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儿童上肢有限元模型的构建及其在碰撞损伤中的应用研究

作　者: 申丛
导　师: 阮世捷
学　校: 天津科技大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 汽车安全有限元分析上肢损伤
分类号: R318.01
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 4次
引　用: 0次
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内容摘要

随着中国汽车保有量急剧增加,交通事故迅猛上升,因交通事故引起的伤亡人数也逐步增加。在汽车碰撞事故发生时,尽管安全气囊的使用减少了致命性损伤的发生风险,但它们同时增加了非致命伤,如上肢损伤的发生概率。构建具有详细解剖学结构的儿童上肢有限元模型是研究和理解上肢损伤中的生物力学问题的基础,可为汽车安全性设计提供生物力学数据和理论指导,对减少和防护上肢损伤具有重要的理论意义和实际应用价值。本文从实际上肢解剖学结构出发构建了具有高生物仿真度的儿童上肢有限元模型。模型包括锁骨、肩胛骨、肱骨、尺骨及桡骨。首先,借助医学影像软件MIMICS提取了6岁中国儿童男性全身的CT图像,并重构具有三角形曲面的儿何模型；其次,利用逆向工程软件Geomagic Studio对初始组织儿何模型进行修补和平顺处理,生成具有NURBS曲线(Non-Uniform Rational B-Splines)的CAD模型,为后续网格划分做准备；再次,应用网格划分软件TrueGrid和Hypermesh对上肢几何模型进行网格划分和网格优化,并利用Hypermesh软件对模型进行材料属性赋值。最后,根据尸体试验,设置仿真试验的边界条件,对局部上肢有限元模型进行有效性验证。应用有限元分析软件Pam-Crash对裸肱骨有限元模进行三点弯曲仿真碰撞实验,用于验证所构建的上肢有限元模型的有效性。仿真结果表明,载荷-位移曲线与尸体试验结果类似。这表明所构建的上肢有限元模型能较好的模拟人体肱骨的动力学响应,并具有较高的生物仿真度,可以用于上肢损伤的防护研究。本文通过对儿童肱骨有限元模型的碰撞响应分析的研究,为后续的进一步完善上肢有限元模型和构建完整的人体有限元模理形成了一整套研究思路,为人体有限元模型的生物力学的研究奠定了坚实的基础,并为车辆安全性设计提供有力的依据。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-8
1 前言  8-17
  1.1 课题的研究背景及意义  8-9
  1.2 人体损伤生物力学概述  9-13
    1.2.1 人体损伤极限、损伤准则及评价方法  10-12
    1.2.2 损伤生物力学的研究方法  12-13
  1.3 国内外上肢有限元分析的研究现状  13-15
    1.3.1 国内上肢有限元分析研究现状  13-14
    1.3.2 国外上肢有限元分析现状  14-15
  1.4 课题的研究目的及内容  15-17
    1.4.1 研究目的  15
    1.4.2 研究内容  15-17
2 正常人体上肢解剖学结构及损伤机理  17-27
  2.1 正常人体上肢解剖学结构  17-19
    2.1.1 人体切面术语  17
    2.1.2 人体骨骼结构总述  17-19
  2.2  19-25
    2.2.1 上肢骨  19-22
    2.2.2 上肢骨连结  22-25
  2.3 上肢损伤机理  25-26
    2.3.1 骨折概论  25-26
    2.3.2 上肢骨折  26
  本章小结  26-27
3 上肢三维几何模型的构建  27-36
  3.1 研究的数据来源  27
  3.2 C-T断层图像的处理  27-30
    3.2.1 CT扫描  27-28
    3.2.2 CT图像的导入及闽值选取  28
    3.2.3 上肢骨骼几何轮廓的提取  28-30
  3.3 几何模型的表面优化及曲面片的划分  30-35
    3.3.1 逆向工程技术  31-32
    3.3.2 NURBS曲面算法  32
    3.3.3 模型表而优化及曲面片划分过程  32-35
  本章小结  35-36
4 上肢有限元模型的构建  36-48
  4.1 有限元前处理软件概述  36-38
    4.1.1 Truegrid软件简介  37
    4.1.2 Hypermesh软件介绍  37-38
  4.2 有限元模型的网格划分  38-47
    4.2.1 单元类型的选择  38-39
    4.2.2 单元网格的划分  39-41
    4.2.3 网格单元质量的检查  41-42
    4.2.4 材料属性及材料参数的确定  42-47
  本章小结  47-48
5 上肢有限元模型的仿真分析  48-63
  5.1 弹性力学基本理论  48-51
  5.2 Pam-Crash软件简介  51-53
  5.3 有限元模拟碰撞分析的影响因素  53-56
    5.3.1 单元算法  53
    5.3.2 沙漏效应  53-55
    5.3.3 单元负体积  55-56
  5.4 上肢尸体实验  56-57
  5.5 有限元模型仿真  57-62
    5.5.1 有限元模型仿真装置  57-58
    5.5.2 儿童肱骨有限元模型的材料属性及参数  58
    5.5.3 儿童肱骨有限元模型的仿真结果  58-62
    5.5.4 讨论  62
  本章小结  62-63
6 儿童乘员上肢的防护研究  63-67
  6.1 上肢有限元模型在车辆碰撞中的应用  63
  6.2 儿童上肢在乘员-车辆碰撞环境中的防护措施  63-66
    6.2.1 汽车安全气囊原理  63-65
    6.2.2 儿童上肢防护措施  65-66
  本章小结  66-67
7 结论与展望  67-69
  7.1 结论  67
  7.2 展望  67-69
8 参考文献  69-75
9 攻读硕士学位期间发表论文情况  75-76
10 致谢  76

儿童上肢有限元模型的构建及其在碰撞损伤中的应用研究

内容摘要

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