姚剑峰[1]2002年在《人体颈部有限元模型的建立和验证》文中研究表明颈部损伤是车辆交通事故中最为常见的一种形式，由于其高发生率和带来的长期后遗症，给社会造成了巨大的经济损失。改进汽车的安全性和减少由于交通事故带来的损失是车辆工程领域的一个重要研究课题。本论文的目的是通过建立一个颈部的有限元模型来分析研究汽车前碰撞中汽车乘员颈部的生物力学响应和损伤参数，从而为我国汽车工业界开展颈部防护装置的研究提供重要手段。为此目的，在本课题工作中建立并验证了一个头颈部有限元模型。 头颈部有限元模型按人体解剖学结构建立，其中包括头骨、7块椎骨、椎间盘、小关节、韧带、肌肉和软骨。头骨模型由1190个壳单元构成，椎骨模型由12941个壳单元构成，椎间盘由566个体单元构成，小关节和软骨由848个体单元构成，韧带由205个弹簧单元构成，肌肉由61个杆单元构成。模型中各组织的材料特性参数由文献研究获得，其中头骨和椎骨定义为刚性材料，椎间盘和肌肉定义为粘弹性材料，韧带、小关节和软骨定义为弹性材料。模型的边界和载荷条件根据车辆前碰撞实验条件确定。模型用志愿者前碰撞实验数据进行了验证，其头部的加速度、位移曲线与实验数据吻合的较好。 本文中初步研究了软组织特性参数对于颈部运动的影响。结果表明，椎间盘参数对于颈部的整体刚度和动力学响应有较大的影响，颈部肌肉对于颈部运动起了稳定的作用。 该模型具有较高的生物逼真度，可对头颈部的动力学响应诸如头部的加速度、速度、位移等进行计算，也可对颈部局部的应力应变响应进行计算。该模型的建立将对国内的颈部损伤研究和损伤防护技术的开发起到一定的作用。
万鑫铭[2]2005年在《基于虚拟试验的汽车前碰撞安全气囊防护效率的研究》文中指出当今世界上每年因汽车交通事故造成了巨大的人员伤亡和社会经济损失，汽车安全性问题引起了各个国家的高度重视。实践表明安全气囊是乘员在汽车碰撞中重要、有效的保护设备，在欧美等工业化发达国家已经成为轿车必备的安全装置。在我国，近年的新车基本上都安装了安全气囊。然而，交通流行病学研究表明，前碰撞安全气囊在提供乘员保护的同时，也会给部分乘员，尤其是离位的矮个子女性乘员和儿童造成伤害，因此如何发挥安全气囊的最大保护效果，同时减小其不利作用是气囊约束系统研究需要解决的关键问题。为此，本文主要研究了汽车前碰撞安全气囊的设计和匹配；并针对气囊对离位乘员的致伤问题，研究了气囊折迭方式对气囊展开作用的影响、以及气囊展开对头颈部损伤的影响。 本文介绍了汽车前碰撞安全气囊研究的主要方法和基础理论，以仿真软件MADYMO和DYNA为主要研究工具，建立验证了驾驶员侧和乘员侧安全气囊有限元模型，以及动态模拟汽车驾驶室变形的多刚体模型，研究了气囊体积、排气孔尺寸、气体质量流速和起爆时间等主要参数对乘员损伤的影响，利用优化软件MADYMIZER进行了模型的优化分析，在多个参数中找到了合理的最优值，并通过试验验证了优化模型的有效性。 通过气囊展开力学过程的虚拟试验，分析了影响气囊展开压力变化的因素。在此基础上，提出了安全气囊的环向折迭方法，自行开发了基于初始矩阵法(IMM)算法的参考网格模型和映射网格模型自动生成程序。实现了基于气袋直径、折迭次数、折迭环间距和网格密度等参数的参数化设计，并通过算例对建模过程和映射算法进行了验证。