本文關(guān)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(huì)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(yán)重顱腦損傷，且顱骨是腦組織結(jié)構(gòu)的重要保護(hù)器官，故有必要進(jìn)行顱骨骨折損傷類型、致傷機(jī)理方面的研究，并將研究成果應(yīng)用于交通事故過程中損傷評(píng)估方法的建立和防護(hù)措施的優(yōu)化設(shè)計(jì)。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(yán)重程度，而有限元仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，取決于顱腦有限元模型結(jié)構(gòu)與真實(shí)顱腦結(jié)構(gòu)的相似程度以及較真實(shí)的顱腦生物力學(xué)材料的選用。國(guó)內(nèi)外大多數(shù)顱腦有限元模型主要關(guān)注腦組織的損傷，而在顱骨結(jié)構(gòu)，特別是面骨結(jié)構(gòu)方面簡(jiǎn)化較大，且由于有關(guān)顱骨研究的材料參數(shù)缺乏，仿真過程中無法真實(shí)模擬顱骨骨折類型。為了更準(zhǔn)確描述在碰撞過程中顱骨的生物力學(xué)響應(yīng)，本文基于真實(shí)人體解剖學(xué)結(jié)構(gòu)建立了具有骨折特性的顱骨損傷模型，根據(jù)國(guó)外參考文獻(xiàn)中有關(guān)顱骨特性研究的尸體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了多方面驗(yàn)證，并且最終將模型應(yīng)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(shí)際工況，對(duì)影響碰撞損傷的多種因素進(jìn)行分析研究。 最早的三維頭部有限元模型建立于1975年，國(guó)內(nèi)外學(xué)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(xué)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(yīng)用于車輛事故損傷評(píng)估還需要進(jìn)一步改進(jìn)。本文在閱讀并總結(jié)顱骨損傷類型、損傷機(jī)理、模型建立方法等研究成果的基礎(chǔ)上，根據(jù)顱腦解剖結(jié)構(gòu)，對(duì)50百分位中國(guó)人顱骨及面骨幾何模型進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分，得到具有完整解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的顱腦有限元模型。模型主要結(jié)構(gòu)較詳細(xì)的顱骨、面骨結(jié)構(gòu)以及頭皮、腦脊液及包括大腦、小腦、大腦鐮和小腦幕的簡(jiǎn)易腦組織結(jié)構(gòu)。其中顱骨分為厚度不均勻的三層網(wǎng)格，代表兩層皮質(zhì)骨和中間松質(zhì)骨的夾層結(jié)構(gòu)。面骨主要結(jié)構(gòu)包括鼻骨、顴骨、上頜骨和下頜骨。整個(gè)模型由138569個(gè)節(jié)點(diǎn)，，122375個(gè)實(shí)體單元和16141個(gè)殼單元組成，頭部模型質(zhì)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(yàn)證顱腦模型的有效性，本文基于Yoganandan液壓錘沖擊實(shí)驗(yàn)、Verschueren雙擺錘沖擊實(shí)驗(yàn)和Nyquist及Allsop的面骨骨折實(shí)驗(yàn)這四種針對(duì)顱骨骨折的國(guó)外尸體頭部實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)文獻(xiàn)中描述的實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)條件利用LS-DYNA軟件對(duì)顱腦有限元進(jìn)行加載及仿真計(jì)算，輸出顱骨碰撞接觸部位上的接觸力-變形曲線，仿真結(jié)果不僅在力學(xué)曲線上和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似性較好，而且在骨折方式上也和實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yīng)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(yù)測(cè)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(duì)頭部損傷的影響。研究表明，碰撞速度對(duì)頭部HIC值影響較大，對(duì)顱骨骨折損傷的影響較明顯，接觸力會(huì)隨著碰撞速度的增加而增加。方向盤的傾斜角對(duì)頭部HIC值得影響較小，且在一定方向盤傾斜角范圍內(nèi)的接觸力最小。 本文研究基于50百分位中國(guó)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(shí)驗(yàn)對(duì)顱骨不同位置的損傷進(jìn)行了全面的探究，為今后車輛事故重現(xiàn)提供了參考。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：R651.15

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

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

本文編號(hào)：1295066