后冲击下人体上身有限元模型的建立及其应用研究

摘要

人体上身受到后冲击作用多见于汽车追尾碰撞中，在后冲击力下，头会突然向后过度伸展，容易引起椎体骨折和韧带拉伤，同时头和整个后背会撞击在汽车座椅上，产生过大的撞击力，造成头部脑震荡、肋骨骨折以及内脏器官血管破裂等损伤，威胁到人的生命，通常人们把这种由于追尾碰撞引起的人体损伤叫做挥鞭样损伤。研究人体上身生物力学响应，分析各组织在后冲击力下的应力和应变分布情况，为人体保护装置的研究提供了重要依据，可以减轻冲击给人体造成的损伤，在保护人员生命财产安全上具有重要意义。
　　为了研究人体上身后冲击动力学响应，基于解剖学基础，建立了人体上身有限元模型，模型中包括头骨、脑组织、颈椎C1-C7、胸椎T1-T12、椎间盘、肋骨、肋软骨、胸骨、锁骨、肩胛骨、韧带以及头颈部肌肉。韧带和肌肉采用缆单元索模型，其它组织模型采用各向同性线弹性实体单元。为了便于计算，在人体上身模型基础上又增加了座椅、靠枕和人体腰部简化有限元模型，均为各向同性线弹性实体单元，起到固定和支撑人体上身有限元模型的作用。在整个后冲击过程中，对模型发生碰撞的地方设置了接触，用于研究座椅对人体的碰撞伤害。对建好的有限元模型进行加载验证，所得的运算结果在试验数据区间范围内，验证了该模型的有效性，可用于生物力学研究。
　　在LS-DYNA中对模型进行模拟后冲击试验，运算得出模型各组织的应力和应变曲线。分析得出人体上身有限元模型中头部受力较大，最大应力主要集中发生在头和座椅碰撞的时候，对人体头部造成了碰撞损伤，容易导致脑震荡等后果。脊柱上颈椎C1-C7、胸椎T1和T12的应力较大，尤其是颈椎C1和C2，一旦超过其颈椎的耐受极限时，就会产生椎体骨折。较大的应变主要集中在椎间盘上，椎间盘C2-C3的应变最大，过大的应变会导致椎间盘突出，容易压迫颈部神经，造成人体颈部神经痛。肋骨中第1和第2肋骨的应力和应变较大，过大的应力会使人体胸腔产生压缩变形，倘若压缩变形超过其耐受极限，容易引起脏器血管破裂，给人体造成致命伤害。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 本文的主要研究目的及内容

1．4 本章小结

2 人体上身解剖结构

2．1 颅骨

2．1．1 脑颅

2．1．2 面颅

2．2 大脑

2．3 脊柱

2．3．1 颈椎

2．3．2 胸椎

2．3．3 腰椎

2．3．4 椎间盘

2．4 胸廓

2．4．1 胸骨

2．4．2 肋骨

2．4．3 肋软骨

2．5 上肢带骨

2．5．1 锁骨

2．5．2 肩胛骨

2．6 骨连结

2．7 肌肉

2．8 本章小结

3 人体上身有限元模型的建立

3．1 人体上身几何模型的建立

3．1．1 初步几何模型的生成

3．1．2 几何模型的优化处理

3．1．3 绘制几何模型的曲面片

3．2 人体上身有限元模型的建立

3．2．1 人体脊柱有限元模型的建立

3．2．2 人体胸廓有限元模型的建立

3．2．3 有限元模型的网格质量检查

3．2．4 软组织有限元模型的建立

3．2．5 座椅有限元模型的建立

3．3 模型的材料属性及本够关系

3．4 接触的设置

3．5 本章小结

4 模型的验证

4．1 冲击载荷

4．2 模型验证

4．3 结果分析

4．4 本章小结

5 后冲击下人体上身生物力学响应及研究

5．1 人体上身冲击动力学响应分析

5．1．1 有限元模型的冲击动力学响应过程

5．1．2 人体上身各组织的应力和应变分布

5．2 后冲击下人体上身耐受性分析

5．3 后冲击下人体上身损伤预测

5．4 本章小结

6 结论及展望

参考文献

8 攻读硕士学位期间发表论文情况

致谢