汽车翻滚碰撞及乘员颈部损伤的仿真分析

摘要

汽车翻滚碰撞有着较高的致死、致伤率，理应受到研究人员更多的重视。乔丹翻滚试验是一种可重复性较高的试验方法，本文针对该试验程序建立了一款SUV车型的乔丹翻滚仿真模型，并在车内置入人体有限元模型来研究乘员的颈部损伤。同时，对人体尺寸和质量、仿真初始参数、肌肉主动力等因素对颈部损伤的影响进行了研究。　　主要研究工作如下：1、为了研究人体尺寸和质量差异对颈部损伤的影响，首先以GHBMCM50-O人体有限元模型为基准，利用网格变换技术建立了一个中国人体有限元模型。2、建立了一个乔丹翻滚仿真模型，将两种尺寸的人体模型以及混Ⅲ50th假人模型分别置入车内，对比了各模型的动态响应和颈部损伤情况。3、考虑到翻滚事故的多样性，还通过改变仿真初始参数车身翻转速度、跌落速度和移动平台速度，研究了初始参数对车顶变形、颈部载荷峰值以及椎骨损伤的影响。4、为了研究肌肉主动力对颈部损伤的影响，设计了一个志愿者侧翻试验，测量了颈部肌肉的激活情况。并通过对人体模型中颈部肌肉设置相应的激活参数，进行了考虑肌肉主动力的翻滚仿真。　　研究结果表明：人体尺寸和质量对颈部损伤的影响是不容忽视的，欧美人体颈部变形更为严重，力、力矩峰值和颈椎应力峰值均高于中国人体，并且欧美人体出现了韧带的撕裂。从车顶侵入量来看，欧美人体颈部受载由车顶侵入和躯干惯性加载共同导致，而中国人体颈部受载主要由躯干惯性加载导致。尽管假人模型与欧美人体模型尺寸及质量相近，但两者无论是整体的躯干动态还是局部的颈部变形均存在较大差异，该假人并不适用于汽车翻滚工况。仿真初始参数的改变对车顶变形和乘员颈部损伤都造成了显著影响，仅车身翻转速度对欧美人体颈部载荷峰值以及移动平台速度对中国人体颈部载荷峰值影响不显著。侧翻过程中，不同颈部肌肉激活程度不同，胸锁乳突肌激活度呈明显周期性而头夹肌的激活程度较小。肌肉主动力的引入改变了颈部的力、力矩峰值，并增大了颈椎的应力峰值，加大了颈部损伤风险。　　本文通过一系列仿真分析，率先研究了人体尺寸和质量、肌肉主动力对翻滚碰撞下颈部损伤的影响，研究结果有助于更进一步地了解翻滚碰撞下颈部损伤形式。

目录

声明

第 1 章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 汽车翻滚研究现状

1.2.1 物理试验

1.2.2 仿真分析

1.2.3 损伤机理

1.3 本文研究内容

第 2 章 中国人体有限元模型的建立

2.1 网格变换方法

2.2 体表点云模型的获取

2.2.1 扫描平台搭建

2.2.2 志愿者体表扫描

2.3 人体有限元模型建立

2.3.1 体表模型姿势调整

2.3.2 初次网格变换

2.3.3 二次网格变换

2.4 模型检查

2.4.1 几何精度检查

2.4.2 网格质量检查

2.4.3 模型的对称化

2.5 本章小结

第 3 章 乔丹翻滚碰撞仿真分析

3.1 乔丹翻滚碰撞模型的建立

3.1.1 整车模型介绍

3.1.2 JRS 仿真模型建立

3.1.3 乘员模型介绍

3.1.4 约束系统模型建立

3.2 动态响应分析

3.2.1 整车动态响应

3.2.2 乘员动态响应

3.3 颈部损伤分析

3.3.1 力、力矩分析

3.3.2 椎骨损伤分析

3.3.3 韧带损伤分析

3.4 本章小结

第 4 章 不同初始参数下的翻滚仿真

4.1 车身初始翻转速度

4.2 车身初始跌落速度

4.3 移动平台初始速度

4.4 本章小结

第 5 章 考虑肌肉主动力的翻滚仿真

5.1 肌肉的相关介绍

5.1.1 肌肉力介绍

5.1.2 有限元模型中的肌肉力模拟

5.2颈部肌肉表面肌电信号测量

5.2.1 试验方案制定

5.2.2 试验开展

5.2.3 肌电信号的处理

5.3肌肉主动力对颈部损伤的影响

5.4本章小结

总结与展望

参考文献

附录 攻读硕士学位期间所发表的学术论文目录

致 谢