小偏置碰撞颈部肌肉主动力对驾驶员头颈部损伤研究

摘要

随着国内汽车保有量急速上升，随之道路交通事故数量也在急速上升。在交通事故中，非致命的损伤占很大的比例，其中乘员身体受伤的种类繁多，而颈部损伤是其中最难以根治、损伤机理最复杂的一种，给伤者带来长期的负担。20世纪50年代有人开始研究事故中乘员头颈部的动态响应，但都是通过尸体或者志愿者进行实验，容易触碰道德伦理的底线。而现如今，逐步有通过有限元数值仿真模拟现实中人头颈部的动力学响应的研究，不仅不违背伦理道德，而且实验的自由度高，可以获得许多志愿者和尸体实验所不能的获得的数据。　　本文主要研究目的是建立一个具有较好生物逼真度的基部肌肉模型，并将其与50百分位的HybridⅢ假人模型组合成混合假人模型，对混合假人模型进行验证，并在不同强度的25%偏置碰撞条件下对头颈部的动力学响应进行分析，研究对比在加载肌肉主动力和未加载肌肉主动力的情况下，不同碰撞强度时头颈部模型内各结构(颈椎、椎间盘等)的动力学和生物力学响应。　　本文先统计分析了近几年的交通事故数据，分析了解到对头颈部损伤研究的重要性，分析文献中对头颈部损伤机理的研究，并讨论了对头颈部损伤的研究意义；学习整理颈部解剖学资料，基于一个50百分位的假人模型，建立了一个颈部肌肉模型并将其与基础模型组合连接，并对肌肉模型材料特性进行定义，体现该混合假人颈部肌肉的主动力响应特性，并对其进行验证，结果表明该混合假人能用于之后的实验仿真。选取某公开的整车模型，并对其进行验证，结果表明整车模型具有良好的可靠性，然后建立了一个带有约束系统的驾驶舱代理碰撞模型，对比在各强度下肌肉主动力激活与否时，头颈部的动力学和生物力学响应。　　研究结果表明，在低强度(40km/h)碰撞下，肌肉主动力有减小颈椎最大应力值的作用。在中强度(50km/h)碰撞下，主动力不仅能减小颈椎和椎间盘的最大应力值，同样能使集中在颈椎脆弱部位的应力平衡到前端强度较高的位置，此现象在中强度碰撞下较为明显。在高强度碰(64km/h)撞下，对于减小最大应力值不明显，但改变最大应力集中位置也有明显的效果。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究意义与背景

1.1.1汽车正面碰撞事故统计

1.1.2颈部损伤的研究意义

1.2颈部损伤研究的历史与现状

1.2.1 颈部损伤机理

1.2.2 颈部生物实验研究

1.2.3 颈部数学模型的研究

1.3本文的主要研究目的与主要工作

第2章 颈部解剖学结构与碰撞时颈部损伤机理

2.1 颈部解剖学结构分析

2.1.1 颈椎解剖学结构分析

2.1.2 椎间盘的解剖学结构分析

2.1.3 韧带的解剖学结构分析

2.2 颈部生物力学与运动特征

2.2.1 颈部的运动特征

2.2.2 25%偏置碰撞下颈部的运动特征

2.3 本章小结

第3章 小偏置碰撞下具有主动力的头颈部有限元模型建立与验证

3.1 头颈部有限元模型

3.2 颈部肌肉模型材料的定义

3.2.1 肌肉被动力特性模型

3.2.2 肌肉主动力特性模型

3.3 混合HybridⅢ 假人基础有限元模型的建立

3.4 混合HybridⅢ假人基础有限元模型的验证

3.4.1 志愿者实验

3.4.2 混合假人有限元模型验证

3.5本章小结

第4章 25%偏置碰撞下整车与驾驶员舱的有限元模型的建立与验证

4.1小偏置碰撞研究方法

4.1.1 动态显式有限元方法

4.2整车有限元模型的建立

4.3 25%偏置碰撞平台的搭建

4.3.1 25%偏置碰撞壁障的搭建

4.3.2 车内传感器的搭建

4.4 整车有限元模型的验证

4.5 25%偏置碰撞驾驶员舱的搭建

4.5.1座椅、安全带模型

4.5.2安全气囊模型

4.5.3驾驶舱代理碰撞模型

4.6本章小结

第5章 25%偏置碰撞下头颈部动力学分析

5.1 低、中、高强度下25%偏置碰模型对照组

5.1.1 假人头颈部响应曲线

5.1.2 头部损伤分析

5.2驾驶员头颈部局部响应分析

5.2.1 椎体的生物力学响应

5.2.2 椎间盘的生物力学响应

5.3本章小节

结论

参考文献

致谢