本文關鍵詞：基于體征的參數(shù)化乘員有限元模型建立方法及應用研究

  更多相關文章： 人體有限元模型 網(wǎng)格變形技術 參數(shù)化模型 老齡乘員 女性乘員 肥胖乘員

【摘要】：世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計表明,每年約124萬人死于道路交通事故,還有2000萬至5000萬人遭受非致命傷害。道路交通傷害會對受害者、其家庭以及整個國家造成很大的經(jīng)濟損失,預計至2020年道路交通傷害將成為全球疾病與傷害負擔的第三大因素。因此,汽車碰撞過程中的乘員安全問題成為汽車設計中的重要研究方向。但是,目前所涉及的碰撞假人以及人體有限元模型等乘員傷害評價工具,一般側(cè)重于50百分位男性乘員的保護,并未考慮人群中乘員體型和身材組成的多樣性。而在汽車碰撞事故中,相對于50百分位的成年男性,老人、肥胖者、兒童、以及矮小女性均是易受傷害的人群。大量的事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,人體特征參數(shù)的變化,包括年齡、性別、身高以及BMI(Body Mass Index,身體質(zhì)量指數(shù))對乘員的碰撞損傷具有重要的影響。例如隨著年齡的增加,乘員身體各部位受到MAIS 3+的傷害均會增加,特別是胸部、頭部、下肢以及脊柱等部位。在汽車正面碰撞事故中,肥胖乘員胸部受到AIS 2+和AIS 3+傷害的幾率比正常體重乘員高出26%和33%,而當保持其它碰撞條件不變的情況下,女性受到MAIS 3+和MAIS 2+傷害的幾率比男性分別高出了47%和71%。如果考慮到不同參數(shù)之間的相互作用,例如肥胖的老年乘員、肥胖的兒童乘員以及老年的女性乘員,其傷害程度會更加嚴重。但是,目前所有的乘員損傷評價工具均無法對上述乘員類型的損傷進行研究。因此,為研究不同體征參數(shù)對乘員損傷的影響機理,本文利用幾何形狀統(tǒng)計分析技術以及網(wǎng)格變換技術,設計了基于年齡、身高、性別以及BMI的參數(shù)化乘員有限元模型建模方法,并將所建立的參數(shù)化模型應用于汽車前后排座椅約束系統(tǒng)中,開展了不同體征乘員的損傷機理以及防護研究,具體的研究重點與創(chuàng)新點如下:1、建立了基于年齡、身高、性別以及BMI等體征的參數(shù)化骨骼有限元模型。通過不同人體的CT掃描數(shù)據(jù),基于形狀統(tǒng)計分析技術,包括圖像閾值分割、標志點選取、空間位置匹配、主成分分析以及線性回歸分析,建立了胸腔骨骼、盆骨、股骨以及脛骨的參數(shù)化有限元模型。該模型可根據(jù)任意合理的年齡、身高、性別以及BMI的參數(shù)組合預測該個體特征的骨骼有限元模型。2、建立了基于年齡、身高、性別以及BMI等體征的參數(shù)化人體體表有限元模型。通過網(wǎng)格變換技術將基礎體表網(wǎng)格經(jīng)過兩次網(wǎng)格變換映射到目標人體體表幾何點云上,然后根據(jù)模型特性對網(wǎng)格進行調(diào)整,獲得左右對稱的人體體表幾何模型,同樣基于形狀統(tǒng)計分析技術建立參數(shù)化的人體體表有限元模型。分析結(jié)果表明:隨著BMI和身高的增加,乘員所有體表尺寸都有所增加,其中胸腔厚度以及腰部厚度隨著BMI變化明顯,坐高隨著身高尺寸的增加而快速增加。年齡對乘員的胸腔厚度和臀部寬度沒有影響,但老年人腰圍尺寸增加且發(fā)生駝背現(xiàn)象。3、提出了基于年齡、身高、性別以及BMI的參數(shù)化乘員有限元模型建模方法,并根據(jù)尸體試驗對所建立的模型進行驗證。基于所建立的參數(shù)化骨骼有限元模型(胸腔、骨盆,股骨以及脛骨)以及參數(shù)化體表有限元模型,利用最小二乘法并根據(jù)相應的關節(jié)點位置信息將產(chǎn)生的骨骼放置到人體體表內(nèi),獲得融合體表與骨骼的目標人體幾何統(tǒng)計模型,然后通過分區(qū)域的網(wǎng)格變換方法,將基礎人體有限元模型映射到目標人體幾何模型上,該方法可快速生成基于個體特征的乘員有限元模型,且生成的模型具有較好的網(wǎng)格質(zhì)量。通過對比生成的模型與尸體樣本之間的骨骼形狀差異、乘員動態(tài)響應以及乘員損傷數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),該參數(shù)化乘員有限元模型可較為準確地模擬尸體在碰撞事故中的響應。4、基于所建立的參數(shù)化乘員有限元模型對不同BMI水平的后排乘員進行損傷機理研究并對乘員約束系統(tǒng)進行優(yōu)化設計�；谒⒌膮�(shù)化乘員有限元模型,產(chǎn)生了四個不同BMI水平(25/30/35/40kg/m2)的人體有限元模型,通過建立并獲得驗證的后排座椅模型進行了參數(shù)化研究,分析了BMI、限力器限力水平、固定點預緊器以及安全帶放置位置對乘員損傷的影響。