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汽车乘员胸廓包覆肝脏的碰撞生物力学响应与损伤评价研究

杜天亚  
【摘要】:在道路交通伤中,胸腹部创伤发生率仅次于颅脑和四肢伤,居第3位,而在致死原因中,胸腹部创伤仅次于颅脑创伤,居第2位。交通事故中胸腹部撞击伤常因司机与转向盘、安全气囊等部件或乘客与内饰件相撞引起,载荷类型多为钝性碰撞。其中,肋骨骨折是胸部交通伤的典型骨骼损伤类型,多发性肋骨骨折造成连枷胸是伤员的主要死因。与被广泛研究的胸部心肺损伤相比,腹部肝脏体积最大,仅部分被胸廓包覆,且对应转向盘下缘和正面气囊展开范围,碰撞时具有独特的动力学响应和损伤特征。研究驾驶员胸廓包覆肝脏碰撞生物力学响应特征,为改进驾驶员防护措施提供依据,必然成为乘员保护的重要课题。利用有限元方法建立具有精细解剖结构的胸腹部生物力学模型,在保证模型仿生可靠性的前提下,能够准确模拟汽车碰撞过程中胸腹部各组织的生物力学响应,认识外力到人体内部的力学传递关系,从应力-应变层次反映各组织的损伤机理与耐受极限。本研究拟针对汽车乘员胸廓包覆肝脏部位、采用数值模拟与实验研究相结合的方法,分别从模型构建、模型验证、一般钝性碰撞、标准工况碰撞等几个方面分析其生物力学响应和损伤特征,旨在发现汽车碰撞致伤的一般规律,促进汽车安全性设计中针对乘员胸腹部的防护。为了完成这一目标,在深入理解人体解剖学结构以及超弹性材料力学特性理论的基础上,开展人体肝脏(肝实质和肝包膜)低应变率拉伸实验获取材料力学数据,构建基于超弹性Ogden本构模型的肝脏材料模型;基于中国50百分位男性志愿者的医学影像数据,建立人体肝脏有限元模型,讨论多种建模方案对模型精度的影响选取合适的建模方案完成肝脏精细模型的构建;参考EEVC FID技术规程,对论文使用的中国50百分位男性生物力学模型CHUBM-M50(Chinese Human Body Model-50th percentile sized Male)的胸腹部模型碰撞仿生可靠性进行充分的仿真验证。结果表明,模型能较好模拟真实实验中的损伤情况,具有较高的碰撞仿生可靠性,可以应用于汽车碰撞安全设计和乘员损伤研究评价。利用CHUBM-M50进行胸腹部钝性碰撞仿真研究,从碰撞位置、碰撞方向、冲击速度等方面,研究不同载荷形式下人体胸廓动力学响应和肝脏动力学响应,并根据相应的耐受阈值对胸廓和肝脏进行损伤评估,分析不同载荷形式对响应特征和损伤情况的影响,总结出损伤与加载的一般规律。结果表明,胸廓结构对胸腹部等效刚度的影响很大,骨结构对内脏的保护作用十分重要。同一水平高度上,各力学响应均呈现出较好的对称分布,且正向碰撞的变形峰值比其它碰撞方向都高。同一碰撞方向,从上到下等效刚度逐渐减小,变形峰值逐渐增大,胸廓结构稳定性变差。碰撞方向的变化不会改变骨折严重程度,但会改变骨折水平分布位置;而碰撞高度会显著改变骨折数量,即胸廓损伤严重程度。肝脏变形可以大致分为三个阶段:移动、压缩和旋转,不同碰撞位置对肝脏造成的损伤严重程度和损伤位置都有显著影响,肝实质和肝包膜的力学行为和损伤机制有较大差异。被动约束系统调节参数对胸廓包覆肝脏损伤的影响也不容忽视。文中除了安全带限力值为出厂设定不可调节外,讨论的参数在驾驶员在实际操作中均可调节,例如安全带上滑环位置,以及安全气囊点爆前相对驾驶员的距离、角度等。总结调节参数对驾驶员胸廓和肝脏损伤的影响规律,结果表明,无限力器配置的安全带系统能够较好约束驾驶员胸腹部运动,但对胸腹部施加的约束力较大,造成胸廓变形剧烈,胸廓骨折损伤较为严重,而对肝脏的压迫不明显。4kN限力器安全带对驾驶员的约束效果在中低速碰撞时优于6kN限力器安全带。安全带上滑环位置仅显著影响驾驶员运动过程中的肩部旋转。气囊展开角度显著影响气囊对驾驶员胸腹部冲击力的大小,气囊与驾驶员的相对距离大小对冲击力峰值影响不大。安全气囊展开对胸腹部的冲击主要造成肝脏损伤,对胸廓影响较小。最后,初步搭建虚拟汽车碰撞试验平台,搭载具有高仿生可靠性能的人体生物力学模型,对实例车型进行安全性评价,在现有评价指标体系基础上尝试增加生物力学评价指标,直观表示人体所受到的损伤,形成一套完整且有效的基于生物力学评价体系的汽车虚拟碰撞试验方法。对比100%重叠碰撞和40%偏置碰撞结果可以看出,100%重叠碰撞对乘员胸腹部的加载较为对称,而40%偏置碰撞工况下胸腹部变形不对称;100%重叠碰撞时,驾驶员与转向盘发生二次碰撞区域主要集中在上腹部;40%偏置碰撞时,驾驶员与转向盘发生二次碰撞区域主要集中在胸部;偏置碰撞对乘员胸腹部造成的损伤比100%重叠碰撞严重。


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