行人膝关节碰撞损伤响应分析

论文摘要

随着中国汽车保有量急剧增加,道路交通事故迅猛上升,因交通事故引起的伤亡人数也逐步增加。特别是在以混合交通为主的中国,行人交通事故尤其严重,这其中行人的下肢损伤是导致行人致伤致残的主要原因,造成了巨大的经济损失和带来很多社会问题。构建具有详细解剖学结构的三维行人下肢损伤生物力学计算模型（有限元模型）是研究和理解下肢损伤中的生物力学问题,特别是行人膝关节损伤机理和损伤准则的重要手段,可为汽车安全性设计提供生物力学数据和理论指导,对减少和防护下肢损伤具有重要的理论意义和实际应用价值。本文从实际下肢解剖学结构出发构建了具有高生物仿真度的下肢有限元模型。首先,借助医学影像软件MIMICS提取了50百分位的中国成年男性CT图片的下肢组织,并重构具有三角形曲面的几何模型,包括第四五腰椎、骶骨和尾骨、髋骨、股骨、髌骨、胫骨和腓骨,以及整个下肢的皮肤等组织；其次,利用逆向工程软件Geomagic Studio对初始组织几何模型进行修补和平顺处理,生成具有NURBS曲线（Non-Uniform Rational B-Splines）的CAD模型,为后续网格划分做准备；再次,应用网格划分软件TrueGrid和Hypermesh对下肢几何模型进行网格划分和网格优化,构建整个下肢网格模型,该模型包括硬组织和软组织,硬组织包括四五腰椎、骶骨和尾骨、髋骨、股骨、髌骨、胫骨、腓骨、半月板、耻骨联合和各关节软骨等,软组织主要包括被动肌肉、各关节主韧带、下肢皮肽和各关节囊等；最后,根据尸体试验,设置仿真试验的边界条件,构建了完整的下肢有限元模型。应用有限元分析软件Pam-Crash对裸胫骨和小腿有限元模型进行三点弯曲仿真碰撞实验以及下肢有限元模型在20km/h速度下的剪切和弯曲仿真碰撞试验,用于验证所构建的下肢有限元模型的有效性。仿真结果表明,其生物力学参数响应如膝关节撞击力、膝关节剪切位移和膝关节弯曲转角等符合实际的尸体实验结果,还表明了膝关节主韧带的损伤形式也与尸体试验结果类似。这表明所构建的下肢有限元模型是有效的,并具有较高的生物仿真度,可以用作研究下肢损伤生物力学的计算模型。利用所构建的下肢有限元模型研究分析了不同高度（325mm和450mm）前保险杠车辆在中等车速32km/h下对下肢的侧面碰撞响应,分析了相应损伤机理,这为汽车保险杠的安全性设计提供理论。本文通过对行人下肢,主要是膝关节有限元模型的碰撞响应分析的研究,为后续的进一步完善下肢有限元模型和构建完整的人体有限元模型形成了一整套研究思路,为人体有限元模型的生物力学的研究奠定了坚实的基础,并为车辆安全性设计提供有力的依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 前言
• 1.1 我国道路交通安全发展现状
• 1.1.1 机动车辆及伤亡状况的概述
• 1.1.2 行人在交通事故中伤亡状况的概述
• 1.2 人体模型和下肢模型的发展现状
• 1.3 论文选题背景
• 1.4 本论文研究内容
• 2 人体下肢解剖学组织结构及膝关节损伤特征
• 2.1 下肢解剖学组织结构
• 2.1.1 人体切面术语
• 2.1.2 人体骨骼结构总述
• 2.1.3 下肢骨的组织结构
• 2.1.4 下肢骨的连结
• 2.2 膝关节损伤及其分类
• 3 下肢组织几何模型的构建
• 3.1 CT扫描机的发展
• 3.2 基于解剖学的下肢组织几何模型的构建过程
• 3.2.1 CT图片的选取
• 3.2.2 下肢组织的提取
• 3.2.3 初始几何模型的修复与平顺
• 3.3 本章小结
• 4 下肢有限元模型的构建
• 4.1 有限元法理论的概述
• 4.1.1 物体运动和变形的描述
• 4.1.2 应力张量及其之间的关系
• 4.1.3 数值积分法
• 4.2 有限元分析的基本步骤及其在下肢碰撞中的应用
• 4.3 应用软件的概述
• 4.3.1 单元类型的选择
• 4.3.2 TrueGrid和Hypermesh软件的简介
• 4.4 有限元模型的构建过程
• 4.4.1 TrueGrid网格划分
• 4.4.2 Hypermesh网格划分
• 4.4.3 网格单元检查与优化
• 4.4.4 单元类型和材料属性及参数
• 4.5 本章小结
• 5 下肢模型的有限元分析
• 5.1 Pam-Crash软件的介绍
• 5.2 下肢模拟碰撞有限元分析的影响因素
• 5.2.1 单元算法
• 5.2.2 沙漏效应
• 5.2.3 单元负体积
• 5.2.4 有限元模型的网格分布
• 5.2.5 接触算法
• 5.3 有限元模型的验证
• 5.3.1 尸体试验的选择
• 5.3.2 仿真试验条件的设置
• 5.4 有限元模型的碰撞结果及分析
• 5.4.1 碰撞仿真结果
• 5.4.2 讨论与分析
• 5.5 下肢有限元模型的局限性
• 5.6 本章小结
• 6 行人下肢有限元模型的应用
• 6.1 下肢有限元模型在车辆碰撞中的应用
• 6.1.1 不同高度的前保险杠车辆对下肢的仿真碰撞试验分析
• 6.2 行人下肢在行人-车辆碰撞环境中的防护措施
• 6.3 本章小结
• 7 结论和展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 8 参考文献
• 9 攻读硕士学位期间发表论文情况
• 10 致谢