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

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【摘要】：在行人-車輛碰撞事故中,因?yàn)闆]有外部保護(hù)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(zhǎng)時(shí)間的康復(fù)期甚至?xí)斐捎谰眯詺埣�。因此深入的了解行人下肢損傷生物力學(xué)特性對(duì)降低行人事故中的下肢損傷風(fēng)險(xiǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文的研究目的是利用行人交通事故數(shù)據(jù)進(jìn)行下肢損傷流行病學(xué)的研究,并利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法找出影響下肢嚴(yán)重?fù)p傷的顯著因素;同時(shí)利用所改進(jìn)和驗(yàn)證的下肢有限元模型來預(yù)測(cè)下肢長(zhǎng)骨骨折,根據(jù)其碰撞過程和輸出參數(shù)來說明下肢長(zhǎng)骨骨折的損傷機(jī)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(duì)膝關(guān)節(jié)動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及膝關(guān)節(jié)損傷嚴(yán)重度的影響。為了實(shí)現(xiàn)本文的研究目的,首先基于GIDAS事故數(shù)據(jù)庫(kù)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(jì)參數(shù)(上保險(xiǎn)杠高度UBH,下保險(xiǎn)杠高度LBH,保險(xiǎn)杠伸出長(zhǎng)度BL以及發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣高度BLEH)對(duì)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(gè)主要參數(shù)。車輛參數(shù)中的下保險(xiǎn)杠高度和發(fā)動(dòng)機(jī)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(xiǎn)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(dòng)機(jī)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(jìn)提供指導(dǎo)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(xué)結(jié)構(gòu),利用軟件Hypermesh10.0改進(jìn)了一個(gè)能夠反映行人下肢生理學(xué)特征的有限元模型。改進(jìn)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(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)該模型的生物逼真度進(jìn)行了驗(yàn)證,驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)包括長(zhǎng)骨(股骨、脛骨和腓骨)的準(zhǔn)靜態(tài)以及動(dòng)態(tài)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn),大腿以及小腿的動(dòng)態(tài)三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn),膝關(guān)節(jié)的四點(diǎn)彎曲和三點(diǎn)彎剪實(shí)驗(yàn),以及整個(gè)下肢模型的彎曲和剪切實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)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(duì)應(yīng)的尸體實(shí)驗(yàn)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(jī)理以及損傷預(yù)測(cè)的研究。然后,在GIDAS事故數(shù)據(jù)庫(kù)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(duì)真實(shí)交通事故中下肢長(zhǎng)骨骨折進(jìn)行了預(yù)測(cè)研究損傷機(jī)理分析。利用多體模型對(duì)所選取的事故案例進(jìn)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(jìn)行長(zhǎng)骨骨折預(yù)測(cè)。最后對(duì)比仿真輸出的損傷結(jié)果以及真實(shí)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(zhǎng)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(shí)交通事故中的下肢動(dòng)力學(xué)響應(yīng)過程,并可以用于預(yù)測(cè)下肢長(zhǎng)骨骨折。最后,通過對(duì)比分析小腿骨骨折與無骨折時(shí)的膝關(guān)節(jié)動(dòng)態(tài)影響過程來說明小腿骨骨折對(duì)膝關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的影響,并通過對(duì)比能夠預(yù)測(cè)膝關(guān)節(jié)損傷的預(yù)測(cè)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(duì)膝關(guān)節(jié)損傷的影響。結(jié)果顯示,小腿骨骨折會(huì)嚴(yán)重影響膝關(guān)節(jié)的動(dòng)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(huì)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(huì)減少膝關(guān)節(jié)的損傷風(fēng)險(xiǎn)。這要求在開發(fā)下肢沖擊器時(shí),需要設(shè)置小腿骨骨折。綜上所述,對(duì)交通事故案例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(jì)提供真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)支撐。同時(shí)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(zhǎng)骨骨折預(yù)測(cè)以及下肢損傷機(jī)理的研究。最后,通過分析可以得知小腿骨骨折會(huì)對(duì)膝關(guān)節(jié)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)以及損傷風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生影響。
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：U467.14

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本文編號(hào)：1137004