汽车碰撞事故中乘员头颈部生物力学响应的有限元分析和研究

摘要

在各种类型的车辆交通事故中人体头颈部是最常见到的致伤部位，而且往往是严重或致命的创伤。交通事故中头、颈部的损伤不仅具有高发性，而且事故幸存者往往伴随有长期后遗症。头颈部创伤的救治及其导致的各种能力的丧失、经济赔偿问题造成了巨大的社会、经济的损失。因此头颈部交通伤的损伤机理的研究及其防护技术在世界各国都受到高度重视，并投入了大量人力物力进行研究。本文的目的是通过建立并验证一个头颈部有限元模型来研究在汽车碰撞事故中人体头颈部的动力学响应和损伤机理。从而为我国汽车安全性和头颈部创伤防护研究提供一个有效的方法和手段。 在损伤生物力学研究中，头颈部有着复杂的解剖学结构和不同材料特性的组织，这些因素决定了很难用高度简化的数学模型来描述头颈部碰撞生物力学响应的问题。因此在本论文课题中采用了能够描述大变形大位移的非线性动态显式有限元方法，建立了一个人体头颈部有限元模型。 建立的头颈部有限元模型是基于一个正常的50 百分位人体的解剖学结构。头部模型由头骨、脑组织构成，颈部模型由椎骨与椎间盘、韧带、肌肉等软组织构成。整个模型包括17 ，758 个节点和21 ，803 个单元。根据相关文献对模型中各种组织的材料参数分别采用弹性和粘弹性材料模型进行了设定。完成的模型进行了前碰撞和追尾碰撞的验证计算。边界和载荷条件根据志愿者实验的数据确定。验证结果数据曲线与实验数据吻合较好。 通过验证的模型随后被用于研究软组织材料特性对颈部动力学响应的影响的参数分析工作。研究表明，椎间盘参数对于头颈部的动力学响应具有重要的影响，椎间盘刚度增加会增加颈部的刚度，而刚度减小将使颈部响应量增加。韧带对于限制颈部的过度运动具有重要的作用，而肌肉在被动受力的情况下对颈部影响不大，但也有一定的稳定作用。 研究结果表明，建立的头颈部有限元模型能较好的模拟人体头颈部的动力学 响应，具有较高的生物逼真度，可以用于颈部损伤的防护研究。因此该模型的建 立和完善将对国内损伤生物力学研究和汽车乘员防护研究起到积极的推动作用。 经过改进的头部模型可以用于颅脑创伤和防护技术研究领域。