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基于六岁儿童下肢有限元模型的侧撞及运动损伤分析

作　者: 王翰林
导　师: 阮世捷
学　校: 天津科技大学
专　业: 车辆工程
关键词: 儿童 下肢 股骨颈损伤 有限元模型
分类号: R726.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


随着汽车工业在中国的发展,中国车辆市场的汽车保有量也在逐年增加,随之带来的交通事故也在不断增加。儿童作为更易在事故中受伤的群体,在碰撞中受到的伤害尤为严重,比起同等级其他身体部位的损伤,下肢损伤需要相当长的时间进行治疗及恢复,而且常常会造成人的终生残疾,在交通事故引起的车辆与行人碰撞中,儿童下肢股骨颈损伤是由于事故中跌倒与地面发生二次碰撞所致。与成人股骨颈骨折不同,儿童的股骨颈骨折是由高能量创伤如车祸或高空坠落造成的。目前国内尚未有权威的儿童下肢有限元模型及其仿真分析,本文建立了六岁儿童的下肢几何模型以及针对本文研究内容所提取的包括下肢股骨及髋骨的髋关节有限元模型并进行仿真分析。首先基于CT数据应用医学影像处理软件,运用描边的方式提取6岁儿童的下肢几何轮廓,包括下肢带骨即髋骨,自由下肢骨即股骨、髌骨、胫骨、腓骨及7块跗骨、5块跖骨和14块趾骨,以及肌肉组织。导入逆向工程软件Geomagic逐项进行几何模型的修补平顺以及光滑处理,生成非有理闭样条曲面NURBS。运用有限元网格划分软件TrueGrid通过投影进行下肢股骨以及髋骨的初步有限元网格划分,得到符合股骨以及髋骨解剖学结构的髋关节有限元模型,运用HyperMesh进行网格质量检测并进行前处理的材料属性、载荷和约束的赋值。最后运用LS-DYNA有限元后处理软件进行计算以及仿真分析。本文采用两种实验加载方式：髋关节处由髋骨向股骨头加载力模拟儿童跌倒时股骨颈受力情况；模拟现实中儿童跌倒获得初速度,股骨大粗隆与地面发生二次碰撞。通过两实验结果的对比,分析了6岁儿童股骨颈的损伤,验证了模型的有效性。对6岁儿童髋关节有限元模型的构建和仿真分析,有助于了解股骨颈骨折的损伤机理,对减少、防护股骨颈损伤有着重要的理论意义和实际应用价值。同时建立了6岁儿童包括肌肉和韧带的下肢几何模型,为今后儿童整个下肢有限元模型的建立以及仿真分析打下坚实基础。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-8
1 前言  8-14
  1.1 中国交通安全状况  8-9
  1.2 交通事故中行人及儿童行人伤亡  9
  1.3 国内外研究现状  9-11
  1.4 论文选题背景及研究内容方法  11-13
  1.5 研究目的和意义  13-14
2 下肢解剖学结构和股骨颈损伤特征  14-24
  2.1 儿童下肢解剖学结构  14-21
    2.1.1 儿童下肢骨骼  14-18
    2.1.2 儿童下肢肌肉  18-20
    2.1.3 儿童与成人下肢骨骼解剖学结构的区别  20-21
    2.1.4 人体解剖学的基本术语  21
  2.2 股骨颈损伤特征  21-24
    2.2.1 儿童髋关节及股骨颈解剖学结构  21-22
    2.2.2 儿童股骨颈骨折发生机制  22-24
3 有限元建模以及仿真分析理论基础  24-33
  3.1 有限元理论介绍  24
  3.2 有限元法解决工程问题步骤  24-25
  3.3 有限元算法基础  25-26
  3.4 有限元方法专业名词解释  26-28
  3.5 有限元方法在儿童股骨颈与地面碰撞试验中的应用  28-29
  3.6 有限元方法的基本步骤  29-33
4 六岁儿童下肢几何模型的构建  33-43
  4.1 几何模型构建软件介绍  33-34
    4.1.1 模型几何数据提取软件MIMICS介绍  33
    4.1.2 几何模型完善逆向工程软件GEOMAGIC介绍  33-34
  4.2 几何模型的构建  34-43
    4.2.1 CT数据提取以及几何模型初步构建  34-37
    4.2.2 几何模型的细化及修整  37-43
5 六岁儿童下肢髋关节有限元模型的构建  43-54
  5.1 有限元网格划分软件介绍  43-45
    5.1.1 TRUE-GRID软件介绍  43
    5.1.2 HYPERMESH软件介绍  43-45
    5.1.3 两软件区别  45
  5.2 股骨与髋骨的髋关节有限元网格划分  45-54
    5.2.1 TRUE-GRID网格划分  45-50
    5.2.2 HYPERMESH网格划分以及质量检测  50-52
    5.2.3 前处理材料赋值以及约束加载处理  52-54
6 六岁儿童二次碰撞股骨颈损伤仿真分析  54-60
  6.1 有限元分析软件LS-DYNA介绍  54
  6.2 仿真实验设计  54-60
    6.2.1 关节力传递方式仿真试验  54-56
    6.2.2 实际股骨与地面碰撞模拟试验  56-60
7 结论和展望  60-61
  7.1 结论  60
  7.2 展望  60-61
8 参考文献  61-65
9 攻读硕士学位期间发表论文情况  65-66
10 致谢  66

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中图分类: > 医药、卫生 > 儿科学 > 小儿外科学 > 小儿各生理系统外科学
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