-63
• 4.2.1 实验描述及仿真设定59-61
• 4.2.2 仿真结果及讨论61-63
• 4.3 颅脑相对位移验证63-72
• 4.3.1 实验描述及仿真设定63-66
• 4.3.2 仿真结果及讨论66-72
• 4.4 总结72-74
• 第5章 不同颅脑接触界面仿真方法的研究74-90
• 5.1 Lagrange 方法中不同脑脊液材料参数对冲击响应仿真的影响74-80
• 5.1.1 基于 Lagrange 方法头部模型的建立74-75
• 5.1.2 不同脑脊液材料参数对冲击响应的影响75-80
• 5.2 ALE 方法与 Lagrange 方法模拟“颅骨-脑脊液-脑”接触界面的对比80-87
• 5.2.1 颅内响应仿真结果的对比81-83
• 5.2.2 脑组织损伤预测的对比83-87
• 5.3 小结87-90
• 第6章 人体头部流固耦合模型应用研究90-106
• 6.1 引言90
• 6.2 脑组织损伤生物力学评价指标90-92
• 6.3 正面碰撞头部冲击仿真及脑损伤预测研究92-97
• 6.3.1 正面碰撞仿真模型建立92-95
• 6.3.2 正碰工况下脑组织损伤仿真预测95-97
• 6.4 追尾碰撞头部冲击仿真及脑损伤预测研究97-103
• 6.4.1 追尾碰撞仿真模型建立97-100
• 6.4.2 追尾工况下脑组织损伤仿真预测100-103
• 6.5 小结103-106
• 第7章 总结与展望106-108
• 7.1 全文总结106-107
• 7.2 研究展望107-108
• 参考文献108-120
• 作者简介120
• 博士期间取得的科研成果120-122
• 致谢122

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：411856