肥胖对乘员碰撞损伤影响机制的研究进展

现有汽车安全设计和法规主要是基于标准体型的50百分位人群,在肥胖人群不断增长的趋势下,研究肥胖乘员的碰撞损伤和防护越来越重要。现有研究中多采用事故统计分析、尸体实验、多刚体模型和有限元模型等方法 探讨肥胖乘员的损伤机制,肥胖对乘员的碰撞损伤主要有泡沫效应假说、躯干几何形状变化假说和质量效应假说等多种提法,可见肥胖乘员的损伤机制尚不明确。在全面总结肥胖乘员的碰撞损伤机制基础上,阐述当前肥胖乘员碰撞损伤研究所面临的问题及未来研究的发展方向。     

应用于头部损伤生物力学研究的三维有限元模型发展概况

在交通事故中,头部损伤因其高发率和高致命率成为最严重的损伤.为了研究头部损伤,出现了一系列诸如物理试验、动物试验及尸体试验等研究方法.近年来,随着计算生物力学的发展,人体头部的有限元模型逐渐成为研究头部损伤生物力学的重要工具,文中就头部有限元模型的发展过程及最新进展进行了较为全面的综述,并探讨了该领域未来需要研究的问题.     

生长板材料属性对6岁儿童乘员膝关节损伤影响分析

目的构建较高仿真度的6岁儿童乘员下肢有限元模型,验证6岁儿童乘员膝关节的有效性;分析在前碰撞载荷下生长板对儿童膝关节的生物力学响应及损伤机制。方法基于儿童生理结构及CT影像构建包含生长板的6岁儿童乘员下肢有限元模型,赋予相应的材料属性;参照Kerrigan等及Haut等的生物力学实验,验证模型的有效性,分析不同生长板材料属性对膝关节损伤的影响。结果通过模型仿真实验与生物力学实验曲线对比验证了模型的有效性;在膝关节区域,生长板的存在可以改变儿童乘员下肢骨折的损伤模式;不同生长板的材料属性,可以影响股骨轴向损伤力的阈值及达到损伤阈值而发生骨折的相对位置。结论所建模型得到有效验证,可用于6儿童乘员膝关节损伤生物力学响应及损伤机制的相关研究及应用。     

国人第 5 百分位女性行人下肢生物力学计算模型开发及应用

目的 预测与评估行人-汽车碰撞中小身材女性行人下肢的生物力学响应及损伤机制。 方法 基于符合国 人第 5 百分位女性特征的志愿者 CT 影像数据,重构具有详细解剖学结构的下肢几何模型,进行表面处理和网格化 后,构建下肢有限元计算模型。 重构动态三点弯曲尸体试验以及高速载荷下膝关节横向弯曲和剪切尸体试验,对 模型进行有效性验证。 应用该模型参照 Euro NCAP 技术公告 TB024 设置 4 组行人下肢-汽车碰撞仿真试验,探究 第 5 百分位女性行人下肢损伤机制。 结果 通过对比仿真试验与尸体试验结果,验证该模型具有较高的生物仿真 度。 在 4 种不同车型仿真试验结果中,SUV 车型对下肢损伤最轻。 小身材女性下肢股骨最易发生骨折,长骨最先 骨折,使得膝关节韧带未见损伤。 结论 本文所建下肢有限元模型作为国人第 5 百分位整人模型开发的一个重 要组成部分,为模型研发奠定基础。 研究结果对小身材女性行人损伤机制研究和行人保护装置研发有重要的应 用价值。     

足部有限元模型的构建与验证

背景：目前国内所建的足部模型大部分是采用自动划分网格的四面体有限元模型,虽然四面体网格自动剖分技术给三维实体的有限元网格自动剖分带来了极大的方便,但力学性能较差。 目的：基于CT图片构建六面体网格足部有限元模型。 方法：选取中国正常男性人体足部的CT数据,利用Mimics软件对足部几何模型进行重构,运用NURBS 曲面的节点插入算法,对足部几何模型进行了细化,构建了具有较高生物仿真度的人体足部有限元模型,利用Pam-crash软件对模型进行了碰撞仿真分析。 结果与结论：仿真结果与尸体实验结果基本一致,证明模型可信。实验基于CT图片构建的六面体网格足部有限元模型,添加了足底肌肉、肌腱、皮肤等结构,更真实的反映了足部解剖学结构特征,进而提高了有限元模型的质量,更能有效地研究足部损伤机制,从而为提高汽车安全性设计提供参考依据。     

