应用于汽车碰撞安全研究的人体胸部有限元模型的建立与仿真验证

论文摘要

汽车碰撞事故中乘员和行人胸部损伤是常见的损伤类型,也是造成重伤或者死亡的主要致伤形式,是研究汽车安全的重要课题,开展关于人体胸部交通伤损伤形式、损伤机理、耐受限度的研究和建立经济有效的人体胸部有限元模型具有十分重要的意义。利用损伤生物力学方法研究汽车碰撞条件下乘员胸部受力与损伤关系,根据损伤机理和损伤极限确定乘员胸部损伤程度,从而制定出相应的防护措施,亦可为制定合理有效的碰撞安全法规提供科学依据。本课题以汽车乘员胸部为研究对象,综合运用损伤生物力学、汽车碰撞安全、有限元分析等学科知识,建立人体胸部有限元模型,研究车辆碰撞时人体胸部的损伤情况。汽车企业及研究机构研究乘员和行人损伤,使用较多的是假人碰撞试验,但用假人试验的条件严格、成本也非常高,所以,利用经济有效的人体有限元模型来进行碰撞仿真的方法得到越来越广泛的应用。本课题选定身高175cm,体重68kg的男性志愿者,对其进行隔层0.5mm的全身螺旋CT扫描,获取建模所需的影像数据。然后利用螺旋CT扫描影像,通过图像分析处理,利用三维重构和单元网格划分技术,建立了基于人体解剖学的胸部有限元模型。整个胸部模型包括脊椎(第1胸椎到第5腰椎)、胸骨、肋骨、肋软骨等骨骼组织和胸腔主要软组织(心脏、肺等)。整个胸部模型包括664889个节点、547109个实体单元和886个壳单元,模型总重9.322kg。参考Kindig肋骨实验,对4根典型的肋骨有限元模型进行了的验证。参考了Kroell和Chung的两组实验数据,对胸部有限元模型分别进行了正碰和侧碰实验验证。结果表明本课题建立的胸部有限元模型具有较高的生物仿真度及良好的碰撞仿真有效性,可以应用于汽车安全领域中乘员及行人的安全保护研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 论文的研究背景与意义
• 1.2 人体胸部交通损伤主要研究内容
• 1.2.1 胸部损伤流行病学
• 1.2.2 胸部损伤生物力学
• 1.3 人体胸部交通损伤主要研究方法
• 1.3.1 碰撞实验
• 1.3.2 CAE仿真分析
• 1.4 胸部损伤程度的评价
• 1.5 车辆碰撞中乘员胸部的损伤方式
• 1.6 胸部损伤的耐受限度评估
• 1.6.1 正面碰撞胸部损伤耐受限度评估
• 1.6.2 侧面碰撞胸部损伤耐受限度评估
• 1.7 本课题的来源及主要研究内容
• 第二章 人体胸部解剖学组织结构
• 2.1 胸腔
• 2.1.1 肋骨
• 2.1.2 胸骨
• 2.1.3 肋间肌
• 2.2 脊椎
• 2.2.1 椎骨
• 2.2.2 椎间盘
• 2.2.3 韧带
• 2.3 心脏
• 2.4 肺部
• 2.5 本章小结
• 第三章 人体胸部三维有限元模型的建立
• 3.1 胸部有限元模型的研究与进展
• 3.2 胸部三维实体模型的建立
• 3.2.1 CT扫描
• 3.2.2 人体胸部三维CAD模型的建立
• 3.3 模型三维网格的划分
• 3.4 模型的组装
• 3.5 模型的材料属性
• 3.6 本章小结
• 第四章 人体胸部有限元模型仿真分析与验证
• 4.1 动态有限元显示解法
• 4.1.1 运动学和动力学的基本方程
• 4.1.2 数值计算-中心差分法
• 4.2 肋骨弯曲仿真分析与验证
• 4.2.1 实验方法
• 4.2.2 肋骨弯曲仿真分析
• 4.2.3 结果分析
• 4.3 胸部整体模型前碰撞有限元分析与验证
• 4.3.1 实验方法
• 4.3.2 胸部撞击仿真分析
• 4.3.3 结果分析
• 4.4 胸部整体模型侧碰撞仿真与验证
• 4.4.1 实验方法
• 4.4.2 胸部撞击仿真分析
• 4.4.3 结果分析
• 4.5 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附表