在汽車碰撞事故中,弱勢(shì)群體如老年、肥胖、女性乘員相較中等體型中年男性乘員有著更高的受傷及死亡比例。人口老齡化和肥胖人口比例的增加這兩大因素使這一社會(huì)問題日益顯著。傳統(tǒng)乘員約束系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí),常常只以50百分位男性假人作為設(shè)計(jì)目標(biāo)。在如何準(zhǔn)確評(píng)估弱勢(shì)群體在碰撞中的力學(xué)響應(yīng)、改進(jìn)約束系統(tǒng)的構(gòu)型以拓寬其保護(hù)效能等方面的研究還存在明顯的不足。自適應(yīng)約束系統(tǒng)旨在根據(jù)乘員體征以及碰撞類型主動(dòng)調(diào)整約束系統(tǒng)參數(shù)以提高對(duì)乘員的保護(hù)效果,但目前其研究仍然停留在概念層面。限制其發(fā)展的一個(gè)重要因素便是缺少合適的研究工具。在進(jìn)行自適應(yīng)約束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí),需要充分考慮具有不同人體特征的乘員在碰撞過程中的動(dòng)力學(xué)響應(yīng),目前的碰撞測(cè)試假人以及人體模型遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足這一研究需求。近年來(lái),密歇根大學(xué)交通研究所(UMTRI)提出了參數(shù)化有限元人體模型的概念,目的在于構(gòu)建能夠涵蓋人體骨骼和體表幾何形態(tài)多樣性的模型。但限于當(dāng)時(shí)的研究數(shù)據(jù)和手段,該方法尚不能全自動(dòng)、大規(guī)模生成差異化人體模型。此外,由于此前選取的基準(zhǔn)人體模型較為復(fù)雜,致使進(jìn)行大規(guī)模碰撞仿真的計(jì)算成本急劇增大,利用多個(gè)人體模型進(jìn)行約束系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的可行性受到了嚴(yán)重限制。因此,為進(jìn)一步拓展參數(shù)化人體有限元模型在表征人體多樣性方面的能力、研究不同人體參數(shù)對(duì)乘員碰撞損傷風(fēng)險(xiǎn)的影響機(jī)理、探究利用參數(shù)化人體模型開展約束系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)及自適應(yīng)約束系統(tǒng)開發(fā)的可行性,本文提出了一種全自動(dòng)、快速生成高效人體有限元模型的建立方法,并利用該方法生成了100余個(gè)人體有限元模型以表征人體多樣性;首次對(duì)典型參數(shù)化有限元人體模型開展了全面的碰撞仿真驗(yàn)證;利用多體征差異化人體模型進(jìn)行了局部剛性沖擊仿真及整車正面碰撞仿真并分析了其力學(xué)響應(yīng)和乘員損傷風(fēng)險(xiǎn);利用多個(gè)參數(shù)化人體模型對(duì)約束系統(tǒng)進(jìn)行了正面碰撞優(yōu)化設(shè)計(jì)并對(duì)基于參數(shù)化人體模型的自適應(yīng)約束系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了初步探究。具體的研究重點(diǎn)與創(chuàng)新點(diǎn)如下:1、根據(jù)全新的基準(zhǔn)人體有限元模型的特征,提出了一套全自動(dòng)、快速生成高效人體有限元模型的方法。該方法基于已建立的人體主要骨骼參數(shù)化模型(胸腔、骨盆、股骨、脛骨)和體表參數(shù)化模型,通過骨骼特征點(diǎn)定位、徑向基函數(shù)插值和局部網(wǎng)格變形策略,將一個(gè)計(jì)算效率較高的基準(zhǔn)有限元模型映射到目標(biāo)幾何上。基于人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),采用拉丁超立方采樣方法均勻選取成年男性和女性各50名,將這100個(gè)樣本所對(duì)應(yīng)的年齡、身高、BMI(Body Mass Index,身體質(zhì)量指數(shù))和性別作為輸入?yún)?shù),快速、自動(dòng)生成差異化的人體有限元模型。分析表明:這些模型不僅具有較好的網(wǎng)格質(zhì)量,同時(shí)能夠充分體現(xiàn)人群的多樣性。2、參數(shù)化人體有限元模型的驗(yàn)證。利用文獻(xiàn)中可檢索到的大量尸體試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)生成的中等體型男性模型開展了全面的局部剛性沖擊與臺(tái)車碰撞仿真。結(jié)果表明:該人體模型具有良好的生物逼真度,進(jìn)而驗(yàn)證了參數(shù)化建模方法的有效性。首次對(duì)大樣本量的人體有限元模型開展了局部碰撞仿真,評(píng)估了多體征人體模型的求解穩(wěn)定性,并研究了各個(gè)體征參數(shù)對(duì)人體動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的影響。結(jié)果表明:局部沖擊載荷下人體體征差異所導(dǎo)致的力學(xué)響應(yīng)差異明顯,而常用的5百分位、50百分位及95百分位人體并不能很好地涵蓋人體力學(xué)響應(yīng)的差異性。3、多體征參數(shù)化人體有限元模型整車碰撞仿真及乘員損傷分析。為進(jìn)一步探究人體多樣性在汽車碰撞中對(duì)人體損傷的影響,以某一中級(jí)轎車在美國(guó)新車評(píng)價(jià)規(guī)程(US-NCAP)中的正面碰撞為例,結(jié)合UMTRI駕駛員坐姿回歸統(tǒng)計(jì)模型,提出了一套適用于多體征人體有限元模型的碰撞仿真方法和乘員損傷評(píng)價(jià)方法。該方法具有較強(qiáng)的可重復(fù)性和一致性,重點(diǎn)解決了人體在車內(nèi)定位、快速仿真設(shè)置、損傷評(píng)價(jià)等科學(xué)問題。結(jié)果表明:在碰撞過程中個(gè)體損傷差異明顯;隨著BMI的增大,下肢損傷風(fēng)險(xiǎn)加劇;初始約束系統(tǒng)構(gòu)型對(duì)50百分位附近男性群體有較好的保護(hù)效果,但使得矮小、女性、肥胖人群的損傷風(fēng)險(xiǎn)偏高。4、基于參數(shù)化人體有限元模型的約束系統(tǒng)優(yōu)化。針對(duì)已得到的人群損傷分布特征,選取了三個(gè)損傷風(fēng)險(xiǎn)較高的人體模型(瘦小女性、小個(gè)肥胖女性、大個(gè)肥胖男性)作為研究對(duì)象,以約束系統(tǒng)六個(gè)主要參數(shù)作為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量,構(gòu)建徑向基函數(shù)響應(yīng)面模型,對(duì)多個(gè)參數(shù)化人體有限元模型開展了約束系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。優(yōu)化結(jié)果表明:通過調(diào)節(jié)約束系統(tǒng)參數(shù),個(gè)體的損傷風(fēng)險(xiǎn)顯著降低。最后,探究了多體征人體有限元模型在不同約束系統(tǒng)構(gòu)型下的損傷分布特點(diǎn)。研究表明:最有利于小個(gè)肥胖女性的約束系統(tǒng)構(gòu)型能夠顯著提高女性、小個(gè)人群的保護(hù)效果,但削弱了對(duì)其他群體的保護(hù)效能。因此,單一的約束系統(tǒng)設(shè)計(jì)無(wú)法為整個(gè)人群都提供較好的保護(hù),自適應(yīng)約束系統(tǒng)的研發(fā)具有重要意義。本文的研究工作為進(jìn)一步研究人體差異對(duì)損傷機(jī)理的影響提供了依據(jù),為科學(xué)地開展多體征人體模型整車碰撞仿真及乘員損傷分析提供了參考,為自適應(yīng)約束系統(tǒng)的開發(fā)提供了可資借鑒的工具;在最大限度地拓寬約束系統(tǒng)對(duì)乘員保護(hù)方面具有重要意義。
【學(xué)位單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：U467.14
【部分圖文】：

