汽车后碰撞时人体头颈部的动力学响应及损伤分析

发布时间：2021-02-04 08:10

　　目的建立基于人体解剖学结构的精细化头颈部有限元模型,研究不同后碰撞速度下颈部损伤。方法该模型以人体头颈部CT扫描图像为基础,利用Mimics进行三维骨重建,通过Hyper Mesh完善颈部三维实体韧带、小关节等组织,并进行网格划分。生成的模型包括头部、8节椎骨（C1～T1）、6个椎间盘（包括纤维环、髓核和上下软骨终板）、小关节（包括软骨和关节囊韧带）、韧带、肌肉等结构,最后在有限元后处理软件中完成模型验证与后碰撞计算。结果分别对模型进行轴向冲击、前后屈伸和侧屈模拟并与实验数据对比,验证模型的有效性,并进行速度为20、40、60、80 km/h后碰撞计算。在20 km/h速度下,颈部无损伤出现,在40、60、80 km/h速度下,最早出现损伤的都是韧带。随着速度增加,颈部各组织受力不断增大。速度为80 km/h时,颈椎的密质骨、松质骨和纤维环最大应力分别为226. 4、11. 5、162. 8 MPa,当韧带应变达到极限时,开始出现撕裂。结论所建头颈部有限元模型具有较高的生物仿真度和有效性,可用于交通事故中颈部损伤分析的研究,在一定程度上有助于颈椎损伤的诊断、治疗和预防。 

【文章来源】：医用生物力学. 2020,35(01)北大核心

【文章页数】：7 页

【部分图文】：

头颈部有限元模型

图2(b)、(c)所示为头颈部生物力学模型与刚性板撞击仿真过程中接触力、加速度曲线与实验曲线对比。仿真曲线与实验曲线整体趋势基本一致，且头部合成加速度仿真曲线基本处于实验上下边界曲线内，细微区别在于头部接触力仿真曲线峰值较实验曲线略有滞后。全过程时长20 ms，从初始时刻开始，头部与刚性板发生撞击，接触力不断增大并在约2.5 ms时刻达到峰值，之后头部出现反弹趋势且接触力逐渐减小，但此过程中却没有与刚性板分离，是由于附着在T1上的质量的冲击与下压作用，并形成了之后的两个峰，数值仿真与实验结果曲线吻合较好。2.2 前后屈伸和侧屈活动度验证

后碰撞发生时，由于汽车安全带的约束作用，人体胸部和座椅保持一致，头部运动滞后于身体。仿真模型处于竖直向下1 g重力场中，约束T1下表面，分别给头部施加20、40、60、80 km/h水平向后初速度模拟汽车追尾工况，在距离头部50 mm处设置1个座椅头枕[23-25]。3.2 结果及分析

【参考文献】：
期刊论文
[1]2016～2018年中国生物力学研究进展[J]. 陈维毅.  医用生物力学. 2018(06)
[2]膜单元与弹簧单元模拟韧带损伤的生物力学响应[J]. 李海岩,王晓燕,崔世海,贺丽娟,吕文乐,阮世捷.  医用生物力学. 2018(05)
[3]建立人体头颈动力学有限元模型和验证[J]. 郭迎福,何鸿曦,牛文鑫,蔡志华.  医用生物力学. 2017(05)
[4]颈部肌肉作用下颈椎牵引的生物力学特性[J]. 杨腾飞,王金武,胡志刚,赵为民,叶堃,黄文杰,戴尅戎.  医用生物力学. 2017(02)
[5]主动式安全头枕的开发与仿真研究[J]. 曹立波,李正坤,龚永坚.  汽车工程. 2014(06)
[6]颈椎终板生物力学与终板形态学及椎间盘退变的关系[J]. 张帆,吕飞舟,王洪立,姜建元.  国际骨科学杂志. 2012(06)
[7]基于CT图像颈椎有限元模型的建立及验证[J]. 曹立波,奠波,卢畅.  湖南大学学报(自然科学版). 2009(01)

硕士论文
[1]高仿生度人体颈部碰撞分析模型建模及损伤机理研究[D]. 刘敏.吉林大学 2016
[2]基于损伤生物力学的颈部精细化建模及在低速后碰撞中的应用[D]. 吴凯.华南理工大学 2016



本文编号：3018015