汽車碰撞中人體頭頸部損傷有限元模型研究.pdf

1、汽車和高速交通的發(fā)展讓人們的生活越來越方便快捷，也給人們帶來了安全隱患。全世界每年死于交通事故的人數(shù)為120萬，在美國，車禍死亡已經(jīng)成為兒童和年輕人死亡的第一原因。在中國，隨著汽車的普及和車速的加快，汽車的快速和重量成為所有乘員和行人的潛在安全威脅。據(jù)公安部交管局統(tǒng)計(jì)，僅2009年上半年全國發(fā)生交通事故107193起，造成29866人死亡，128336人受傷，直接財(cái)產(chǎn)損失4.1億人民幣；根據(jù)美國2005年的死亡年齡和死亡原因統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示

2、，由于交通事故而死亡的人數(shù)主要分布在3歲到34歲之間，由此產(chǎn)生的非正常死亡人數(shù)為4萬人，高居該年齡段總死亡人數(shù)的首位，其中腦部、頸部和胸部的損傷造成的死亡是致命的主要原因。
　　 研究頭-頸部損傷機(jī)理是對交通事故人員損傷進(jìn)行預(yù)測的有效手段，在安全帶作為加強(qiáng)約束技術(shù)在新型汽車中得到應(yīng)用以后，這一研究意義更為重要。數(shù)學(xué)模型是人體力學(xué)創(chuàng)傷研究的有效工具，能夠預(yù)測創(chuàng)傷發(fā)生時(shí)的人體響應(yīng)，彌補(bǔ)了動(dòng)物和尸體實(shí)驗(yàn)不可重復(fù)、不可測量，以及價(jià)格昂貴

3、的缺陷，更為重要的是，數(shù)學(xué)模型是驗(yàn)證動(dòng)物或尸體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、預(yù)測乘員碰撞損傷的唯一方法。包括有限元分析在內(nèi)的數(shù)學(xué)模型對乘員和交通工具進(jìn)行模擬，基于類似人體測量測試設(shè)備(Anthropometric Test Devices，ATD)的剛性多段系統(tǒng)對汽車碰撞中的人體力學(xué)響應(yīng)仍然難以精確預(yù)測，因此各種碰撞中實(shí)際情況需要更為詳細(xì)的人體組織和骨骼的生物材料特性來進(jìn)行模擬。有限元模型用于分析人體復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)和材料特性的最適宜方法，該方法以往的局限性

4、在于幾何結(jié)構(gòu)的簡化和生物材料特性的不精確，這是由于當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)發(fā)展水平不夠和動(dòng)物或尸體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不夠而造成。
　　 本文從有限元模型的頭骨解剖學(xué)幾何精度的提高入手，建立頭-頸部模型，研究頭頸部損傷的生物力學(xué)原理，深入到組織層面進(jìn)行分析并模擬汽車運(yùn)行和碰撞環(huán)境下的頭.頸部損傷實(shí)驗(yàn)，能大大增強(qiáng)模型對頭骨骨折、腦部和頸部損傷程度的預(yù)測精度。有限元分析采用HYPERMESH、LS-DYNA等軟件，顯性算法反映碰撞中的巨大形變，拉格朗日動(dòng)態(tài)

5、有限元顯性積分方法廣泛應(yīng)用于動(dòng)態(tài)碰撞模擬和非線性結(jié)構(gòu)分析。有限元分析的隱式求解法是模擬計(jì)算的經(jīng)典算法，針對其存在的速度緩慢的不足，本論文提出了更適合生物軟組織特性和高速碰撞大形變模擬的顯式迭代改進(jìn)算法，經(jīng)過多次設(shè)置與嘗試，生成了穩(wěn)健的人體頭頸部有限元模擬的方法。提出了采用非線性粘彈性材料對腦組織進(jìn)行求解的方法，針對廣泛應(yīng)用于有限元模型分析的線性粘彈性材料求解方法，由于其表達(dá)加載速度范圍的局限，我們將之進(jìn)行改進(jìn)，得到了高效的多應(yīng)變率的腦組

6、織求解方法。對頸部鞭甩式損傷進(jìn)行分析，并細(xì)化到小關(guān)節(jié)囊部位，建立了更細(xì)節(jié)化的頸部有限元模型，實(shí)現(xiàn)了基于顯性求解器的頸部有限元模型模擬。實(shí)現(xiàn)了對腦組織實(shí)驗(yàn)的精確計(jì)算和擬合，并通過對一系列擬合數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)證明該方法的精確性。將多目標(biāo)遺傳算法和有限元分析相結(jié)合，試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)該方法的模擬結(jié)果令人滿意。本文提出的優(yōu)化方法對所有腦材料力學(xué)研究團(tuán)隊(duì)所匯報(bào)的數(shù)據(jù)都可得出結(jié)論，不同的實(shí)驗(yàn)加載條件，如蠕動(dòng)壓縮、平移剪切，不同的腦材料試件形狀，如圓柱形、立方體

7、，都可以進(jìn)行優(yōu)化反求。人體有限元模型設(shè)計(jì)者最為關(guān)注的應(yīng)變率問題，本文首次定量地總結(jié)了應(yīng)變率與應(yīng)力應(yīng)變曲線、損傷響應(yīng)的關(guān)系，并提出了兩個(gè)公式，第一是粘彈性參數(shù)β與應(yīng)變率的線性關(guān)系，第二是粘彈性模量G與應(yīng)變率的冪函數(shù)關(guān)系。優(yōu)化反求不僅僅能夠?qū)δX材料的非線性粘彈性特性進(jìn)行完整的表達(dá)，還能滿足有限元模型設(shè)計(jì)者對不同加載速率條件下的模型設(shè)計(jì)要求。本文將優(yōu)化結(jié)果放在頭部有限元模型中進(jìn)行驗(yàn)證，選用LS-DYNA的第77號材料模型，得到了令人滿意的模擬