乘员膝关节碰撞损伤分析及防护措施研究

论文摘要

随着汽车工业在我国的飞速发展,交通事故也在逐年上升,因交通事故受伤的人数存在着有增无减的势头。在交通事故中,机动车之间相互碰撞不可避免地频繁出现,由此引发的乘员损伤必然会大大增加,人们对汽车安全性的要求也越来越高。随着安全带与安全气囊的普遍应用改变了碰撞损伤的分布与严重程度,头部与胸部得到了更好的保护,但是并没有阻止其他部位如下肢等的损伤发生。膝关节作为下肢最重要、最复杂的关节,是下肢活动的枢纽。因此研究交通事故中膝关节的损伤机理以及生物力学问题,并通过研究对于制定相应的防护措施和降低损伤的发生率都将具有非常重要的意义。为此,本文的主要工作如下：1、对膝关节的组织结构作细致的分析,了解组织间的连接状况和生物力学特性,为建立三维膝关节几何模型以及有限元模型准备充足的数据。2、应用人体下肢的螺旋CT扫描图像,利用图形处理技术和三维重建技术,构建人体膝关节三维几何模型。3、在建立人体膝关节三维几何模型的基础上,应用TrueGrid软件对膝关节几何模型进行网格划分,并利用HyperMesh软件进行适当的网格修整。4、对所建立的三维膝关节有限元模型进行严格的试验和理论验证,模拟碰撞过程进行分析,得出结论。5、通过汽车结构与缓冲吸能措施以及车内乘员保护措施两个方面来进行乘员膝关节损伤防护措施的研究。三维膝关节损伤生物力学计算模型的建立对研究膝关节损伤中的生物力学问题具有推动性的作用。该项研究对减少、防护膝关节损伤有着重要的理论意义和实际应用价值。通过本文的研究工作,为后续的人体其他部位损伤生物力学的研究形成一整套的研究思路,为后续的研究工作打下坚实的基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 汽车碰撞安全与损伤生物力学研究的发展概况
• 1.1.1 汽车碰撞安全概述
• 1.1.2 损伤生物力学概述
• 1.2 前碰撞中乘员膝关节损伤研究现状
• 1.2.1 乘员膝关节损伤形式的统计分析
• 1.2.2 膝关节损伤生物力学研究现状
• 1.3 论文选题背景及研究内容
• 1.4 本章小结
• 2 人体膝关节解剖学结构
• 2.1 人体解剖学的基本术语
• 2.1.1 解剖学姿势
• 2.1.2 解剖学方位术语
• 2.1.3 轴
• 2.1.4 人体切面术语
• 2.2 膝关节解剖学组织结构
• 2.2.1 股骨
• 2.2.2 髌骨
• 2.2.3 小腿骨
• 2.3 本章小结
• 3 有限元理论
• 3.1 有限元算法基础
• 3.2 物体运动及变形的描述
• 3.3 应力张量及其之间的关系
• 3.3.1 柯西应力
• 3.3.2 拉格朗日应力
• 3.3.3 第二类克希霍夫应力
• 3.4 接触碰撞处理
• 3.4.1 搜索从节点的方法
• 3.4.2 接触能量的计算
• 3.5 材料模型及其本构方程
• 3.6 本章小结
• 4 人体膝关节三维有限元模型的构建
• 4.1 人体膝关节几何模型的构建
• 4.1.1 膝关节几何模型构建软件概述
• 4.1.2 CT数据的采集及导入
• 4.1.3 几何模型的处理与修整
• 4.2 人体膝关节有限元模型的构建
• 4.2.1 网格划分软件简介
• 4.2.2 单元类型的选择
• 4.2.3 网格划分
• 4.2.4 有限元模型的修整及导出过程
• 4.3 本章小结
• 5 人体膝关节模型验证及其仿真分析
• 5.1 有限元分析软件简介
• 5.2 状态与参数设置
• 5.3 尸体实验与仿真设计
• 5.4 仿真与实验结果的对比
• 5.5 本章小结
• 6 前碰撞中乘员膝关节损伤防护措施研究
• 6.1 汽车结构的缓冲与吸能措施研究
• 6.2 车内乘员被动安全保护措施的研究
• 6.3 本章小结
• 7 结论与展望
• 8 参考文献
• 9 攻读硕士学位期间发表论文情况
• 10 致谢