汽车后碰撞中乘员颈部损伤分析及应用研究

摘要

汽车后碰撞事故会引起约90％的乘员颈部损伤，该事故造成大量人身伤害和经济损失。因此，研究汽车后碰撞中颈部生物力学响应与损伤，提出与颈部损伤直接相关的头枕设计方案十分必要。
　　本研究主要内容包括：⑴运用Mimics软件提取CT图像中的三维信息，获取高精度颈椎三维几何模型，结合解剖学结构建立 C1-T1椎骨、7个椎间盘、10组韧带、24对肌肉以及部分软骨的颈部有限元模型。韧带模型包括前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、翼韧带、棘上韧带、棘间韧带、横突间韧带、寰枕横韧带、寰枕后膜以及关节囊韧带。肌肉模型包括前斜角肌、后斜角肌、中斜角肌、半棘肌、多裂肌、头最长肌、颈最长肌、头夹肌、颈夹肌、肩胛提肌、头下斜肌、头上斜肌、头前直肌、头后大直肌、头后下直肌、头外侧直肌、肩胛舌骨肌、上后锯肌、胸锁乳突肌、斜方肌、头长肌、颈长肌、胸骨舌骨肌、胸骨甲状肌。⑵利用所建模型对无肌肉颈部和有肌肉颈部的动态响应进行有效性验证，无肌肉头颈部模型参考 Nightingale等人头颈部尸体轴向冲击试验，有肌肉头颈部模型参考 Davidson等人后碰撞志愿者试验。验证结果显示，两组模型的仿真数据与试验数据基本一致，证明模型能有效地反映人体头颈部的运动学响应和生物力学响应，可用于汽车后碰撞中的颈部损伤研究。⑶将验证后的头颈部模型、已验证的人体模型、座椅模型和安全带模型装配成后碰撞仿真系统，模拟 C-NCAP2015后碰撞工况，改变头枕与乘员头部水平距离和竖直距离以及头枕倾角评价头枕位置对颈部损伤的影响。结果表明头枕与乘员头部水平距离对颈部损伤影响最大，距离越长颈部损伤越严重，但距离过短时，乘员在安全带的约束下，头部会反复与头枕碰撞，头枕与头部保持适当水平距离并保证不发生反复碰撞时， NIC值相对降低11%~26%。头枕与头部竖直距离在头枕顶端与头部顶端平齐时，头部与头枕接触受力最小，NIC值相对降低约13%。头枕倾角影响头部反作用力方向，进而影响颈部屈曲运动，头枕逆时针小角度倾斜时， NIC值相对降低6%~11%。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 车辆交通事故中的颈部损伤

1.2 颈部损伤的研究现状

1.3 课题来源及主要研究内容

第2章 颈部解剖学结构及生物力学

2.1 颈部解剖结构

2.2 颈部生物力学

2.3 后碰撞颈部运动状态

2.4 本章小结

第3章 颈部有限元模型建立

3.1 显式有限元理论与实体单元计算方法

3.2 基于 CT图像三维重构介绍

3.3 基于 Mimics重构颈椎三维模型

3.4 颈部有限元模型建立

3.5 本章小结

第4章 颈部有限元模型验证

4.1 无肌肉颈部有限元模型验证

4.2 有肌肉颈部有限元模型验证

4.3 验证结果分析

4.4 本章小结

第5章 头枕位置对后碰撞颈部损伤的影响

5.1 后碰撞仿真系统模型

5.2 C-NCAP后碰撞测试

5.3 头枕位置对颈部损伤的影响

5.4 本章小结

第6章 结论

参考文献

附录A：攻读学位期间发表的论文与科研成果清单

致谢