圖 1.1 混合 III 型 50 百分位假人 圖 1.2 THOR 假人人體有限元模型體有限元模型能夠準(zhǔn)確地表征人體的幾何特征和材料特性，在對(duì)碰損傷機(jī)理的研究和損傷風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估方面發(fā)揮著日益重要的作用。人的建立常常需要經(jīng)過以下四個(gè)階段。首先是人體幾何模型的獲取，的特征參數(shù)，如 50 百分位男性，對(duì)具有該特征的人體進(jìn)行 CT（Craphy）、MRI（Magnetic Resonance Imaging）以及體表掃描，通過

圖 1.1 混合 III 型 50 百分位假人 圖 1.2 THOR 假人人體有限元模型體有限元模型能夠準(zhǔn)確地表征人體的幾何特征和材料特性，在對(duì)碰損傷機(jī)理的研究和損傷風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估方面發(fā)揮著日益重要的作用。人的建立常常需要經(jīng)過以下四個(gè)階段。首先是人體幾何模型的獲取，的特征參數(shù)，如 50 百分位男性，對(duì)具有該特征的人體進(jìn)行 CT（Craphy）、MRI（Magnetic Resonance Imaging）以及體表掃描，通過

圖 1.3 近年來(lái)先進(jìn)的人體有限元模型綜上所述，人體有限元模型越來(lái)越復(fù)雜，單元數(shù)量在不斷地增多，解剖表征也更加精細(xì)，但是仍然存在以下局限性：1. 之前開發(fā)的模型都是基于單一人體的幾何開發(fā)的，即使他們都是 50個(gè)體，但是由于個(gè)體差異性，他們骨骼和體表特征還是存在很大的差異.4 所示的 THUMS V4 和 GHBMC V4.4 模型，他們都是中等身材男性（75 cm，體重約 77 kg）模型，但是 GHBMC V4.4 模型顯得更加健壯，腹
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