本文關鍵詞：基于骨折特性的顱腦損傷建模及碰撞傷害研究

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【摘要】：在交通事故中，顱腦損傷是經(jīng)常會造成乘員重傷甚至死亡的一類損傷，其中顱骨骨折是一種常見的嚴重顱腦損傷，且顱骨是腦組織結構的重要保護器官，故有必要進行顱骨骨折損傷類型、致傷機理方面的研究，并將研究成果應用于交通事故過程中損傷評估方法的建立和防護措施的優(yōu)化設計。有限元方法為顱腦損傷研究提供了有力工具，能夠模擬碰撞過程中顱腦損傷的類型，并且能夠量化分析損傷的嚴重程度，而有限元仿真結果的準確性，取決于顱腦有限元模型結構與真實顱腦結構的相似程度以及較真實的顱腦生物力學材料的選用。國內外大多數(shù)顱腦有限元模型主要關注腦組織的損傷，而在顱骨結構，特別是面骨結構方面簡化較大，且由于有關顱骨研究的材料參數(shù)缺乏，仿真過程中無法真實模擬顱骨骨折類型。為了更準確描述在碰撞過程中顱骨的生物力學響應，本文基于真實人體解剖學結構建立了具有骨折特性的顱骨損傷模型，根據(jù)國外參考文獻中有關顱骨特性研究的尸體實驗數(shù)據(jù)對模型進行了多方面驗證，并且最終將模型應用于車輛正面碰撞中頭部與未安裝安全氣囊的方向盤碰撞的實際工況，對影響碰撞損傷的多種因素進行分析研究。 最早的三維頭部有限元模型建立于1975年，國內外學者經(jīng)過近四十多年的研究，在顱腦模型的建立和顱腦損傷生物力學方面已有很多研究成果，但為使顱腦有限元模型能夠全面應用于車輛事故損傷評估還需要進一步改進。本文在閱讀并總結顱骨損傷類型、損傷機理、模型建立方法等研究成果的基礎上，根據(jù)顱腦解剖結構，對50百分位中國人顱骨及面骨幾何模型進行合理的網(wǎng)格劃分，得到具有完整解剖學結構的顱腦有限元模型。模型主要結構較詳細的顱骨、面骨結構以及頭皮、腦脊液及包括大腦、小腦、大腦鐮和小腦幕的簡易腦組織結構。其中顱骨分為厚度不均勻的三層網(wǎng)格，代表兩層皮質骨和中間松質骨的夾層結構。面骨主要結構包括鼻骨、顴骨、上頜骨和下頜骨。整個模型由138569個節(jié)點，，122375個實體單元和16141個殼單元組成，頭部模型質量為4.57kg。顱骨材料采用彈塑性材料，并通過網(wǎng)格刪除模擬顱骨骨折的病理現(xiàn)象。 為了驗證顱腦模型的有效性，本文基于Yoganandan液壓錘沖擊實驗、Verschueren雙擺錘沖擊實驗和Nyquist及Allsop的面骨骨折實驗這四種針對顱骨骨折的國外尸體頭部實驗數(shù)據(jù)，根據(jù)文獻中描述的實驗裝置和實驗條件利用LS-DYNA軟件對顱腦有限元進行加載及仿真計算，輸出顱骨碰撞接觸部位上的接觸力-變形曲線，仿真結果不僅在力學曲線上和實驗結果相似性較好，而且在骨折方式上也和實驗結果吻合。因此說明具有骨折特性的顱腦有限元模型具有較高的生物逼真性，可以應用于交通事故顱骨損傷的仿真模擬分析。 最后通過車輛正面碰撞事故中，頭部與未安裝安全氣囊的方向盤在不同車速和不同傾斜角下碰撞工況的模擬，預測顱骨骨折發(fā)生的可能性，并探究碰撞速度和方向盤傾斜角對頭部損傷的影響。研究表明，碰撞速度對頭部HIC值影響較大，對顱骨骨折損傷的影響較明顯，接觸力會隨著碰撞速度的增加而增加。方向盤的傾斜角對頭部HIC值得影響較小，且在一定方向盤傾斜角范圍內的接觸力最小。 本文研究基于50百分位中國人建立了基于骨折特性的顱腦有限元模型，利用多種尸體頭部碰撞實驗對顱骨不同位置的損傷進行了全面的探究，為今后車輛事故重現(xiàn)提供了參考。
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：R651.15

【參考文獻】

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1 黃麗麗;有限元三維六面體網(wǎng)格自動生成與再生成算法研究及其應用[D];山東大學;2010年

本文編號：1295066