儿童头部生物力学试验数据分析与试验装置建模研究

摘要

在道路交通事故中，颅脑损伤是儿童致死的主要原因之一。儿童头部试验多以单独的头部为样本，忽略了碰撞中颈部对头部碰撞力学性能的影响。由于难以获得儿童尸体样本，目前研究普遍采用计算机模拟方法开展儿童头部损伤研究。然而，由于儿童与成人头部在解剖学结构与力学性能方面存在显著差异，通过缩放法得到的儿童模型不是非常理想。因此，开展儿童头部生物力学试验，获得准确的儿童生物力学响应数据对于提高儿童头部模型的生物逼真度具有重要意义。同时，为了验证试验装置的有效性以及探究头颈部耦合作用对于儿童头部生物力学响应的影响，装置的建模研究是有必要的。
　　本文以两个三岁左右的男童尸体为研究对象，利用落锤和悬置装置展开儿童头部冲击试验。试验结果显示，骨折形式分别为两眼内眼眶上周区域、额骨以及两眼眶上周区域骨折，额骨骨折峰值力分别为2023 N和2327 N。计算得到的HIC15分别为197和186。与文献比对分析发现，试验结果较为合理。与文献中的试验方案比较并分析本试验样本头部受力情况，发现样本姿势对试验结果的影响很小，碰撞能量、颈部力学特性以及头部悬置装置参数等试验因素会影响试验结果。
　　建立试验装置的有限元模型，设计并实施对应的验证试验。验证结果表明，仿真与试验中装置零部件的运动学响应具有一致性，头锤的加速度曲线拟合程度较好。故装置模型是正确可靠。利用该试验模型，本文建立并验证了儿童头部冲击试验的仿真模型。基于该仿真模型，针对影响结果的试验因素展开了一系列的单一因素的仿真分析。结果表明，装置因素——弹性绳与弹簧力学性能以及头部相对于吊篮的位置对头部生物力学响应的影响很小，而操作因素——碰撞速度越大，冲击力与 HIC15值越大。样本因素——颈部刚度越大 HIC15值越小。头颈部耦合作用对儿童头部生物力学响应的影响不可忽略，完整的儿童头部冲击试验更为接近真实事故中的头部运动与受力状态，更具有研究价值。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 头颈部的解剖结构及头部损伤机理

1.3 国内外研究现状

1.4 本文的研究目的、意义和主要内容

第2章 儿童头部生物力学试验与数据分析

2.1 儿童头部生物力学试验流程

2.2 试验数据采集与试验结果

2.3 试验结果分析

2.4 试验方案与头部受力分析

2.5 本章小结

第3章 试验装置的建模与验证

3.1 试验装置模型的建立

3.2 试验装置模型的验证试验

3.3 试验装置验证模型的建立

3.4 试验装置验证模型的仿真结果

3.5 本章小结

第4章 儿童头部冲击试验的影响因素分析

4.1 儿童头部冲击试验模型的建立

4.2 影响头部力学响应因素下的仿真

4.3 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