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反映中国人体特征的参数化下肢建模与乘员碰撞损伤研究

杜雯菁  
【摘要】:汽车在为人们带来便利的同时,也带来了交通事故和人员伤亡,在正面碰撞事故中,下肢是最容易受到伤害的部位。有限元仿真分析被广泛用于乘员保护研究,现有人体有限元模型没有考虑性别、年龄、身高和身体质量系数等人体特征的多样性,且下肢模型几何尺寸来自美国人体,而中美人体下肢差异尚未得到充分研究。本文提出了参数化下肢建模流程和方法,旨在基于中国人体CT数据建立反映中国人体特征的参数化下肢有限元模型,研究人体特征参数对下肢几何形态和碰撞损伤响应的影响,并同步建立美国人体下肢模型,探究中美人体下肢几何形态和碰撞损伤响应差异。本文提出了适用于参数化下肢建模的表面投影方法和基于CT扫描的下肢密质骨厚度估算方法,开展了尸体试验,标定并验证了估算方法中的关键参数。基于中美人体下肢CT扫描数据,本文通过标志点识别、网格变换与表面投影、密质骨厚度估计和主成分与回归分析等主要步骤,建立了以人体特征参数为自变量的包含骨骼形状尺寸和密质骨厚度分布的下肢统计学模型,并研究了人体特征参数对上述骨骼几何形态的影响。结果表明,人体特征参数对下肢骨骼形状尺寸具有显著影响,但影响方式在中美人体之间存在差异,人体特征参数对密质骨厚度分布也具有显著影响,且中美人体下肢骨骼形状尺寸和密质骨厚度分布存在显著差异。基于统计学模型,本文提出了下肢有限元模型密质骨厚度调整方法和单元质量自动检查与修正方法,建立了参数化下肢有限元模型。依据尸体试验数据,验证了股骨模型的生物仿真度和建模方法有效性。结合其他人体部位模型,本文进一步建立了完整的参数化人体模型,并依据尸体试验数据验证了膝盖-大腿-臀部模型的生物仿真度,同时生成了一系列具有不同人体特征参数的中美乘员有限元模型。最后,本文建立了面向多体征人体有限元模型的碰撞仿真分析流程,并开展了正面偏置碰撞的仿真分析,重点研究了乘员下肢损伤。结果表明,老年、肥胖和女性乘员的下肢损伤风险更高,相同碰撞工况下,具有相同人体特征参数的中美乘员下肢碰撞载荷没有明显差异,但中国乘员股骨的高应力区域大于美国乘员股骨,当考虑人体特征参数分布在中美人群中的差异时,中国人群的下肢损伤风险比美国人群低12%。本文建立的参数化模型可为研究不同碰撞工况下乘员损伤响应和易损伤乘员保护以及乘员约束系统优化提供参考和帮助,并为提出适合中国人体特征的损伤指标提供理论和实践基础。


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