Hybrid Ⅲ 50th假人有限元模型胸腰椎段研究

论文摘要

脊柱是人体的中轴，它主要起到支撑体重、传递重力的作用，实验证明：咳嗽时脊柱腰椎L3-L4椎间盘的负荷有80公斤力，脊柱之所以能承受接近人体体重重量是因为脊柱具有生理弯曲；由机械力学原理可知，弧形柱的阻尼等于弧数的平方加一，成人弯曲脊柱的阻尼系数10倍于直立时的脊柱的阻尼系数；因此，脊柱的弧度对于人体承受压力和外界碰撞力有着十分重要的影响。相关解剖学文献已表明，人站立时，脊柱的胸椎下段和腰椎段表现为向前弯曲，分析驾驶坐姿下志愿者胸腰椎形态X光照片，证实志愿者胸椎下段和腰椎段仍表现为向前弯曲，这与广泛应用于汽车安全碰撞领域的Hybrid Ⅲ50th正面碰撞假人腰椎段弯曲方向相反，Hybrid Ⅲ50th正面碰撞假人脊柱阻尼系数只有5倍于直立脊柱的阻尼系数。为了研究胸椎下段和腰椎段弯曲方向不同对Hybrid Ⅲ50th正面碰撞假人在动态响应和损伤参数方面带来的影响，本文运用车辆人机工程学知识，搭建满足中国人体10百分位到95百分位志愿者坐姿舒适要求的驾驶实验舱，采用X光照射获取身高差异较大四位志愿者胸椎下段和腰椎段形态的影像资料，研究表明：四位志愿者胸椎下段和腰椎段呈现不同曲率的向前弯曲，这一现象适合不同身高中国人。以95百分位的中国男性志愿者X光影像图片为基础，结合胸腰椎段损伤生物力学和Hybrid Ⅲ50th假人设计知识，做了如下工作：（1）对LSTC公司建立的Hybrid Ⅲ50th假人有限元模型腰椎段改动；（2）建立国内某款车型的驾驶员侧车体有限元模型；（3）对改进前后的有限元模型验证，并在同一条件下分别做仿真，仿真研究结果表明：改进前后假人头部X向的加速度、髋骨X向的加速度、左大腿力损伤参数和安全带肩带力和腰带力曲线基本上相吻合；修改腰椎后的假人胸部3ms值降低了15.2%、胸部压缩量降低了20%，修改后的腰椎比较符合人体做向前弯曲动作时腰椎运动的实际变化情况，（4）运用正交试验原理做多组对比仿真，得出改进后Hybrid Ⅲ50th假人脊柱具有承受更大冲击载荷的能力的结论。通过研究表明：现有的Hybrid Ⅲ50th假人腰椎段不仅不符合人体解剖学弯曲结构，而且其动态响应过程也有悖于人体做向前弯曲动作时腰椎运动的实际变化情况，Hybrid Ⅲ50th假人腰椎段承受冲击载荷能力被削减，Hybrid Ⅲ50th假人腰椎段存在不准确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1. 引言
• 1.2 国内外脊柱损伤的研究历史和现状
• 1.2.1 脊柱的生物试验研究
• 1.2.2 脊柱的模型开发和验证
• 1.3 人机工程学简介
• 1.3.1 人机工程学研究方向构成
• 1.3.2 车辆人机工程学
• 1.3.3 轿车驾驶室空间布置总体原则
• 1.3.4 驾驶工作台设计原则
• 1.3.5 驾驶员主要人体特性
• 1.3.6 车内环境设计
• 1.4 Hybrid Ⅲ 50th 假人的介绍
• 1.4.1 Hybrid Ⅲ 50th 假人模型发展历程
• 1.4.2 Hybrid Ⅲ 50th 男性假人有限元模型介绍
• 1.4.3 Hybrid Ⅲ 50th 男性假人设计原则
• 1.5 本课题研究主要内容
• 第2章 脊柱损伤生物力学
• 2.1 脊柱的解剖结构功能和运动特点
• 2.1.1 脊柱的解剖结构
• 2.1.2 脊柱运动特点
• 2.2 脊柱损伤生物力学
• 2.2.1 脊柱损伤机制分类
• 2.2.2 脊柱的损伤机理研究
• 2.2.3 脊柱的损伤评价方法
• 2.3 本章小结
• 第3章 基于 X 光照驾驶状态下人体胸腰椎形态研究
• 3.1 正确坐姿的确定
• 3.1.1 H 点定义
• 3.1.2 H 点确定
• 3.1.3 舒适坐姿
• 3.2 驾驶试验舱设计
• 3.3 X 光照实验拍摄
• 3.3.1 X 光照机简介
• 3.3.2 拍摄过程
• 3.3.3 数据测量
• 3.3.4 志愿者胸腰椎段 X 光照射结果
• 3.4 本章小结
• 第4章 Hybrid Ⅲ 50th 有限元模型胸腰椎结构改进
• 4.1 Hybrid Ⅲ 50th 假人结构
• 4.1.1 Hybrid Ⅲ 50th 男性假人的组成结构特点
• 4.1.2 Hybrid Ⅲ 50th 男性假人主要参数
• 4.2 Hybrid Ⅲ 50th 男性假人有限元模型胸腰椎段改动
• 4.2.1 Hybrid Ⅲ 50th 男性假人有限元模型胸腰椎改动原则
• 4.2.2 Hybrid Ⅲ 50th 男性假人有限元模型胸腰椎的改动
• 4.4 本章小结
• 第5章 Hybrid Ⅲ 50th 假人有限元模型仿真对比研究
• 5.1 正面碰撞驾驶员侧车体有限元模型的建立
• 5.2 正面碰撞驾驶员侧车体有限元模型的验证
• 5.3 改进前后假人动态响应及损伤参数的对比分析
• 5.3.1 假人动态响应对比
• 5.3.2 假人损伤曲线对比
• 5.4. 基于正交试验设计仿真对比
• 5.4.1 正交试验设计
• 5.4.2 正交仿真试验
• 5.5 讨论
• 5.6 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 攻读学位期间所发表的学术论文目录