仿真結(jié)果表明:后排乘員頭部或者下肢的損傷與胸部的損傷成反比,通過優(yōu)化的安全帶限力器以及固定點預緊器可減少由肥胖所造成的乘員損傷。5、基于所建立的參數(shù)化乘員有限元模型對不同性別、年齡以及身高的前排乘員進行損傷機理研究�；谒⒌膮�(shù)化乘員有限元模型產(chǎn)生了四個不同性別、年齡以及身高的乘員有限元模型,根據(jù)文獻中關于不同體征的人體材料參數(shù)數(shù)據(jù),分別為四個乘員有限元模型選取相應的材料參數(shù),然后將不同乘員有限元模型在前排約束系統(tǒng)中進行定位以及參數(shù)匹配,通過仿真分析獲得不同性別、年齡的乘員在前排約束系統(tǒng)下的損傷機理。研究結(jié)果表明:隨著年齡的增長,人體胸腔骨骼以及下肢骨骼發(fā)生骨折的幾率明顯增加,女性乘員的損傷程度要高于男性乘員,并且年齡對女性乘員損傷的影響要大于男性乘員。該參數(shù)化乘員有限元模型對于不同體征乘員的安全防護研究具有非常重要的意義,通過此方法可獲得大量基于個體特征的乘員有限元模型,最大拓寬碰撞安全所保護的人群,同時該模型可應用于自適應汽車約束系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設計中,針對不同體征乘員獲得其最佳約束系統(tǒng)匹配參數(shù),從而在汽車碰撞事故中為不同乘員類型提供最優(yōu)的保護措施。
【關鍵詞】：人體有限元模型 網(wǎng)格變形技術 參數(shù)化模型 老齡乘員 女性乘員 肥胖乘員
【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
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-14
• 第1章 緒論14-35
• 1.1 參數(shù)化乘員有限元模型的研究背景與意義14-15
• 1.2 不同人體特征對乘員損傷影響15-26
• 1.2.1 汽車乘員損傷評價工具15-18
• 1.2.1.1 汽車擬人試驗裝置15-17
• 1.2.1.2 人體有限元模型17-18
• 1.2.2 事故統(tǒng)計分析中不同體征乘員的損傷研究18-21
• 1.2.2.1 事故統(tǒng)計分析中老年乘員損傷19-20
• 1.2.2.2 事故統(tǒng)計分析中肥胖乘員損傷20-21
• 1.2.2.3 事故統(tǒng)計分析中女性乘員損傷21
• 1.2.3 不同體征乘員典型部位的損傷機理21-26
• 1.2.3.1 汽車乘員頭部解剖結(jié)構(gòu)與損傷機理21-23
• 1.2.3.2 汽車乘員胸部損傷機理23-24
• 1.2.3.3 汽車乘員下肢損傷機理24-26
• 1.3 參數(shù)化乘員有限元模型國內(nèi)外研究現(xiàn)狀26-33
• 1.3.1 人體幾何形態(tài)的參數(shù)化模型研究現(xiàn)狀26-29
• 1.3.2 人體材料屬性的參數(shù)化研究現(xiàn)狀29-30
• 1.3.3 參數(shù)化乘員有限元模型的研究現(xiàn)狀30-33
• 1.4 本文的研究意義與內(nèi)容33-35
• 第2章 基于體征的人體骨骼參數(shù)化有限元模型35-58
• 2.1 基于體征的參數(shù)化人體胸腔有限元模型36-54
• 2.1.1 參數(shù)化人體胸腔有限元模型的建模流程36
• 2.1.2 胸腔幾何模型的樣本獲取36-38
• 2.1.3 胸腔幾何模型的姿態(tài)調(diào)整38-40
• 2.1.4 胸腔幾何模型的網(wǎng)格變換40-42
• 2.1.5 不同樣本的空間位置匹配42-43
• 2.1.6 樣本矩陣主成分分析方法43-44
• 2.1.7 不同樣本的線性統(tǒng)計模型44-45
• 2.1.8 參數(shù)化模型GPA結(jié)果分析45-46
• 2.1.9 參數(shù)化模型PCA結(jié)果分析46-50
• 2.1.10 參數(shù)化人體胸腔有限元模型輸出50
• 2.1.11 參數(shù)化人體胸腔有限元模型精度50-52
• 2.1.12 參數(shù)化人體胸腔有限元模型驗證52-54
• 2.2 基于體征的參數(shù)化骨盆有限元模型54-56
• 2.2.1 骨盆幾何模型的樣本獲取54-55
• 2.2.2 骨盆標志點獲取與網(wǎng)格變換55-56
• 2.2.3 參數(shù)化人體骨盆有限元模型56
• 2.3 基于體征的參數(shù)化下肢有限元模型56
• 2.4 本章小結(jié)56-58
• 第3章 基于體征的人體體表參數(shù)化有限元模型58-70
• 3.1 人體體表參數(shù)化有限元模型的樣本選取58-61
• 3.1.1 參數(shù)化模型樣本點分布58-61
• 3.1.2 參數(shù)化模型的個體幾何數(shù)據(jù)獲取61
• 3.2 人體體表網(wǎng)格變換61-65
