本文關鍵詞：汽車碰撞人體頭部流固耦合模型及傷害機理研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：頭部傷害是交通事故中最為常見的傷害類型之一，是造成重傷和死亡的主要形式。目前汽車安全設計與評價采用碰撞試驗假人，這極大提高了汽車的安全性。但與真人頭部相比，假人頭部結構和功能都十分簡單，用其研究頭部傷害存在一定的局限性。假人頭部由鑄鋁頭蓋骨和具有乙烯樹脂皮膚的頭蓋骨蓋構成，而真人頭部由皮膚、顱骨、腦組織構成。在傷害方面，假人頭部表現(xiàn)為質(zhì)心處的HIC值，真人頭部表現(xiàn)為骨折、組織損傷和出血等生理現(xiàn)象。事實上，車輛的安全設計應該從真人出發(fā)，，從而更好地保護車內(nèi)乘員。 頭部傷害問題很早就引起了研究人員的重視。針對于頭部傷害的研究起始于上世紀40年代，研究方法包括志愿者試驗、尸體試驗、動物試驗、機械模型試驗和應用有限元法的數(shù)學模型研究，而利用有限元法的數(shù)學模型自1975年至今，已成為目前頭部傷害研究的主要工具。本文針對目前國內(nèi)外頭部數(shù)學模型中未考慮頭部流固耦合關系的不足，依托國家自然科學基金“汽車被動安全設計中人體頭部流固耦合模型及其傷害評價技術研究”項目，建立基于50百分位中國人人體頭部的流固耦合碰撞分析模型，開展汽車碰撞人體頭部模型建模及其傷害機理研究。對“顱骨-腦脊液-腦”接觸界面采用任意拉格朗日-歐拉（ALE）流固耦合方法建模，以模擬大腦“水浴”于腦脊液中的耦合工況。本文研究內(nèi)容如下： （1）頭部沖擊流固耦合理論與替代模型研究。開展任意拉格朗日-歐拉（ALE）法流固耦合理論研并基于Corina等人的頭部物理替代模型的實驗數(shù)據(jù)進行仿真研究，證實了人體頭部流固耦合建模的的必要性和有效性。 （2）50百分位中國人人體頭部幾何模型與有限元模型建立。基于某50百分位中國成年男性人體頭部志愿者的CT與MRI掃描數(shù)據(jù)，建立頭部的三維幾何模型；依據(jù)頭部幾何模型，建立包含頭皮、顱骨、面骨、硬腦膜、腦脊液、軟腦膜、大腦、小腦、腦干、腦室、胼胝體、大腦鐮、小腦幕等詳細解剖結構的頭部有限元模型�！帮B骨-腦脊液-腦”之間的耦合關系通過網(wǎng)格重疊的ALE方法設定，材料參數(shù)根據(jù)公開發(fā)表的文獻確定。 （3）頭部碰撞分析模型驗證。利用國際認可的經(jīng)典尸體實驗數(shù)據(jù)，進行人體頭部流固耦合模型生物力學響應的有效性驗證。通過對Nahum等人的顱內(nèi)壓、Trosseille等人的顱內(nèi)動態(tài)響應及Hardy等人的顱腦相對位移實驗的仿真驗證，調(diào)整和修正本文模型，以確保其有效性。 （4）不同顱腦接觸界面仿真方法的研究。對比研究流固耦合模型與采用共節(jié)點方法建立的頭部模型采用不同腦脊液材料參數(shù)對沖擊中顱內(nèi)響應仿真結果的影響。結果顯示，而流固耦合模型可以彌補Lagrange模型預測的顱腦相對位移峰值小于實驗值的不足，所得結果與實驗結果更為接近。 （5）人體頭部流固耦合模型應用研究。使用多剛體假人模型進行正面及追尾碰撞模擬，提取碰撞過程中假人頭部的六向加速度，加載到人體頭部流固耦合有限元模型的剛性顱骨上，對比研究車正面碰撞與追尾碰撞假人與人體頭部模型所給出傷害響應的差異。結果表明，正面碰撞時，當假人的頭部HIC值小于頭部傷害限值時，人體頭部流固耦合模型顯示乘員頭部仍有可能遭受腦挫傷、重度神經(jīng)損傷和彌散性軸索損傷；而追尾碰撞時，即使在HIC值很小的情況下，仍有可能發(fā)生中度神經(jīng)損傷和彌散性軸索損傷。應用本文流固耦合模型可以給出比假人更全面有效的傷害評價結果。 本論文存在以下不足，需要進一步完善和探索： （1）本文旨在探討顱骨、腦脊液、腦之間的流固耦合關系，簡化忽略了蛛網(wǎng)膜小梁、大腦表面溝回對顱腦接觸界面的作用，可能會對仿真結果造成影響。 （2）本論文集中研究顱內(nèi)生物力學響應，因此僅進行了顱內(nèi)壓、顱腦相對位移的驗證。若以后研究中涉及顱骨傷害，還需對顱骨、面骨發(fā)生不同形式的骨折特性進行驗證。 （3）模型建立及損傷預測中沒有考慮血管。因此無法考察碰撞中的血管撕裂及血腫等現(xiàn)象，模型還有待更進一步地細化。 本文針對于目前國內(nèi)外頭部碰撞傷害研究中未考慮顱內(nèi)流固耦合關系的不足，建立了基于中國50百分位成年男性頭部醫(yī)學影像數(shù)據(jù)、考慮“顱骨-腦脊液-腦”流固耦合關系的詳細人體頭部有限元模型，該模型能夠彌補以往模型顱腦相對位移量偏小的不足，更準確地預測腦組織損傷。將該模型應用于汽車碰撞中頭部損傷預測及傷害機理研究，可以彌補碰撞假人僅采用HIC值預測頭部傷害的不足，提高汽車安全防護設計手段，更為全面的評價汽車碰撞頭部安全性。
