高仿生度人体颈部碰撞分析模型建模及损伤机理研究

发布时间：2017-04-13 20:10

  本文关键词：高仿生度人体颈部碰撞分析模型建模及损伤机理研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：车辆碰撞过程中,颈部是最容易受伤的部位之一。利用有限元方法建立颈部有限元模型,进而利用实验所得数据对模型进行有效性验证,并利用验证后的模型进行颈部损伤机理的探索已经成为目前颈部损伤研究最常用的方法。国内外学者已经建立了多个人体颈部有限元力学模型并开展了颈部损伤机理的探究。但由于颈部结构复杂,现有模型网格划分时,通常进行了大量的简化,使得模型不够精细;模型一般只开展颈部无肌肉模型的跌落实验及有肌肉模型的志愿者后碰撞台车试验验证,而很少开展轴向拉伸及屈伸、侧弯及扭转实验的验证,模型的仿真验证相对较少;现有模型用实体单元或壳单元连接相邻椎骨实现对关节的模拟,虽然可以较准确的模拟颈椎整体的运动模式,但在局部组织的应力/应变方面以及伴有头部旋转的分析工况时存在不足,不能真实的表达由关节软骨面、囊韧带和关节腔组成的关节的生理功能,其仿生度还存在较大的提升空间。针对以上问题,本文开展了如下工作:(1)人体颈部高仿生度有限元模型的建立。基于50百分位中国男性成年志愿者的CT扫描数据,获取了椎骨三维几何模型,并对其进行六面体网格划分。接着根据解剖结构对关节、韧带等组织进行了建模,并根据国内外相关文献定义各组织材料参数,得到最终的人体颈部有限元模型。该模型包括颈椎椎骨(C1-C7)及一节胸椎椎骨(T1)、韧带、椎间盘、小关节和肌肉,以及颅骨与C1和C1与C2之间的可以模拟头部点头、后仰及旋转的寰枕关节和寰枢关节。本文将所建立的颈部模型与之前的头部模型进行连接,最终得到一个具有比以往模型更高仿生度的头颈部模型。(2)基于文献的颈部实验仿真验证。基于Panjabi等人进行的颈椎前屈/后伸/侧屈/旋转实验,开展模型的仿真验证,考核韧带、椎间盘、关节等对椎骨活动度的影响;基于Van等人进行的椎骨轴向拉伸实验,开展颈椎拉伸仿真验证,考核头部约束条件和偏心拉伸载荷对颈部响应的影响;基于Nightingale等人进行的头/颈部模型跌落试验,开展了无肌肉头颈部模型的仿真验证,考核颈部屈曲模式与实验的一致性;基于Davidson等人进行的志愿者低速后碰撞台车试验,开展了包含肌肉的颈部模型的仿真验证,考核颈部模型整体运动模式与真实人体运动模式的一致性。(3)后碰撞头颈部生物力学响应研究。以低速后碰撞为例,利用本文验证后的头/颈部模型进行仿真分析,给出了后面碰撞上颈椎韧带、关节囊韧带、椎间盘及椎骨响应参数,并评估了颈部各组织可能发生的损伤及颈部损伤的机理。本文所建立的颈部模型较以往模型仿生度更好,可用于交通事故中颈部损伤机理的研究,并为汽车碰撞中乘员伤害评价研究提供参考。
【关键词】：高仿生度 有限元模型 颈部 关节 后碰撞
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R681.5
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-21
• 1.1 车辆碰撞中颈部损伤的研究背景和意义11
• 1.2 颈部损伤机理11-12
• 1.3 颈部损伤准则12-14
• 1.4 颈部模型的发展14-18
• 1.5 课题研究内容18-21
• 第2章 人体头颈部有限元模型的建立21-41
• 2.1 椎骨几何模型的建立21-24
• 2.2 上颈椎的生理结构及有限元模型建立24-31
• 2.2.1 上颈椎生理结构24-26
• 2.2.2 上颈椎网格划分26-27
