本文關(guān)鍵詞：基于體征的參數(shù)化乘員有限元模型建立方法及應(yīng)用研究

  更多相關(guān)文章： 人體有限元模型 網(wǎng)格變形技術(shù) 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(jì)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(huì)對(duì)受害者、其家庭以及整個(gè)國家造成很大的經(jīng)濟(jì)損失,預(yù)計(jì)至2020年道路交通傷害將成為全球疾病與傷害負(fù)擔(dān)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(shè)計(jì)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(píng)價(jià)工具,一般側(cè)重于50百分位男性乘員的保護(hù),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(duì)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(jì)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(duì)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(huì)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(dāng)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(huì)更加嚴(yán)重。但是,目前所有的乘員損傷評(píng)價(jià)工具均無法對(duì)上述乘員類型的損傷進(jìn)行研究。因此,為研究不同體征參數(shù)對(duì)乘員損傷的影響機(jī)理,本文利用幾何形狀統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)以及網(wǎng)格變換技術(shù),設(shè)計(jì)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(yīng)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(jī)理以及防護(hù)研究,具體的研究重點(diǎn)與創(chuàng)新點(diǎn)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(jì)分析技術(shù),包括圖像閾值分割、標(biāo)志點(diǎn)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(yù)測該個(gè)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(shù)將基礎(chǔ)體表網(wǎng)格經(jīng)過兩次網(wǎng)格變換映射到目標(biāo)人體體表幾何點(diǎn)云上,然后根據(jù)模型特性對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行調(diào)整,獲得左右對(duì)稱的人體體表幾何模型,同樣基于形狀統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)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(duì)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(yàn)對(duì)所建立的模型進(jìn)行驗(yàn)證�；谒⒌膮�(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(yīng)的關(guān)節(jié)點(diǎn)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(biāo)人體幾何統(tǒng)計(jì)模型,然后通過分區(qū)域的網(wǎng)格變換方法,將基礎(chǔ)人體有限元模型映射到目標(biāo)人體幾何模型上,該方法可快速生成基于個(gè)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(duì)比生成的模型與尸體樣本之間的骨骼形狀差異、乘員動(dòng)態(tài)響應(yīng)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(zhǔn)確地模擬尸體在碰撞事故中的響應(yīng)。4、基于所建立的參數(shù)化乘員有限元模型對(duì)不同BMI水平的后排乘員進(jìn)行損傷機(jī)理研究并對(duì)乘員約束系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)�；谒⒌膮�(shù)化乘員有限元模型,產(chǎn)生了四個(gè)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(yàn)證的后排座椅模型進(jìn)行了參數(shù)化研究,分析了BMI、限力器限力水平、固定點(diǎn)預(yù)緊器以及安全帶放置位置對(duì)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(diǎn)預(yù)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(duì)不同性別、年齡以及身高的前排乘員進(jìn)行損傷機(jī)理研究�；谒⒌膮�(shù)化乘員有限元模型產(chǎn)生了四個(gè)不同性別、年齡以及身高的乘員有限元模型,根據(jù)文獻(xiàn)中關(guān)于不同體征的人體材料參數(shù)數(shù)據(jù),分別為四個(gè)乘員有限元模型選取相應(yīng)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(jìn)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(jī)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(duì)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(duì)于不同體征乘員的安全防護(hù)研究具有非常重要的意義,通過此方法可獲得大量基于個(gè)體特征的乘員有限元模型,最大拓寬碰撞安全所保護(hù)的人群,同時(shí)該模型可應(yīng)用于自適應(yīng)汽車約束系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)中,針對(duì)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(hù)措施。
【關(guān)鍵詞】：人體有限元模型 網(wǎng)格變形技術(shù) 參數(shù)化模型 老齡乘員 女性乘員 肥胖乘員
【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
【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(duì)乘員損傷影響15-26
• 1.2.1 汽車乘員損傷評(píng)價(jià)工具15-18
• 1.2.1.1 汽車擬人試驗(yàn)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(jì)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(jì)分析中老年乘員損傷19-20
• 1.2.2.2 事故統(tǒng)計(jì)分析中肥胖乘員損傷20-21
• 1.2.2.3 事故統(tǒng)計(jì)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(jī)理21-26
• 1.2.3.1 汽車乘員頭部解剖結(jié)構(gòu)與損傷機(jī)理21-23
• 1.2.3.2 汽車乘員胸部損傷機(jī)理23-24
• 1.2.3.3 汽車乘員下肢損傷機(jī)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(jì)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(yàn)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(biāo)志點(diǎn)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(diǎn)分布58-61
• 3.1.2 參數(shù)化模型的個(gè)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(duì)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(duì)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(yàn)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(yàn)證79-86
• 4.4.1 臺(tái)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(yàn)證結(jié)果80-85
• 4.4.2.1 人體有限元模型的測量參數(shù)對(duì)比以及網(wǎng)格質(zhì)量80-82
• 4.4.2.2 試驗(yàn)與仿真的人體動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)比82-83
• 4.4.2.3 仿真分析與尸體試驗(yàn)之間的損傷結(jié)果對(duì)比83-85
• 4.4.3 基于個(gè)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(hù)研究87-107
• 5.1 有限元模型的建立與驗(yàn)證88-92
• 5.1.1 后排座椅有限元模型的建立與驗(yàn)證88-91
• 5.1.2 肥胖人體有限元模型的建立與驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)約束系統(tǒng)下的肥胖乘員損傷92-96
• 5.2.2 后排座椅先進(jìn)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(duì)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(guān)系103-104
• 5.3.2.1 身體前移量與胸部壓縮比率的相互關(guān)系103
• 5.3.2.2 身體前移量與軀干角度的相互關(guān)系103-104
• 5.3.2.3 胸部壓縮比率與軀干角度的相互關(guān)系104
• 5.3.3 安全帶放置位置與固定點(diǎn)預(yù)緊器相互關(guān)系104-105
• 5.4 不同BMI乘員的約束系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jī)理及防護(hù)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(yàn)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(yàn)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(xiàn)125-137
• 附錄A 攻讀學(xué)位期間所獲得的學(xué)術(shù)成果137-139
• 附錄B139-143
• 附錄C143-147
• 致謝147

【參考文獻(xiàn)】

中國博士學(xué)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(jī)理研究[D];湖南大學(xué);2013年

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本文編號(hào)：922628