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汽车行人碰撞中颈部对头部动力学响应及颅脑损伤的影响

作　者: 戴继明
导　师: 杨济匡
学　校: 湖南大学
专　业: 机械工程
关键词: 汽车-行人事故事故重建生物力学颈部颅脑损伤
分类号: U467.14
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

在汽车安全性设计领域，行人损伤防护法规试验方法之一是采用自由飞行的头部冲击器来评价汽车行人碰撞中对头部防护性能，但是试验没有考虑到头部的转动，在HIC值的计算中也没有考虑到角速度和角加速度。然而，颈部给予头部的边界条件是不可忽视的，特别是它对颅脑损伤的影响。本文研究的主要目的是在事故重建的基础上，分析汽车-行人碰撞中行人颈部对头部动力学响应和颅脑损伤的影响。利用MADYMO多体动力学软件对6例典型汽车-行人碰撞事故进行了重建，得到行人头部的动力学响应参数。为了探讨行人事故中头部运动与颈部以及上半身之间可能存在的相互联系，对四种车型在不同车速下与50百分位行人碰撞仿真以及6例事故重建中行人颈部的力与力矩进行了分析。除此之外，还在重建的基础上通过碰撞前5ms头部-颈部铰链失效法建立了有颈部力和无颈部力的两种模型，对比两者输出的行人模型的头部质心线性加速度、角加速度和HIC值，进一步研究颈部以及上半身对行人头部动力学响应的影响。最后利用有限元软件LS-DYNA对6例事故分别进行了头部-挡风玻璃有限元碰撞模型、头颈-挡风玻璃有限元碰撞模型的颅脑损伤重建，以MADYMO事故重建的输出参数为输入条件，研究颈部对行人头部颅脑损伤的影响。计算得出，头部在没有颈部力和有颈部力作用时的线性加速度峰值最大相差40%，角加速度峰值差别范围为-30%~+28%。HIC值差别最小为40%，最大可到127%。对于碰撞侧颅内压力和碰撞对侧颅内负压，差别范围分别为-5%~10%和-10%~15%。最大脑等效应力和最大脑剪切应力情况类似，差别范围基本上在-34%~30%内。研究表明，颈部对行人头部动力学响应过程有非常大的影响，即头部与上半身之间存在着强烈的耦合关系。其原因一方面是颈部存在高强度的力与力矩，另一方面则是颈部对头部线性加速度峰值、角加速度峰值和HIC值都存在影响，此外颈部载荷还与车辆前部结构有关。脱离身体后的头部线性加速度峰值和HIC值基本都会增大，角加速度峰值也有很大差别。由于颈部的作用力而引起头部边界条件以及动力学响应的改变，会使头部颅脑损伤参数有较大差别。本文的研究对行人头部保护和改进现行头部冲击器试验方法和载荷条件具有一定参考意义。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-20
  1.1 研究背景与意义  11-12
  1.2 行人保护法规和标准  12-16
    1.2.1 欧洲行人安全法规  13
    1.2.2 日本行人法规  13-15
    1.2.3 GTR 行人法规  15
    1.2.4 IHRA 标准  15-16
    1.2.5 ISO 相关标准  16
  1.3 行人碰撞安全研究方法  16-18
    1.3.1 实验研究  16-17
    1.3.2 仿真分析  17-18
  1.4 国内外研究现状  18-19
  1.5 研究目的和内容  19-20
第2章颅脑损伤生物力学  20-28
  2.1 头部解剖学结构  20
  2.2 颅脑主要损伤形式及损伤机理  20-22
    2.2.1 颅脑交通伤形式  21-22
    2.2.2 颅脑损伤机理  22
  2.3 颅脑损伤评价准则及耐受限度  22-24
  2.4 颈部解剖学结构  24-25
  2.5 颈部生物力学  25-26
  2.6 本章小结  26-28
第3章汽车-行人碰撞事故重建研究  28-38
  3.1 多体动力学理论简介  28-30
  3.2 多体动力学行人模型  30-31
    3.2.1 行人基本模型  30
    3.2.2 行人模型缩放  30-31
  3.3 多体动力学汽车模型  31-33
    3.3.1 汽车几何模型  31-32
    3.3.2 汽车前部机械特性  32-33
  3.4 事故案例信息  33
  3.5 汽车-行人碰撞事故重建流程  33-34
  3.6 汽车-行人碰撞事故重建举例  34-37
    3.6.1 举例一（案例 3）  34-36
    3.6.2 举例二（案例 4）  36-37
  3.7 汽车-行人事故重建结果  37
  3.8 本章小结  37-38
第4章颈部对头部动力学响应影响分析  38-48
  4.1 研究背景  38-39
  4.2 颈部力与力矩  39-43
    4.2.1 基于仿真的不同车型对颈部力与力矩影响分析  40-42
    4.2.2 基于事故重建的颈部力与力矩分析  42-43
  4.3 基于事故重建的颈部力对头部加速度影响分析  43-47
    4.3.1 头部线性加速度  44
    4.3.2 头部角加速度  44-46
    4.3.3 头部 HIC 值  46-47
  4.4 本章小结  47-48
第5章颈部力对颅脑损伤影响分析  48-60
  5.1 有限元理论简介  48-51
    5.1.1 运动方程  48-49
    5.1.2 质量守恒方程  49
    5.1.3 动量守恒方程  49
    5.1.4 约束条件  49-50
    5.1.5 有限元方程  50
    5.1.6 显式积分算法  50-51
    5.1.7 接触算法  51
  5.2 行人颅脑损伤重建  51-57
    5.2.1 头颈部有限元模型  51-52
    5.2.2 挡风玻璃有限元模型  52-53
    5.2.3 头部与挡风玻璃碰撞模型  53-54
    5.2.4 头颈部与挡风玻璃碰撞模型  54-55
    5.2.5 基于有限元的颅脑损伤重建  55-57
  5.3 颅脑损伤重建结果对比与讨论  57-59
  5.4 本章小结  59-60
总结与展望  60-62
参考文献  62-65
致谢  65-66
附录 A 攻读学位期间发表的学术论文目录  66

汽车行人碰撞中颈部对头部动力学响应及颅脑损伤的影响

内容摘要

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