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车辆碰撞事故中头部生物力学响应和损伤机理分析

作　者: 许伟
导　师: 杨济匡
学　校: 湖南大学
专　业: 车辆工程
关键词: 车辆交通事故头部损伤人体头部模型事故重建损伤分析损伤生物力学
分类号: U461.91
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

头部损伤是汽车交通事故中最为常见的伤害类型之一,而且头部损伤是造成重伤或者死亡的主要致伤形式。由于头部创伤导致的治疗、赔偿和死亡带来了大量的社会和经济问题。以英国为例,1997年大约40%的头部损伤是由于交通事故导致的。在我国,随着经济发展和国内汽车市场的升温,汽车保有量急剧增加,我国的道路交通事故发生率一直居高不下,而其中头部损伤在交通伤害中占了较高的比例(约为22.5~41%)。因此,在我国开展针对头部损伤的形式、损伤机理、耐受限度和防护方法的研究具有重要的现实意义。本文主要进行基于真实人体解剖学结构的头部建模和验证工作;将开发的头部有限元模型用于典型行人碰撞事故重建和损伤分析研究工作;并提出相关降低头部损伤的防护措施。人体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。本文在前人研究的基础上,对头部载荷条件、损伤机理等研究成果进行了总结,同时对有限元方法在人体头部损伤研究领域的应用进行了回顾。以显式有限元分析软件LS-DYNA和多刚体动力学分析软件MADYMO为主要的研究工具,进行了头部损伤研究工作。建立了基于真实人体解剖学结构的三维头部有限元模型,这一有限元模型被命名为人体头部模型(Human Body Model-head,HBM-head)。模型描述了主要的颅脑解剖学结构,包括头皮、颅骨、硬脑膜、脑脊液、软脑膜、大脑、小脑、脑室、脑干、脑镰和脑幕等等。整个模型由66 624个节点,49 607个实体单元和11 514个壳单元组成,头部模型质量为4.4 kg。脑组织的材料特性来自于国内外文献资料。基于国外不同时期经典的尸体实验的数据对HBM头部模型进行了验证,比较了Nahum(1976年)和Trosseille(1992年)的实验与仿真分析中的头部动力学响应参数以及颅内压力;同时再现了碰撞过程冲击-对冲伤害模式的压力梯度分布情况,并计算了颅内应力应变分布。另外,通过Hardy实验验证分析了模型模拟颅脑相对运动的能力。同时根据国外颅骨冲击实验数据,对头部骨折的力学特性进行了验证分析。结果表明,仿真分析与实验的结果吻合较好,模型具有较高的生物逼真度,可以用于颅脑损伤的颅内应力应变分布、颅内压力等相关参数研究,以及头部骨折伤害研究。汽车碰撞事故中,行人、骑自行车人等易受伤害的道路使用者非常容易受到严重和致命伤害,而且头部损伤在这类事故中占了相当高的比例。本文基于德国汉诺威医科大学提供的行人交通事故的数据,使用多刚体动力学人体模型和HBM头部模型进行了三例典型事故的分析和重建工作。建立并完善了由道路交通事故调查数据—事故重建—损伤分析的研究方法,准确的重现了事故中人体的动力学响应过程;同时根据事故损伤分析得到的各种损伤评估指标,与事故中受害者的伤情报告进行对比。结果表明,模型具有一定的损伤预测能力,计算得到的各种损伤评价指标对于损伤类型和严重程度具有较好的对比性。由于行人—风挡玻璃碰撞是行人安全中的一个研究热点,本文基于事故案例进行了头部—风挡玻璃碰撞的骨折损伤研究。在建立事故对应的车体模型的基础上,通过模拟事故中行人头部与车体前风挡玻璃等相关结构的碰撞过程,得到不同条件下人体头部颅骨的受力情况和骨折损伤情况,分析结果与事故中的伤情报告具有很好的一致性。通过采用HBM头部模型和行人头锤模型对汽车风挡玻璃不同区域进行碰撞分析,给出相应的损伤风险分布趋势图;在此基础上,提出双L型气囊的防护结构及设计尺寸;通过多刚体动力学仿真分析,研究了这一气囊在行人碰撞中的防护能力。结果表明,L型气囊能够显著降低行人—风挡玻璃碰撞中车体对行人头部的碰撞强度,降低头部骨折伤害的风险;同时能够对人体头颈部和肩部起到缓冲的作用效果,降低头部由于旋转运动造成的伤害,因此该气囊对头部损伤具有良好的防护效果。中国汽车行业发展迅速,道路交通事故和头部交通伤的防治工作日益成为值得关注的焦点问题。本研究通过建立人体头部模型,开展事故重建和损伤分析工作,了解交通伤作用机理并据此开展防护措施的研究,对我国汽车安全行业的发展和交通伤防治具有重大的现实意义。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
第1章绪论  13-23
  1.1 头部交通伤研究的主要方法  14-18
    1.1.1 交通事故统计及事故调查  14-16
    1.1.2 生物力学实验和仿真研究  16-18
  1.2 头部交通伤主要研究内容  18-21
    1.2.1 头部交通伤流行病学  18-20
    1.2.2 头部损伤生物力学  20-21
  1.3 本课题的来源及研究重点  21-22
