头部碰撞生物力学响应分析

论文摘要

随着我国国民经济水平的提高，汽车保有量也在逐年增加，频繁发生的交通事故随之而来。在大量的交通事故中，头部损伤占重要的比例，其高致残率及高死亡率也造成了直接的经济损失和家庭不幸等诸多社会、经济问题。因此头部损伤机理的研究及其防护技术在世界各国都受到高度重视，并投入了大量人力物力进行研究。头部具有极为复杂的解剖学结构，同时包含了人体中枢神经系统最重要的器官，对头部进行研究的手段受到极大的限制。在过去的几十年中，研究人员在头部损伤机理的研究领域提出了很多种假说，但是真正意义上能够完整揭示致伤机制的理论仍然有待完善。本文通过对头部解剖学的认识以及头部损伤机理的研究，以有限元分析软件ABAQUS和三维建模软件CATIA为工具，建立一个合理的人体头部有限元模型，通过有限元方法分析交通事故中头部的生物力学响应及影响头部损伤的因素。本文研究了相关文献中头部模型以及人体生物形态，应用三维建模软件CATIA建立了与实际结构相符的头部几何模型，由于头部结构的复杂性，对模型进行了适当简化。为了验证头部模型的合理性，将模型导入ABAQUS中并进行有限元网格划分计算机实验。依据头部标定试验方法的计算机实验结果表明：采用2mm的网格大小可以保证计算的准确性；造成损伤的头部合成加速度最大值为2305m·s-2，满足头部标定试验，即所得数值位于205～2695m·s-2之间，从而确定头部模型是合理的。采用软件ABAQUS模拟了头部碰撞汽车发动机罩板的生物力学响应，对汽车的行驶速度、罩板的厚度以及撞击角度等三个因素进行了分析。计算机实验结果表明：罩板越厚、撞击速度和撞击角度越大，对头部的损伤也严重。研究方法为汽车安全性和头部创伤防护研究提供了参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题意义及目的
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 主要研究内容
• 第2章 头部解剖学结构及其损伤生物力学
• 2.1 头部解剖结构
• 2.1.1 头皮解剖结构
• 2.1.2 颅骨解剖结构
• 2.1.3 脑膜解剖结构
• 2.1.4 脑解剖结构
• 2.2 头部损伤
• 2.2.1 头部损伤类型
• 2.2.2 损伤生物力学
• 2.2.3 头部损伤评价标准
• 第3章 头部结构有限元模型
• 3.1 有限元分析方法介绍
• 3.2 有限元软件及三维设计软件介绍
• 3.2.1 有限元软件 ABAQUS 介绍
• 3.2.2 三维设计软件 CATIA 的介绍
• 3.3 有限元模型建立和网格划分
• 3.3.1 几种头部有限元模型对比
• 3.3.2 EEVC（欧洲提高车辆安全委员会）准则
• 3.3.3 EEVC 准则下的几何模型建立以及网格划分
• 3.4 CATIA 中几何模型建立以及网格的划分
• 3.4.1 几何模型的简化及建立
• 3.4.2 网格的划分
• 3.5 本章小结
• 第4章 头部碰撞计算机实验
• 4.1 头部模型的标定方法以及要求
• 4.2 头部几何模型的验证
• 4.2.1 头部模型在 ABAQUS 中的定义
• 4.2.2 头部模型的验证
• 4.3 头部与罩板撞击的生物力学响应分析
• 4.3.1 撞击角度的影响
• 4.3.2 撞击速度的影响
• 4.3.3 罩板厚度的影响
• 4.4 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录