建立了对称折迭、卷式折迭和环向折迭等折迭方式的气囊模型，并基于气囊静态起爆、碰块冲击和转向盘气囊总成等虚拟试验分析了各气囊折迭方式对应的气囊压力和相应的接触物体的动力学参数。利用5百分位和50百分位的Hybrid Ⅲ假人进行了胸部靠近气囊总成和头部靠近气囊总成布置形式的离位乘员虚拟实验。结果表明：自行开发的“自动生成程序”可以快速、准确地生成参考网格模型和映射网格模型。气囊展开过程经历了两个明显的阶段，即0～20 ms的初始展开阶段和20～100 ms完全展开工作阶段。与环向折迭气囊相关的损伤值基本都小于对称折迭气囊的对应值，两种实验布置形式中损伤值都随着假人和气囊总成的距离增加而减少，小体位的女性假人比大体位的男性假人更容易受损伤。 基于湖南大学建立的50百分位头颈部有限元模型(HBM-neck)，采用实体单元对该模型进行了改建，并对改建的模型进行了验证和参数灵敏度分析。建立了Hybrid Ⅲ假人的模型，利用湖南大学进行的台车试验对该模型进行验证。以验证
胡伟[3]2015年在《前碰中颈部肌肉主动力对头颈部动力学响应影响的研究》文中认为相关统计表明,现代交通事故中颈部受伤的比例很大且有上升的趋势。虽然颈部损伤不是致命伤,但是由于对其损伤机理的认识还不够清楚,颈部损伤往往很难诊断和根治。数值仿真模型不仅能模拟志愿者试验以真实还原乘员碰撞情景,不受试验风险和伦理学上的严格限制,而且相对于机械假人具有更高的生物逼真度和可重复性。因此,具有良好生物逼真度的假人模型能够帮助研究人员更加深入了解事故中头颈部的损伤机理。本文目的在于建立具有真实几何特征及颈部肌肉主动响应的前碰撞假人,并通过该假人分析在前碰撞中肌肉主动力及假人有无意识也就是主动力有无加载延迟对头颈部响应的影响。本文首先介绍了前碰中颈部损伤的研究历史和现状,总结了事故中颈部的损伤机理及前人相关的建模资料。学习人体颈部解刨学结构和颈部生物力学;针对某一整车有限元模型基于相同的实验设置将其碰撞仿真结果与实验数据进行对比,以验证模型的有效性。参考相关设计参数,利用有限元软件建立了包含座椅、地板、叁点式安全带在内的乘员约束系统模型;基于具有真实肌肉几何特征和动力学响应的头颈部有限元模型和Hybrid III假人建立适用于前碰撞仿真分析的混合假人模型;通过美国海军生物力学实验室志愿者台车试验结果数据对假人有效性进行验证。验证结果表明该混合假人适用于前碰撞的仿真研究。通过该混合假人模型研究在低、中、高速前碰撞中,颈部肌肉主动力及假人有无意识也就是主动力有无提前加载对头颈部响应的影响。结果表明在低、中、高速前碰撞中,颈部肌肉主动力都能有效的降低头部动力学参数和颈部生物组织的应力应变;碰撞前乘员具有危险意识也就是颈部肌肉主动力提前加载同样会降低头部动力学参数和颈部生物组织的应力应变,能够有效降低头颈部的损伤风险。在本文研究中由于缺乏前碰撞中颈部肌肉激活程度的相关实验数据,混合假人颈部肌肉激活程度曲线是基于假人响应对激活程度的逆推。下一步研究是运用肌电测试仪对前碰撞中颈部肌肉激活程度进行研究以完善模型。
