本文關(guān)鍵詞：基于真實行人交通事故的人體下肢損傷生物力學有限元分析研究

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【摘要】：在行人-車輛碰撞事故中,因為沒有外部保護措施而使得行人成為易受傷害群體,事故傷亡率極高。事故調(diào)查數(shù)據(jù)顯示,行人下肢是最易受損傷的部位之一,下肢損傷約占受傷總數(shù)的32.8%。雖然下肢損傷極少是致命損傷,但是它們需要長時間的康復期甚至會造成永久性殘疾。因此深入的了解行人下肢損傷生物力學特性對降低行人事故中的下肢損傷風險具有重要的現(xiàn)實意義。本文的研究目的是利用行人交通事故數(shù)據(jù)進行下肢損傷流行病學的研究,并利用統(tǒng)計學方法找出影響下肢嚴重損傷的顯著因素;同時利用所改進和驗證的下肢有限元模型來預測下肢長骨骨折,根據(jù)其碰撞過程和輸出參數(shù)來說明下肢長骨骨折的損傷機理和耐受限度;最后利用有限元方法研究下肢小腿骨(脛骨/腓骨)骨折對膝關(guān)節(jié)動態(tài)響應(yīng)以及膝關(guān)節(jié)損傷嚴重度的影響。為了實現(xiàn)本文的研究目的,首先基于GIDAS事故數(shù)據(jù)庫中404例帶有行人下肢損傷的事故案例,使用單因素方差分析以及Logistic回歸分析,研究了汽車與行人碰撞事故中的碰撞速度,行人參數(shù)(年齡、身高以及體重)和汽車前部結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)(上保險杠高度UBH,下保險杠高度LBH,保險杠伸出長度BL以及發(fā)動機罩前緣高度BLEH)對行人下肢AIS2+損傷,脛骨/腓骨骨折以及膝關(guān)節(jié)AIS2+損傷的影響。研究結(jié)果表明,碰撞速度和年齡是影響行人下肢AIS2+損傷的兩個主要參數(shù)。車輛參數(shù)中的下保險杠高度和發(fā)動機罩前緣高度也是影響下肢AIS2+損傷的顯著因素。車輛碰撞速度、行人年齡和下保險杠高度是影響行人脛骨/腓骨骨折的顯著性因素,而行人年齡、體重以及發(fā)動機罩前緣高度是影響膝關(guān)節(jié)AIS2+損傷的顯著性因素。該研究結(jié)果可以為城區(qū)道路限速以及汽車前部結(jié)構(gòu)的改進提供指導性建議。接著,本文基于一名歐洲50百分位成年男性下肢解剖學結(jié)構(gòu),利用軟件Hypermesh10.0改進了一個能夠反映行人下肢生理學特征的有限元模型。改進后的模型包括骨骼系統(tǒng)(骨盆、股骨、脛骨、腓骨、髕骨以及足骨)以及軟組織系統(tǒng)(主要肌肉,皮膚、關(guān)節(jié)囊、關(guān)節(jié)軟骨、關(guān)節(jié)韌帶以及主要的肌腱組織)。并利用已發(fā)表的行人下肢生物力學實驗結(jié)果對該模型的生物逼真度進行了驗證,驗證實驗包括長骨(股骨、脛骨和腓骨)的準靜態(tài)以及動態(tài)三點彎曲試驗,大腿以及小腿的動態(tài)三點彎曲實驗,膝關(guān)節(jié)的四點彎曲和三點彎剪實驗,以及整個下肢模型的彎曲和剪切實驗。驗證結(jié)果表明,所建立的下肢有限元模型的仿真結(jié)果與所對應(yīng)的尸體實驗吻合較好,該模型具有較高的生物逼真度,可以用于后續(xù)的行人下肢損傷機理以及損傷預測的研究。然后,在GIDAS事故數(shù)據(jù)庫中選取了兩起帶有行人下肢損傷X掃描光片的事故案例,采用下肢有限元模型對真實交通事故中下肢長骨骨折進行了預測研究損傷機理分析。利用多體模型對所選取的事故案例進行了事故重建,來得到下肢碰撞的邊界條件,比如,碰撞速度,碰撞位置以及碰撞方位。接著,建立了車輛與下肢碰撞的有限元模型來進行長骨骨折預測。最后對比仿真輸出的損傷結(jié)果以及真實記錄的損傷狀況。結(jié)果顯示,所建立的下肢有限元模型能夠較好的反映出下肢長骨骨折的類型和較為精確的骨折位置。仿真中所得到的脛骨骨干,腓骨骨干以及股骨頸部位的耐受彎矩極限分別是304N.m,19.8N.m以及318.8N.m。該下肢模型能夠重現(xiàn)真實交通事故中的下肢動力學響應(yīng)過程,并可以用于預測下肢長骨骨折。最后,通過對比分析小腿骨骨折與無骨折時的膝關(guān)節(jié)動態(tài)影響過程來說明小腿骨骨折對膝關(guān)節(jié)動力學響應(yīng)的影響,并通過對比能夠預測膝關(guān)節(jié)損傷的預測參數(shù)(膝關(guān)節(jié)剪切位移、彎曲角度以及韌帶所承受的力)來研究小腿骨骨折對膝關(guān)節(jié)損傷的影響。結(jié)果顯示,小腿骨骨折會嚴重影響膝關(guān)節(jié)的動態(tài)響應(yīng);并且小腿骨發(fā)生骨折后,膝關(guān)節(jié)的剪切位移和彎曲角度都會減小;小腿骨發(fā)生骨折后,MCL所承受的拉力要減少20%。這說明:在交通事故中,小腿骨發(fā)生骨折會減少膝關(guān)節(jié)的損傷風險。這要求在開發(fā)下肢沖擊器時,需要設(shè)置小腿骨骨折。綜上所述,對交通事故案例進行統(tǒng)計分析可以找出影響下肢損傷的顯著性因素,可以為汽車前部結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計提供真實可靠的數(shù)據(jù)支撐。同時文中所建立的下肢有限元模型具有較高的生物仿真度,可以用于研究交通事故中的長骨骨折預測以及下肢損傷機理的研究。最后,通過分析可以得知小腿骨骨折會對膝關(guān)節(jié)的動力學響應(yīng)以及損傷風險產(chǎn)生影響。
【學位授予單位】：湖南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：U467.14

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本文編號：1137004