车辆碰撞事故中颅骨有限元精细建模及碰撞伤害研究

发布时间：2017-09-17 01:37

  本文关键词：车辆碰撞事故中颅骨有限元精细建模及碰撞伤害研究

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【摘要】：随着汽车保有量的增加，交通事故也逐年增加，交通损伤成为全球关注的问题。中国已经成为全球交通伤害死亡人数最多的国家之一，给社会和家庭带来了严重的经济和精神伤害。所有的车辆碰撞损伤，超过30%是头部损伤，碰撞过程中，头部会产生颅骨骨折，大脑挫伤等伤害。基于生物力学的数学有限元方法则为头部损伤的研究提供了有力的工具，不仅能够模拟颅骨和大脑的损伤类型，而且能够研究内部的损伤程度和损伤产生过程。但是颅脑有限元模拟的准确度受到有限元模型本身仿生度的限制，如果仿生度越高，则仿真结果越准确。国内外的模型大多关注脑组织的损伤，对颅骨损伤以及颅骨在碰撞过程中对大脑损伤的影响研究很少，更没有专门针对颅骨损伤的相关研究。基于上述情况，本文构建了具有详细解剖学结构的颅骨有限元模型，来进行颅骨损伤的研究。 本文基于某50百分位中国男性志愿者的头部CT扫描数据构建了具有详细解剖学结构和高仿生度的三维颅骨有限元模型。利用医学影像软件Mimics对头部CT数据进行提取和修复，使用Geomagic Studio进行细节修复，构建光顺的曲面模型，最后用Hypermesh构建体模型并对其进行分块和网格划分，得到高仿生度的颅骨有限元模型。本模型包含颅骨的详细细节特征，包括面部的窦、分层的颅骨以及颅底部的孔。在此模型的基础上，根据网格建立皮肤和大脑等软组织。该模型包括三层颅骨、面骨、窦、头皮、头部和面部软组织、脑以及脑脊液，模型一共367183个体单元，16711个壳单元，192884个节点，整个头部质量4.414kg。在颅骨材料参数的定义时，全部参照已经发表的相关文献，以保证本模型能够有效的模拟碰撞损伤。 本文选用了国外的权威尸体试验，包括Allsop面部撞击试验、Nyquist的鼻骨撞击试验以及Yoganandan的液压锤冲击试验来对本文构建的颅脑模型进行有效性的验证。这三种针对颅骨的试验都对颅骨的骨折进行了讨论研究，用这些试验不仅可以对模型进行验证，还可以研究颅骨的损伤情况。将仿真得到的力-变形曲线输出，并与原尸体试验的数据进行对比，结果显示模型的仿真结果与尸体试验结果吻合，并且在骨折方式上也基本相似。验证结果很好的证明了本模型的有效性，可以用于颅骨损伤的研究。 为了进一步研究颅骨内部的窦对于碰撞中头部力学响应和损伤的影响，本文基于原有模型构建了一个无窦的对比模型，并进行了Allsop尸体试验的仿真，对两次仿真结果进行对比分析，来研究窦在碰撞过程中的影响。结果显示，在面部碰撞过程中，假若窦位于冲击点的附近，那么窦会对周边的应力分布和骨折有明显的影响，并且影响大脑的应力应变分布。如果窦离撞击点比较远，，那么窦对于头部响应的影响可以忽略。
【关键词】：车辆碰撞 精细建模 有限元仿真 头部伤害研究
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R651.15;TP391.9
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-20
• 1.1 课题研究背景和意义10-11
• 1.2 颅骨损伤有限元模型的研究现状11-17
• 1.2.1 研究颅骨特性的尸体试验的发展11-15
• 1.2.2 颅骨有限元模型的发展15-17
• 1.3 颅骨损伤类型及失效机制17-19
• 1.3.1 颅骨损伤类型17
• 1.3.2 颅骨材料的失效机制17-19
• 1.4 课题主要研究内容19-20
• 第2章 颅脑有限元模型的构建20-38
• 2.1 颅脑主要解剖学结构21
• 2.2 颅骨精细几何模型构建21-32
• 2.2.1 颅骨医学影像的获取21-23
• 2.2.2 医学影像数据的结构性修复23-26
• 2.2.3 颅骨模型的细节性修复26-30
• 2.2.4 颅骨三维几何模型构建30-32
• 2.3 颅脑六面体模型的构建32-37
• 2.3.1 精细颅骨六面体模型网格划分32-34
• 2.3.2 头部软组织网格构建34-35
• 2.3.3 颅脑六面体模型材料定义35-37
• 2.4 本章总结37-38
• 第3章 基于颅脑的颅骨损伤有限元模型的验证38-52
• 3.1 基于 Allsop 面部撞击试验验证38-41
• 3.1.1 Allsop 尸体试验38-39
• 3.1.2 仿真的条件设置39
• 3.1.3 仿真结果与试验结果对比分析39-41
• 3.2 基于 Nyquist 鼻骨撞击试验验证41-44
• 3.2.1 Nyquist 尸体试验41-42
• 3.2.2 仿真的条件设置42
• 3.2.3 仿真结果与试验结果对比分析42-44
• 3.3 基于 Yoganandan 尸体试验数据验证44-49
• 3.3.1 Yoganandan 尸体试验44-46
• 3.3.2 仿真的条件设置46
• 3.3.3 仿真结果与试验结果对比分析46-49
• 3.4 本章总结49-52
• 第4章 窦对头部损伤影响的应用分析52-62
• 4.1 研究背景52-53
• 4.2 两个颅脑模型的 Allsop 仿真对比53-60
• 4.2.1 无窦有限元模型及条件设定53
• 4.2.2 Allsop 仿真结果的对比分析53-60
• 4.3 本章总结60-62
• 第5章 总结与展望62-64
• 参考文献64-70
• 作者简介以及科研成果70-72
• 致谢72

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

1 许伟;杨济匡;;用于交通伤评估的头部有限元模型的虚拟实验验证[J];汽车工程;2008年02期

2 阮世捷;李海岩;王学魁;刘文岭;;对头部损伤判断准则适用性和可用性的新探索[J];生物医学工程学杂志;2007年06期

3 李霞;阮世捷;李海岩;;人体面骨三维有限元模型重构及碰撞分析[J];微计算机信息;2007年34期

4 王守森，朱青安，钟世镇，王前，卢海俊;颅骨构筑对骨折类型的影响──冲击实验[J];中国临床解剖学杂志;1995年01期

5 朱青安，欧阳钧，王守森;人体头部承受正面和侧向冲击的颅骨应力分析[J];中国生物医学工程学报;1995年02期

本文编号：866539