• 3.2.1 人體體表網(wǎng)格的初次變換62-63
• 3.2.2 人體體表網(wǎng)格的二次變換63-64
• 3.2.3 人體體表網(wǎng)格的對稱變換64-65
• 3.3 參數(shù)化人體體表有限元模型的建立65-67
• 3.3.1 不同人體幾何模型的空間位置匹配65-66
• 3.3.2 參數(shù)化人體體表模型線性回歸分析66-67
• 3.4 參數(shù)化人體體表有限元模型的結(jié)果67-69
• 3.4.1 參數(shù)化人體體表有限元模型結(jié)果對比67
• 3.4.2 不同體征參數(shù)下人體幾何尺寸變化67-69
• 3.5 本章小結(jié)69-70
• 第4章 參數(shù)化乘員有限元模型建立方法及驗證70-87
• 4.1 參數(shù)化乘員有限元模型建模流程71-72
• 4.2 骨骼有限元模型在體表內(nèi)的定位72-75
• 4.2.1 胸腔有限元模型在體表內(nèi)的定位72-73
• 4.2.2 骨盆有限元模型在體表內(nèi)的定位73
• 4.2.3 股骨與脛骨有限元模型在體表內(nèi)的定位73-74
• 4.2.4 其余骨骼有限元模型在體表內(nèi)的定位74-75
• 4.3 參數(shù)化乘員有限元模型的建立方法75-79
• 4.3.1 基于徑向神經(jīng)基的網(wǎng)格變換方法75-77
• 4.3.2 分區(qū)域人體有限元模型網(wǎng)格變換方法77-79
• 4.3.3 人體有限元模型的網(wǎng)格質(zhì)量優(yōu)化79
• 4.4 參數(shù)化乘員有限元模型的驗證79-86
• 4.4.1 臺車有限元模型的建立79-80
• 4.4.2 參數(shù)化乘員有限元模型的驗證結(jié)果80-85
• 4.4.2.1 人體有限元模型的測量參數(shù)對比以及網(wǎng)格質(zhì)量80-82
• 4.4.2.2 試驗與仿真的人體動態(tài)響應對比82-83
• 4.4.2.3 仿真分析與尸體試驗之間的損傷結(jié)果對比83-85
• 4.4.3 基于個體特征的人體有限元模型損傷分析85-86
• 4.5 本章小結(jié)86-87
• 第5章 不同體征的后排乘員損傷及防護研究87-107
• 5.1 有限元模型的建立與驗證88-92
• 5.1.1 后排座椅有限元模型的建立與驗證88-91
• 5.1.2 肥胖人體有限元模型的建立與驗證91-92
• 5.2 后排座椅肥胖乘員的損傷分析92-98
• 5.2.1 后排座椅標準約束系統(tǒng)下的肥胖乘員損傷92-96
• 5.2.2 后排座椅先進約束系統(tǒng)下的肥胖乘員損傷96-98
• 5.3 不同約束系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化仿真分析98-105
• 5.3.1 不同參數(shù)對人體損傷的顯著性分析98-103
• 5.3.2 身體前移量、胸部壓縮比率以及軀干角度相互關系103-104
• 5.3.2.1 身體前移量與胸部壓縮比率的相互關系103
• 5.3.2.2 身體前移量與軀干角度的相互關系103-104
• 5.3.2.3 胸部壓縮比率與軀干角度的相互關系104
• 5.3.3 安全帶放置位置與固定點預緊器相互關系104-105
• 5.4 不同BMI乘員的約束系統(tǒng)優(yōu)化設計105-106
• 5.5 本章小結(jié)106-107
• 第6章 不同體征的前排乘員損傷機理及防護研究107-122
• 6.1 汽車前排約束系統(tǒng)有限元模型的建立與驗證108-111
• 6.1.1 前排約束系統(tǒng)有限元模型的建立108-109
• 6.1.2 前排約束系統(tǒng)有限元模型的驗證109-111
• 6.2 不同性別與年齡的人體有限元模型的建立111-117
• 6.2.1 不同性別與年齡的乘員幾何尺寸變化112-114
• 6.2.2 不同性別與年齡的乘員材料參數(shù)變化114-115
• 6.2.3 不同性別與年齡的乘員有限元模型建立115-117
• 6.3 乘員有限元模型在前排約束系統(tǒng)中的定位117-118
• 6.4 不同性別與年齡的乘員有限元模型損傷分析118-121
• 6.5 本章小結(jié)121-122
• 總結(jié)與展望122-125
• 參考文獻125-137
• 附錄A 攻讀學位期間所獲得的學術成果137-139
• 附錄B139-143
• 附錄C143-147
• 致謝147

【參考文獻】

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 蔣彬輝;兒童胸部有限元模型開發(fā)及損傷機理研究[D];湖南大學;2013年

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本文編號：922628