基于六岁儿童乘员有限元模型的胸部碰撞损伤分析

摘要

在交通事故中，儿童是弱势群体，胸部损伤是其主要的损伤部位之一。随着儿童座椅使用率的增加，通过分析不同工况下儿童胸部损伤，研究其损伤机理，为优化儿童汽车安全座椅提供理论指导显得尤为重要。但现有的研究主要以成人为研究对象，儿童模型尤其是儿童乘员胸部模型极度缺乏，因此建立具有较高生物仿真度的儿童乘员胸部有限元模型迫在眉睫。
　　因为现有的技术条件，无论CT还是MRI所获得的数据只能为躺姿模型，因此本研究在天津科技大学现有六岁儿童躺姿几何模型的基础上，依据儿童生理解剖结构特征，参考C-NCAP有关儿童约束系统的评价规则以及相关法律法规，采用描点法绘制脊柱曲线。经旋转、缩放、平移得到符合生理解剖学结构的六岁儿童乘员脊柱曲线，并依据曲线依次调节脊椎、肋骨、胸骨、肌肉等组织，最终得到六岁儿童乘员胸部几何模型。
　　利用有限元网格划分软件Hypermesh以及Truegrid对构建的儿童乘员胸部几何模型进行网格划分并对相关部位进行连接，从而构建六岁儿童胸部有限元模型。然后对所构建的模型赋予相关材料参数、相应的接触以及施加载荷，应用有限元分析软件Ls-dyna重构儿童尸体正面碰撞试验，通过比较接触力-变形曲线与尸体试验缩放的数据区间的对比，模型的有效性得以验证，说明描点法可行。
　　应用所建有限元模型，通过改变撞锤的速度，研究不同的撞击速度下的胸部压缩准则（胸部变形量与胸部厚度比值）。结果发现，随着速度的增加，胸部所受严重损伤风险几率相应的增大。对于侧面碰撞，随着撞锤速度的增加，肋骨骨折几率相应的增大。当撞锤在横向和纵向不同位置侧面碰撞胸部时，肋骨在曲率最大处或受力处容易断裂。
　　通过对正面碰撞和侧面碰撞仿真的对比，研究得出，正面碰撞胸部软组织产生损伤风险的几率较大，侧面碰撞肋骨发生骨折的几率较大。
　　通过构建六岁儿童乘员胸部有限元模型，分析在不同工况下的儿童乘员胸部损伤机理，为优化儿童座椅以及开发更安全的儿童保护装置提供了理论指导，同时对于有关保护儿童安全的法律法规的制定具有一定的借鉴意义。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 儿童乘员在碰撞事故中的损伤机理

1．2 国内外儿童乘员保护现状与相关法规

1．3 儿童约束系统的组成和分类

1．3．1 儿童约束系统的组成

1．3．2 儿童约束系统的分类

1．4 研究背景

1．4．1 传统研究方法

1．4．2 有限元研究方法

1．5 研究意义

1．6 研究内容

1．7 创新点

2 儿童胸部损伤

2．1 胸部的生理解剖学特征

2．1．1 胸廓

2．1．2 肌肉

2．1．3 软组织器官

2．2 胸部损伤机理

2．3 胸部耐受限度及损伤准则

3 六岁儿童乘员胸部几何模型的构建

3．1 六岁儿童乘员几何模型的构建

3．2 脊柱几何模型的构建

3．2．1 脊柱解剖学结构

3．2．2 脊柱几何模型的调节

3．3 胸腔几何模型的调节

3．4 胸部其他部位几何模型的构建

4 六岁儿童乘员胸部有限元模型的构建

4．1 胸部各组织几何模型的网格划分及连接

4．1．1 网格划分的原则

4．1．2 网格的类型

4．1．3 胸腔几何模型的网格划分及连接

4．1．4 胸椎几何模型的网格划分及连接

4．1．5 胸腔与椎体的连接

4．1．6 胸部其他部位的网格划分与连接

4．2 胸部网格模型的质量检查

4．3 胸部有限元分析计算模型的构建

5 模型的有效性验证

5．1 Ls-dyna有限元分析软件简介及相关理论

5．2 模型的评价方法

5．3 模型的验证

6 侧面碰撞响应分析

7 结论与展望

参考文献

9 攻读硕士学位期间发表论文情况

致谢