乘员足关节碰撞损伤分析及其在车辆安全约束系统中作用的研究

论文摘要

随着汽车工业的飞速发展,交通事故不断增加,汽车安全问题日益突显严重。在频发的交通事故中,下肢的损伤占损伤总数的40%以上,而足在下肢中起着重要的作用,是人体维持直立姿态的支撑点。研究车辆安全碰撞的课题中,足部的生物力学响应及损伤机理是汽车安全领域应优先考虑的问题之一。随着有限元技术的发展,人体足部有限元模型相继出现；但目前研究中所构建的足部模型还不完善,如解剖结构还不详细,网格单元质量不高等。建立具有详细解剖结构的六面体网格单元的人体足部有限元模型将对研究人体足部损伤机理和汽车乘员下肢的损伤生物力学响应具有重要意义。本研究主要工作如下：1、基于CT影像数据,参照人体足部解剖学结构的相关知识,通过阈值分割的方法提取足部结构,利用三维重建的技术构建人体足部三维几何模型。2、在人体足部三维几何模型的基础上,利用网格划分技术,构建了具有详细解剖结构的六面体网格单元的人体足部有限元模型。3、对所构建的人体三维足部有限元模型进行仿真分析,通过和尸体实验进行对比,验证模型的有效性。4、利用所构建的足部有限元模型进行制动踏板碰撞模拟,得出足部跟骨及韧带易受到碰撞损伤。通过本文的研究工作,有助于改善汽车安全性能,为行人和乘员的安全保护措施提供参考依据；同时也为今后开展足部损伤生物力学的模拟研究提供了可靠的基础数据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 车辆安全性研究的意义
• 1.2 国内外足部有限元模型的研究状况
• 1.2.1 足部有限元模型的构建方法
• 1.2.2 足部有限元模型的验证方法
• 1.2.3 足部有限元模型的应用现状
• 1.3 本课题研究的内容
• 1.4 课题研究的目的和意义
• 1.4.1 课题研究的目的
• 1.4.2 课题研究的意义
• 2 人体足部有限元建模基础
• 2.1 有限元法基础
• 2.1.1 虚功原理
• 2.1.2 有限元分析过程
• 2.1.3 有限元算法的比较
• 2.2 弹性理论基础
• 2.2.1 弹性力学的基本方程
• 2.3 逆向工程原理
• 2.3.1 NURBS曲面算法
• 2.3.2 分割算法流程
• 2.4 足部有限元建模软件介绍
• 2.4.1 Geomagic软件介绍
• 2.4.2 Pamcrash软件介绍
• 2.4.3 Hypermesh软件与Turegrid软件的比较
• 2.5 人体足部解剖学组织结构
• 2.5.1 足部的骨骼
• 2.5.2 足部可触及的骨性标志
• 2.5.3 足部的关节
• 2.5.4 足部的韧带
• 2.5.5 足部的肌肉及筋腱
• 2.6 足部损伤机理
• 2.7 本章小结
• 3 中国人体足部有限元模型的构建
• 3.1 有限元模型的网格单元类型
• 3.1.1 六面体网格单元
• 3.1.2 六面体实体单元与四面体单元的比较
• 3.1.3 壳体单元--厚壳和薄壳
• 3.2 足部几何模型的构建
• 3.2.1 足部CT图像的提取
• 3.2.2 足部几何模型的细化
• 3.4 足部有限元模型的构建
• 3.4.1 足骨、韧带及肌腱的网格划分
• 3.4.2 足部肌肉及软组织的网格划分
• 3.4.3 网格单元质量检查
• 3.4.4 足部模型的材料参数
• 3.5 本章小结
• 4 人体足部有限元模型的计算及分析
• 4.1 足部有限元模型的参数设置
• 4.1.1 载荷和边界条件的设置
• 4.1.2 接触方式的设置
• 4.1.3 时间参数的设置
• 4.2 仿真结果分析
• 4.3 足部模型制动碰撞模拟分析
• 4.4 本章小结
• 5 足部有限元模型的应用
• 5.1 人体有限元模型数据库的改进
• 5.2 足跖骨缺损的理论研究
• 5.3 本章小结
• 6 结论和展望
• 6.1 结论
• 6.2 论文创新点
• 6.3 展望
• 7 参考文献
• 8 攻读硕士学位期间发表论文情况
• 9 致谢