• 2.2.3 上颈椎关节模型的建立27-29
• 2.2.4 关节副接触定义29-30
• 2.2.5 上颈椎韧带模型的建立30-31
• 2.3 下颈椎生理结构及有限元网格划分31-34
• 2.3.1 下颈椎生理结构31-32
• 2.3.2 下颈椎网格划分32-33
• 2.3.3 下颈椎关节模型建立33-34
• 2.4 椎间盘解剖结构及椎间盘有限元模型的建立34-35
• 2.5 韧带解剖结构及韧带有限元模型的建立35-36
• 2.6 肌肉解剖结构及肌肉有限元模型的建立36-38
• 2.7 颈部有限元模型与头部模型的接合38-39
• 2.8 颈部主要组织材料参数39-41
• 第3章 基于文献的人体头颈部有限元模型验证41-57
• 3.1 基于Panjabi前屈/后伸/侧屈/旋转实验数据验证41-44
• 3.1.1 实验描述41
• 3.1.2 仿真边界条件的设定41-42
• 3.1.3 仿真结果与实验数据对比分析42-44
• 3.2 基于Van轴向拉伸实验数据验证44-48
• 3.2.1 实验描述44-45
• 3.2.2 仿真边界条件的设定45-46
• 3.2.3 仿真结果与实验数据对比分析46-48
• 3.3 基于Nightingale头颈部跌落实验数据验证48-52
• 3.3.1 实验描述48-49
• 3.3.2 仿真边界条件的设定49
• 3.3.3 仿真结果与实验数据对比分析49-52
• 3.4 基于Davidsson后碰撞台车实验数据验证52-57
• 3.4.1 实验描述52-53
• 3.4.2 仿真边界条件的设定53
• 3.4.3 仿真结果与实验数据对比分析53-57
• 第4章 后碰撞头颈部生物力学响应57-65
• 4.1 后碰撞仿真模拟57-58
• 4.1.1 碰撞条件的设定57
• 4.1.2 仿真模拟与乘员动力学响应对比分析57-58
• 4.2 颈部损伤研究58-62
• 4.2.1 主要韧带响应参数分析58-59
• 4.2.2 椎间盘响应参数分析59-61
• 4.2.3 椎骨响应参数分析61-62
• 4.3 低速后碰撞颈部耐受分析62-63
• 4.4 颈部损伤预测63-65
• 4.3.1 韧带损伤63
• 4.3.2 椎间盘损伤63-64
• 4.3.3 椎骨损伤64-65
• 第5章 总结与展望65-67
• 5.1 论文的主要研究工作65
• 5.2 论文的创新点65
• 5.3 后续工作展望65-67
• 参考文献67-73
• 作者简介及科研成果73-74
• 致谢74

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 郑祖丹;吴斌;于峰;胡伟强;;追尾碰撞颈部挥鞭伤害的试验研究[J];汽车技术;2013年10期

2 张建国;周蕊;薛强;;基于挥鞭样损伤研究的颈部有限元模型的建立及验证[J];中国生物医学工程学报;2008年03期

3 杨济匡,许伟,万鑫铭;研究汽车碰撞中头颈部动态响应的有限元模型的建立和验证[J];湖南大学学报(自然科学版);2005年02期

4 杨济匡,姚剑峰;人体颈部动力学响应分析有限元模型的建立和验证[J];湖南大学学报(自然科学版);2003年04期

中国硕士学位论文全文数据库 前3条

1 王丹;基于骨折特性的颅脑损伤建模及碰撞伤害研究[D];吉林大学;2014年

2 胡浩;车辆碰撞事故中颅脑损伤建模与伤害评价研究[D];吉林大学;2014年

3 杜登云;人体颈椎建模及车辆后碰撞颈部损伤研究[D];吉林大学;2014年

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本文编号：304366