高伟[4]2008年在《汽车侧碰撞中叁岁儿童乘员的动力学响应和损伤防护研究》文中提出我国车辆交通事故导致的儿童死亡率是欧洲的2.5倍,美国的2.6倍。Williamson et al(1995/2000)的有关研究表明:在美国3-4岁的受伤儿童乘员占整个受伤儿童乘员的45.5%。在侧碰撞中,由于被撞车门的侵入而产生的直接载荷,使坐在靠近碰撞侧的儿童乘员受到严重损伤和致命损伤的风险大大提高。因此,为了提高我国儿童尤其是初学走路的儿童乘车的安全性,开展对侧面碰撞中叁岁儿童乘员损伤防护的研究具有重要意义。本文的目的是通过建立并验证的儿童约束模型及后车门总成模型,运用PSM子结构法来研究汽车侧面碰撞中叁岁儿童乘员的动力学响应及其损伤机理,从而为提高我国儿童乘员乘车的安全性及其损伤防护提供一个有效的方法和手段。用多刚体动力学仿真模块MADYMO和有限元模块耦合的方法建立后车门总成模型和儿童约束系统模型,并对上述模型根据试验进行了验证,并在此基础上研究了儿童约束系统的相关设计参数对儿童乘员响应的影响。用多刚体动力学仿真的方法建立了五点式儿童座椅安全带、配有碟形防护扶手的“叁点式”儿童座椅安全带和T形防护板与肩部织带组合式的儿童座椅安全带仿真模型,并在不同的碰撞速度下对这叁种形式的儿童座椅安全带对叁岁儿童乘员的运动学、动力学响应进行了对比分析,从而对不同形式的儿童座椅安全带对儿童乘员损伤保护效果做出初步的评价。本论文仿真分析研究工作可得到如下主要结论:(1)儿童安全座椅侧翼的深度、儿童座椅安全带开孔位置、儿童座椅安全带刚度、儿童座椅与成人座椅之间的摩擦系数和儿童乘员与儿童安全座椅之间的摩擦系数这五个参数对儿童乘员响应的影响比较大,适当地调整这些设计参数可以降低儿童乘员在侧面碰撞中的受伤几率。(2)配有碟形防护扶手的“叁点式”儿童座椅安全带对儿童乘员的保护效果最好,“五点式”儿童座椅安全带次之,T形防护板与肩部织带组合式儿童座椅安全带的保护效果最差。本文的研究结果对国内的儿童乘员损伤研究和损伤防护技术的开发具有一定的参考价值。
许伟[5]2004年在《汽车碰撞事故中乘员头颈部生物力学响应的有限元分析和研究》文中研究表明在各种类型的车辆交通事故中人体头颈部是最常见到的致伤部位,而且往往是严重或致命的创伤。交通事故中头、颈部的损伤不仅具有高发性,而且事故幸存者往往伴随有长期后遗症。头颈部创伤的救治及其导致的各种能力的丧失、经济赔偿问题造成了巨大的社会、经济的损失。因此头颈部交通伤的损伤机理的研究及其防护技术在世界各国都受到高度重视,并投入了大量人力物力进行研究。 本文的目的是通过建立并验证一个头颈部有限元模型来研究在汽车碰撞事故中人体头颈部的动力学响应和损伤机理。从而为我国汽车安全性和头颈部创伤防护研究提供一个有效的方法和手段。 在损伤生物力学研究中,头颈部有着复杂的解剖学结构和不同材料特性的组织,这些因素决定了很难用高度简化的数学模型来描述头颈部碰撞生物力学响应的问题。因此在本论文课题中采用了能够描述大变形大位移的非线性动态显式有限元方法,建立了一个人体头颈部有限元模型。 建立的头颈部有限元模型是基于一个正常的50百分位人体的解剖学结构。头部模型山头骨、脑组织构成,颈部模型由椎骨与椎间盘、韧带、肌肉等软组织构成。整个模型包括17,758个节点和21,803个单元。根据相关文献对模型中各种组织的材料参数分别采用弹性和粘弹性材料模型进行了设定。完成的模型进行了前碰撞和追尾碰撞的验证计算。边界和载荷条件根据志愿者实验的数据确定。验证结果数据曲线与实验数据吻合较好。 通过验证的模型随后被用于研究软组织材料特性对颈部动力学响应的影响的参数分析工作。研究表明,椎间盘参数对于头颈部的动力学响应具有重要的影响,椎间盘刚度增加会增加颈部的刚度,而刚度减小将使颈部响应量增加。韧带对于限制颈部的过度运动具有重要的作用,而肌肉在被动受力的情况下对颈部影响不大,但也有一定的稳定作用。 研究结果表明,建立的头颈部有限元模型能较好的模拟人体头颈部的动力学响应,具有较高的生物逼真度,可以用于颈部损伤的防护研究。因此该模型的建立和完善将对国内损伤生物力学研究和汽车乘员防护研究起到积极的推动作用。经过改进的头部模型可以用于颅脑创伤和防护技术研究领域。
