汽车座椅约束环境下人体脊椎的静动态特性分析

论文摘要

随着汽车机动性能的不断完善,人们开始对汽车的乘坐舒适性提出了更高的要求。车辆座椅的减振性能及舒适性对长期驾车、乘车所致的各种脊椎类疾病有很大的影响。研究发现即使小幅度循环振动载荷的长期作用与积累也可导致脊椎椎间盘的退化及与长期振动相关联的多种脊椎类病症。虽然座椅的减振性能不断地得到改善,但近年来的一些研究表明,车辆振动问题仍然是人体下腰疼痛发病率的一个不可忽略的原因。车辆振动对人体脊椎的损伤已日益受到关注,近年来国际上已提出利用人体脊椎弯曲姿态的调整达到人体脊椎安全保护的目的。目前国际上，在该方面的研究尚处于起步阶段。本文研究课题来源于国家自然科学基金,本文主要研究车辆座椅支撑对人体脊椎振动形态的影响。.通过CT扫描技术获得DICOM格式的人体脊椎数据。利用MIMICS软件建立人体腰椎—骨盆—骶髂复合体的三维模型。利用ANSYS软件建立人体椎间盘和韧带,最终获得人体脊椎L1-Pelvis段的三维有限元模型。选取人体腰椎容易患病的L4-L5运动段,对其进行生物力学验证,证明所建模型的有效性。对不同坐姿下的脊椎弯曲姿态,进行静力学分析,获得应力分布和位移变化规律。分析人体不同前俯角度对椎间盘的影响。利用人体脊椎L1-Pelvis段的三维有限元模型,进行了人体不同姿态下的腰椎生物力学分析。分析结果为座椅的静态舒适性设计提供科学的理论依据。四.分别在垂直坐姿和座椅约束条件下,对L1-Pelvis段的三维有限元模型进行模态分析,并提取各阶响应频率和模态振型,为座椅的动态舒适性提供了理论依据。本文的研究结果将为新型抗振人体保护型车辆座椅设计提供理论指导。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 汽车的平顺性概述
• 1.3 有限元基本理论
• 1.4 脊椎有限元分析法国内外研究现状
• 1.5 本论文的研究内容
• 第2章 汽车平顺性及座椅舒适性对人体的影响
• 2.1 汽车平顺性对人体的影响
• 2.1.1 汽车平顺性研究的“人体—座椅”振动模型
• 2.1.2 汽车平顺性对人体脊椎的影响研究
• 2.1.3 汽车平顺性对人体椎间盘的影响
• 2.2 汽车座椅的舒适性对人体的影响
• 2.2.1 座椅的静态舒适性对人体的影响
• 2.2.2 座椅的动态舒适性对人体的影响
• 2.3 人体脊椎生物力学特性及运动特性
• 2.3.1 人体脊椎生物力学特性
• 2.3.2 人体脊椎运动特性
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于CT扫描与MIMICS软件的三维实体建模
• 3.1 CT扫描技术及MIMICS软件介绍
• 3.1.1 CT扫描技术介绍
• 3.1.2 MIMICS软件介绍
• 3.2 腰椎运动阶段三维实体建模
• 3.2.1 材料准备
• 3.2.2 建立腰椎初始三维模型
• 3.2.3 腰椎模型的光滑处理
• 3.3 骨盆和骶髂复合体三维实体建模
• 3.4 本章小结
• 第4章 人体脊椎三维有限元模型的建立
• 4.1 ANSYS软件介绍
• 4.2 椎间盘的建立
• 4.3 韧带的建立
• 4.3.1 选择单元类型
• 4.3.2 定义材料属性
• 4.3.3 网格划分
• 4.3.4 建立韧带
• 4.4 本章小结
• 第5章 汽车座椅约束下人体脊椎的静态特性分析
• 5.1 静力分析理论基础
• 5.1.1 静力分析的内容及意义
• 5.1.2 静力分析基本理论
• 5.2 有限元模型的有效性验证
• 5.2.1 有限元模型几何形状与材料参数的可靠性
• 5.2.2 有限元模型分析结果与人体实验结果的对比与验证
• 5.3 单椎体运动段模型的静态特性分析
• 5.3.1 单椎体运动段模型的静态特性分析
• 5.3.2 椎间盘的静态特性分析
• 5.4 人体脊椎的静态特性分析
• 5.4.1 垂直坐姿下人体脊椎的静态特性分析
• 5.4.2 前俯坐姿下人体脊椎的静态特性分析
• 5.5 小章小结
• 第6章 汽车座椅约束下人体脊椎的动态特性分析
• 6.1 模态分析理论基础
• 6.1.1 模态分析的定义及优点
• 6.1.2 模态分析基本理论
• 6.2 单椎体运动段模型的动态特性分析
• 6.3 座椅约束下人体脊椎的动态特性分析
• 6.3.1 无座椅约束下人体脊椎的动态特性分析
• 6.3.2 座椅约束下人体脊椎的动态特性分析
• 6.4 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 课题的研究总结
• 7.2 课题的展望
• 参考文献
• 致谢