基于自适应响应面法的脂肪组织材料参数反求

不同文献中的脂肪组织材料参数相差很大,人体有限元模型中脂肪组织的生物仿真度有待提高。本研究构建了脂肪组织压缩试验有限元模型,采用Ogden超弹性材料本构并进行筛选试验设计,确定其各个因子对目标响应的影响程度,选择Ogden系数与剪切松弛模量两项对目标响应影响较大的参数作为反求目标。利用有限元方法与优化策略相结合,基于自适应响应面法对脂肪组织的材料参数进行反求,将反求得到的材料参数应用于仿真中,得到仿真曲线与实验曲线的相关系数为0.98876。研究结果表明,应用基于反求策略得到的材料参数输出的仿真曲线与实验曲线高度吻合,在仿真中采用该反求方法获得的脂肪组织材料参数具有更高的生物仿真度。     

关于头部组织材料性能敏感性对颅内压力响应的研究

应用有限元法 (finiteelementmethod)和试验设计技术 (design of experimentDOE)研究人头部颅骨(skull)、脑脊液 (cerebral spinal fluidCSF)和脑髓 (brain)材料性能的敏感性对颅内因撞击而产生的压力响应。该研究采用头部的有限元模型 ,用三因子、三层次的因子试验设计对影响颅内因撞击而引起的压力的颅骨、脑脊液和脑髓的材料性质的敏感性进行分析。研究结果进一步证实了颅骨、脑脊液、脑髓的材料性能对颅内因撞击而引起的压力的重要影响。本研究为进一步的头部的有限元分析提供了新的见解 ,并提出了对头部组织的材料性能作更进一步的探索。     

第95百分位中国人头部颅脑相对位移的有限元评估

目的构建第95百分位中国人头部有限元模型,分别参照4种不同类型的颅脑相对位移试验对其进行有效性验证,并评估颅骨与脑组织之间的相对位移,同时探讨脑组织的剪应变分布。方法比较试验与仿真中的颅脑相对位移曲线,并结合动物试验和物理试验中所得出的结论,探讨较高剪应变出现的位置。结果仿真所得的颅脑相对位移曲线与试验结果基本吻合,由于脑组织总是恢复到初始状态,曲线总是出现波峰和波谷。较高剪应变出现在大脑颞叶、胼胝体和脑表面的位置,与动物试验和物理试验中所得出的结论较为相符。结论第95百分位中国人头部有限元模型具有良好的生物仿真度。由于头部的旋转运动,脑表面和脑组织深处都会出现较高的剪应变,从而导致损伤,故本文的研究结果为开展在交通事故中头部损伤机理的研究提供了科学的理论依据。     

头部旋转运动中儿童头部尺寸和几何形状对脑组织损伤指标的影响

外伤性脑损伤(traumatic brain injury,TBI)是引起儿童致死致残的主要原因,许多研究借助有限元方法探讨头部跌落过程中儿童颅骨的损伤风险,但少有研究侧重于儿童脑损伤及其损伤机理。作为儿童脑损伤的初步研究,有必要基于生物仿真度较高的人类头部有限元模型,首先考虑头部尺寸和几何形状对脑组织生物力学响应的影响。因此,本研究基于由天津科技大学开发的第50百分位成人、6岁儿童和3岁儿童头部有限元模型,重构了NFL(national football league,NFL)头部碰撞试验,推导出不同年龄的头部在形状和尺寸方面的差异,以及这些差异对脑组织损伤指标的影响。结果表明,脑组织最大主应变和累积应变损伤测量(cumulative strain damage measure,CSDM)随头部尺寸的增大而增大,但与头部几何形状不敏感。本研究作为儿童脑损伤的基础研究,全面阐述了开发儿童头部有限元模型研究儿童脑损伤的重要性。     

6岁儿童全颈有限元模型的构建及验证

目的利用6岁儿童颈部有限元模型预测不同载荷下颈部损伤的力学响应。方法基于CT图像构建具有真实肌肉的6岁儿童颈部有限元模型,应用该模型通过分别重构儿童颈椎不同节段的动态拉伸实验、全颈椎拉伸实验和儿童志愿者低速碰撞实验验证其有效性。结果不同椎段拉伸仿真试验和全颈椎拉伸仿真试验中的力-位移曲线能够较好吻合实验曲线;儿童志愿者仿真试验的头部角速度-时间历程曲线位于实验数据通道内,吻合较好。结论该模型有效性得到验证,可用于研究儿童颈部不同载荷条件下的生物力学响应及损伤机制。