  1.4 本章小结  22-23
第2章头部损伤生物力学  23-49
  2.1 头部解剖学结构  23-26
  2.2 头部损伤的类型  26-29
    2.2.1 颅骨骨折  26
    2.2.2 集中性脑损伤  26-29
    2.2.3 弥漫性脑损伤  29
  2.3 头部损伤机理研究  29-39
    2.3.1 颅脑损伤机理研究的历史与现状  30-33
    2.3.2 颅脑损伤机理  33-39
  2.4 头部损伤评价标准和耐受限度  39-44
    2.4.1 头部损伤评价标准  39-42
    2.4.2 头部损伤耐受限度  42-44
  2.5 头部3D有限元模型的发展  44-48
    2.5.1 3D模型发展历史  44-48
    2.5.2 标志性的进展和发展趋势  48
  2.6 本章小结  48-49
第3章 HBM头部有限元模型的建立  49-65
  3.1 概述  49
  3.2 显式有限元方法  49-52
    3.2.1 基本方程推导  49-51
    3.2.2 中心差分法  51-52
  3.3 HBM头部模型的建立  52-63
    3.3.1 头部几何模型人体测量学  52-54
    3.3.2 头部模型的几何清理  54-55
    3.3.3 单元选择  55-56
    3.3.4 网格划分  56-60
    3.3.5 材料定义  60-62
    3.3.6 颅-脑接触界面  62-63
    3.3.7 头部骨折材料模型  63
  3.4 本章小结  63-65
第4章基于文献尸体实验数据的模型验证  65-82
  4.1 概述  65
  4.2 NAHUM颅内压力实验验证  65-69
    4.2.1 实验描述  65-66
    4.2.2 仿真条件设定  66-67
    4.2.3 颅内压力分析结果  67-69
  4.3 TROSSEILLE颅内动力学响应实验验证  69-74
    4.3.1 实验描述  69-71
    4.3.2 仿真条件设定  71
    4.3.3 颅内动力学响应分析结果  71-74
  4.4 HARDY实验颅脑相对运动验证  74-78
    4.4.1 实验描述  74-76
    4.4.2 仿真条件设定  76-77
    4.4.3 颅脑相对运动的分析结果  77-78
  4.5 颅骨碰撞实验验证  78-80
    4.5.1 实验描述  78-79
    4.5.2 仿真条件设定  79
    4.5.3 颅骨骨折的验证分析结果  79-80
  4.6 小结  80-82
第5章典型行人事故重建和头部交通伤分析  82-102
  5.1 概述  82-83
  5.2 行人碰撞事故  83-85
    5.2.1 行人事故案例调查及数据采集  83
    5.2.2 行人事故案例描述  83-85
  5.3 多刚体动力学事故重建  85-90
    5.3.1 基本理论  85-86
    5.3.2 多刚体动力学模型  86-89
    5.3.3 事故重建  89-90
  5.4 HBM模型仿真分析  90-92
    5.4.1 头部模型的基本设定  91-92
    5.4.2 头部损伤评估指标  92
  5.5 结果分析与讨论  92-100
    5.5.1 多刚体动力学事故重建的准确性  92-94
    5.5.2 碰撞过程的运动学分析与整体伤情对比  94-96
    5.5.3 头部损伤评估分析  96-100
  5.6 本章小结  100-102
第6章行人-风挡玻璃碰撞头部损伤研究及防护措施  102-122
  6.1 概述  102-104
  6.2 汽车前风挡玻璃模型的建立  104-107
    6.2.1 基本模型  104-106
    6.2.2 动态加载的验证  106-107
  6.3 行人事故风挡玻璃碰撞分析  107-112
    6.3.1 中心碰撞  107-109
    6.3.2 边缘碰撞  109-112
  6.4 风挡玻璃不同区域的碰撞分析  112-115
    6.4.1 模型建立  112
    6.4.2 碰撞区域分析  112-115
  6.5 针对前风挡玻璃的行人防护装置  115-121
    6.5.1 原理及相关设想  115-117
    6.5.2 防护能力分析  117-121
  6.6 本章小结  121-122
总结与展望  122-124
参考文献  124-134
附录A 攻读学位期间发表的学术论文  134-135
附录B 攻读学位期间参与的科研项目  135-136
附录C 论文中用到的英文缩写索引  136-138
致谢  138

车辆碰撞事故中头部生物力学响应和损伤机理分析

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