【關鍵詞】：汽車碰撞 頭部模型 流固耦合 模型驗證 損傷預測
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：U467.14;O353.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第1章 緒論12-24
• 1.1 課題研究背景12-13
• 1.2 頭部有限元模型研究及應用現(xiàn)狀13-19
• 1.3 “顱骨-腦脊液-腦”接觸方式研究進展19-21
• 1.4 本文的主要研究內(nèi)容21-24
• 第2章 流固耦合理論與頭部替代模型仿真驗證24-40
• 2.1 流固耦合基礎理論24-30
• 2.1.1 基本控制方程24-27
• 2.1.2 流固耦合邊界條件27-28
• 2.1.3 壓力速度方程28-30
• 2.2 流固耦合頭部替代模型仿真驗證研究30-37
• 2.2.1 實驗描述及仿真設定30-34
• 2.2.2 仿真結果及討論34-37
• 2.3 小結37-40
• 第3章 人體頭部流固耦合有限元模型建立40-56
• 3.1 頭部解剖學結構40-43
• 3.2 頭部三維幾何模型建立43-47
• 3.3 頭部有限元模型建立47-53
• 3.4 頭部流固耦合邊界條件設置53-54
• 3.5 小結54-56
• 第4章 基于尸體實驗的人體頭部流固耦合模型顱內(nèi)響應驗證56-74
• 4.1 顱內(nèi)壓實驗仿真驗證56-59
• 4.1.1 實驗描述及仿真設定56-58
• 4.1.2 仿真結果及討論58-59
• 4.2 顱內(nèi)動態(tài)響應驗證59-63
• 4.2.1 實驗描述及仿真設定59-61
• 4.2.2 仿真結果及討論61-63
• 4.3 顱腦相對位移驗證63-72
• 4.3.1 實驗描述及仿真設定63-66
• 4.3.2 仿真結果及討論66-72
• 4.4 總結72-74
• 第5章 不同顱腦接觸界面仿真方法的研究74-90
• 5.1 Lagrange 方法中不同腦脊液材料參數(shù)對沖擊響應仿真的影響74-80
• 5.1.1 基于 Lagrange 方法頭部模型的建立74-75
• 5.1.2 不同腦脊液材料參數(shù)對沖擊響應的影響75-80
• 5.2 ALE 方法與 Lagrange 方法模擬“顱骨-腦脊液-腦”接觸界面的對比80-87
• 5.2.1 顱內(nèi)響應仿真結果的對比81-83
• 5.2.2 腦組織損傷預測的對比83-87
• 5.3 小結87-90
• 第6章 人體頭部流固耦合模型應用研究90-106
• 6.1 引言90
• 6.2 腦組織損傷生物力學評價指標90-92
• 6.3 正面碰撞頭部沖擊仿真及腦損傷預測研究92-97
• 6.3.1 正面碰撞仿真模型建立92-95
• 6.3.2 正碰工況下腦組織損傷仿真預測95-97
• 6.4 追尾碰撞頭部沖擊仿真及腦損傷預測研究97-103
• 6.4.1 追尾碰撞仿真模型建立97-100
• 6.4.2 追尾工況下腦組織損傷仿真預測100-103
• 6.5 小結103-106
• 第7章 總結與展望106-108
• 7.1 全文總結106-107
• 7.2 研究展望107-108
• 參考文獻108-120
• 作者簡介120
• 博士期間取得的科研成果120-122
• 致謝122

【參考文獻】

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  本文關鍵詞：汽車碰撞人體頭部流固耦合模型及傷害機理研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：411856