高速前碰撞冲击下人体颈部生物力学响应的有限元分析和研究

论文摘要

在各种类型的碰撞冲击过程中,人体颈部是最易受到损伤的部位。在汽车碰撞事故中,颈部损伤不仅具有高发性,而且事故幸存者往往伴随有长期后遗症。在航空航天事业中,宇航员与飞行员往往会承受高G载荷。这不仅会引起飞行员颈部肌肉拉伤,而且还会造成颈椎骨折、韧带撕裂、椎间盘退变或突出等症状。因此,颈部损伤机理及其防护技术的研究受到世界各国的关注,并投入了大量人力物力进行研究。通过建立一个能够反映人体结构基本特征和描述人体运动基本特征的颈部有限元模型来模拟人体颈部的基本功能、工作原理以及动力学响应机制,替代人体颈部进行各种碰撞冲击载荷分析,研究各种外界条件对于颈部运动的影响及损伤情况。制定了一个科学有效的建模方案,建立了一个基于国人真实人体解剖学结构的颈部有限元模型。该模型包括椎骨、椎间盘、韧带和肌肉。分别采用实体单元、索单元和梁单元来构建。所有组织具体参数均来自国内外较为权威的参考文献,其中椎骨和韧带定义为弹性材料,椎间盘和肌肉定义为粘弹性材料。该颈部有限元模型采用1978年Ewing等人在美国海军生物力学实验室的前碰撞志愿者实验数据进行了验证。仿真后结果显示,颈部模型的仿真过程与颈部的实际运动过程基本一致,其加速度曲线和位移曲线与实验数据曲线基本吻合。将颈部有限元模型用于人体颈部前碰撞损伤预测分析,通过获取颈部椎骨、椎间盘以及韧带的内部响应参数,探讨颈部各组织的应力及应变随时间变化的规律。结合医学损伤原理说明前碰撞损伤原因。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 颈部冲击生物力学的研究内容及意义
• 1.2 课题的研究意义
• 1.3 主要研究内容
• 2 颈部解剖学结构及前碰撞生物力学
• 2.1 颈椎骨的结构
• 2.1.1 普通颈椎
• 2.1.2 第1颈椎—寰椎
• 2.1.3 第2颈椎—枢椎
• 2.1.4 第7颈椎—隆椎
• 2.2 颈椎骨的连结
• 2.2.1 椎间盘
• 2.2.2 韧带
• 2.2.3 肌肉
• 2.2.4 关节
• 2.3 颈部生物力学
• 2.4 颈椎的运动范围
• 2.5 前碰撞的运动学分析
• 2.5.1 实验装置
• 2.5.2 前碰撞颈椎的运动过程
• 3 颈部损伤研究
• 3.1 颈部损伤现象
• 3.2 颈部损伤机理
• 3.2.1 运动损伤模式
• 3.2.2 损伤理论
• 3.2.3 损伤部位
• 3.3 颈部损伤研究方法及现状
• 3.3.1 实验研究方法及现状
• 3.3.2 仿真研究方法及现状
• 3.4 颈部损伤准则及耐受度
• 4 颈部有限元模型的建立
• 4.1 大变形动力学基本方程与数值计算方法
• 4.1.1 大变形基本理论
• 4.1.2 大变形动力学数值计算方法
• 4.1.3 大变形动力学有限元基本解法与求解过程
• 4.2 颈部有限元模型的建立
• 4.2.1 几何模型建立
• 4.2.2 网格划分
• 4.2.3 单元类型和材料参数的设置
• 5 颈部有限元模型的验证及分析
• 5.1 颈部前碰撞验证
• 5.1.1 加载条件设定
• 5.1.2 前碰撞验证结果
• 5.2 颈部前碰撞内部响应参数分析
• 5.2.1 椎骨内部响应参数分析
• 5.2.2 椎间盘内部响应参数分析
• 5.2.3 韧带内部响应参数分析
• 5.3 颈部前碰撞损伤预测
• 5.3.1 椎骨损伤预测
• 5.3.2 椎间盘损伤预测
• 5.3.3 韧带损伤预测
• 5.4 结果与讨论
• 6 结论及展望
• 6.1 课题研究总结
• 6.2 今后工作展望
• 7 参考文献
• 8 论文发表情况
• 9 致谢