基于肌肉主动力的颈部有限元建模研究

发布时间：2017-07-04 16:13

  本文关键词：基于肌肉主动力的颈部有限元建模研究

  更多相关文章： 肌肉主动力 颈部有限元模型 肌肉模型 颈部损伤 头部损伤

【摘要】：头颈损伤是交通事故中的常见损伤。随着车辆安全性能的改善，乘员头颈严重损伤的风险呈下降趋势，轻微事故中的颈部损伤却逐渐流行并造成了严重的社会问题，所以有必要研究事故中的头颈损伤。损伤生物力学的研究方法包括实验与数值研究。实验研究能为人们提供最真实的动力学响应与损伤过程，然而人体实验受到伦理的限制，所能提取的信息有限。数值研究能有效地弥补该缺陷。具有良好生物逼真度的头颈数值模型，能深化对头颈动力学响应的认识。建立具有详细几何结构与精确材料定义的头颈模型对头颈损伤研究具有重要的意义。 本文目的在于建立具有真实几何轮廓以及肌肉主动响应的人体颈部肌肉有限元模型，并匹配至已有的头颈基础模型，在前碰撞条件下验证其有效性。 本文首先研究了骨骼肌的力学性能，通过有限元重建骨骼肌拉伸实验确定了骨骼肌的有限元模拟方法、材料模型以及模型参数；讨论了骨骼肌有限元模型的准确性与稳定性问题。然后基于50百分位成年男性志愿者颈部的核磁共振影像重建了人体颈部肌肉的几何模型；利用克里格插值方法将该模型映射至已有的头颈基础模型空间中；建立颈部肌肉有限元模型，并与头颈基础模型匹配；在15G前碰撞条件下验证完整头颈模型的有限性。最后从颈部肌肉主、被动响应的对比分析、肌肉力学性能参数研究以及T1转动对头颈模型有效性验证的影响三个方面研究完整头颈模型的性能，讨论模型存在缺陷以及改进方法。 研究表明，以实体单元与梁单元共节点的方式耦合骨骼肌主被动响应的方法是一种简单有效的模拟方式，通过合理控制，建立的骨骼肌有限元模型在一定范围内具有较高的准确性与稳定性，能够满足头颈数值研究的需求；建立的完整头颈模型在15G前碰撞条件下的动力学响应与志愿者响应一致程度较高，具有良好的生物逼真度，可应用于头颈损伤研究，然而模型仍存在若干问题，需要进一步改善；颈部肌肉主动响应对降低头部质心加速度曲线峰值，减小头颈最大转动角度具有重要的作用，能够有效地降低头颈在碰撞环境中的损伤风险。本文初步探索了骨骼肌力学性能的有限元模拟，，建立具有良好生物逼真度的头颈有限元模型，为头颈损伤的数值研究奠定了基础。
【关键词】：肌肉主动力 颈部有限元模型 肌肉模型 颈部损伤 头部损伤
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：R641
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-17
• 1.1 研究背景与意义10-11
• 1.2 颈部损伤的研究历史与现状11-16
• 1.2.1 早期生物实验研究11-13
• 1.2.2 现代生物实验研究13-16
• 1.3 课题来源16
• 1.4 本文主要目的和研究内容16-17
• 第2章 颈部解剖学结构与损伤生物力学17-30
• 2.1 人体颈部的解剖学结构17-23
• 2.1.1 颈椎的解剖学结构17-19
• 2.1.2 椎间盘的解剖学结构19-20
• 2.1.3 韧带的解剖学结构20-21
• 2.1.4 颈部肌肉的解剖学结构21-23
• 2.2 颈部的损伤生物力学23-29
• 2.2.1 骨骼肌的功能解剖学23-26
• 2.2.2 颈部的损伤机理26-27
• 2.2.3 颈部的损伤指标27-29
• 2.4 本章小结29-30
• 第3章 骨骼肌力学性能研究与有限元模拟30-44
• 3.1 骨骼肌力学性能研究背景30-31
• 3.2 实验研究的选取31-33
• 3.2.1 骨骼肌力学特性的工程描述31-33
• 3.2.2 骨骼肌力学特性标定实验的选取33
• 3.3 Myers实验的有限元重建33-43
• 3.3.1 胫前肌的几何模型34
• 3.3.2 胫前肌的材料模型34-37
• 3.3.3 有限元重建的边界条件37-38
• 3.3.4 有限元重建仿真结果38-40
• 3.3.5 有限元重建仿真结果分析与讨论40-43
• 3.4 本章小结43-44
• 第4章 颈部肌肉有限元模型的建立与验证44-57
• 4.1 头颈动力学响应数值研究背景44-46
• 4.2 颈部肌肉有限元模型的建立46-50
• 4.2.1 志愿者肌肉几何模型的重建46-47
• 4.2.2 颈部肌肉有限元模型的建立与匹配47-50
• 4.3 颈部肌肉有限元模型的材料定义50-51
• 4.4 头颈有限元模型整体验证51-56
• 4.4.2 志愿者前碰撞实验仿真结果分析55-56
• 4.5 本章小结56-57
• 第5章 颈部肌肉有限元模型的参数分析57-69
• 5.1 颈部肌肉模型主动响应与被动响应的对比分析57-60
• 5.2 肌肉被动力学性能对头颈动力学的影响60-62
• 5.3 肌肉主动力学性能对头颈动力学的影响62-66
• 5.3.1 Hill模型长度特性对头颈动力学的影响63-64
• 5.3.2 Hill模型最大等长收缩力对头颈动力学的影响64-66
• 5.4 T1 转动对头颈模型有效性验证的影响66-67
• 5.5 本章小结67-69
• 总结和展望69-72
• 参考文献72-78
• 致谢78-79
• 附录A 攻读学位期间发表的学术论文目录79

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 王方;杨济匡;李桂兵;;准静态和动态载荷下的人体胸部响应有限元分析[J];汽车工程;2014年02期

本文编号：518436