何鸿曦[6]2017年在《汽车后碰撞中乘员颈部损伤分析及应用研究》文中研究说明汽车后碰撞事故会引起约90%的乘员颈部损伤,该事故造成大量人身伤害和经济损失。因此,研究汽车后碰撞中颈部生物力学响应与损伤,提出与颈部损伤直接相关的头枕设计方案十分必要。运用Mimics软件提取CT图像中的叁维信息,获取高精度颈椎叁维几何模型,结合解剖学结构建立C1-T1椎骨、7个椎间盘、10组韧带、24对肌肉以及部分软骨的颈部有限元模型。韧带模型包括前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、翼韧带、棘上韧带、棘间韧带、横突间韧带、寰枕横韧带、寰枕后膜以及关节囊韧带。肌肉模型包括前斜角肌、后斜角肌、中斜角肌、半棘肌、多裂肌、头最长肌、颈最长肌、头夹肌、颈夹肌、肩胛提肌、头下斜肌、头上斜肌、头前直肌、头后大直肌、头后下直肌、头外侧直肌、肩胛舌骨肌、上后锯肌、胸锁乳突肌、斜方肌、头长肌、颈长肌、胸骨舌骨肌、胸骨甲状肌。利用所建模型对无肌肉颈部和有肌肉颈部的动态响应进行有效性验证,无肌肉头颈部模型参考Nightingale等人头颈部尸体轴向冲击试验,有肌肉头颈部模型参考Davidson等人后碰撞志愿者试验。验证结果显示,两组模型的仿真数据与试验数据基本一致,证明模型能有效地反映人体头颈部的运动学响应和生物力学响应,可用于汽车后碰撞中的颈部损伤研究。将验证后的头颈部模型、已验证的人体模型、座椅模型和安全带模型装配成后碰撞仿真系统,模拟C-NCAP 2015后碰撞工况,改变头枕与乘员头部水平距离和竖直距离以及头枕倾角评价头枕位置对颈部损伤的影响。结果表明头枕与乘员头部水平距离对颈部损伤影响最大,距离越长颈部损伤越严重,但距离过短时,乘员在安全带的约束下,头部会反复与头枕碰撞,头枕与头部保持适当水平距离并保证不发生反复碰撞时,NIC值相对降低11%~26%。头枕与头部竖直距离在头枕顶端与头部顶端平齐时,头部与头枕接触受力最小,NIC值相对降低约13%。头枕倾角影响头部反作用力方向,进而影响颈部屈曲运动,头枕逆时针小角度倾斜时,NIC值相对降低6%~11%。
肖志[7]2007年在《汽车后碰撞中乘员颈部损伤防护的研究》文中研究表明世界上每年因汽车交通事故造成了巨大的人员伤亡和社会经济损失,汽车安全性问题引起了世界各国的高度重视。汽车后碰撞中颈部是最常见的人体损伤部位。大约90%的后碰撞颈部损伤是低速碰撞(ΔV≤25km/h)造成的,并且大多数的颈部损伤都属于AIS1轻微伤。颈部损伤的高发生率和经常造成的长期症状,使患者承受巨大的痛苦,给社会带来巨大的经济损失。本论文主要目的是通过研究后碰撞中头颈部的动力学响应和损伤机理,为开发更安全的座椅约束系统提供有效的工具和提出合理的设计方法与指南。汽车后碰撞中颈部损伤的研究方法主要包括碰撞试验方法和计算机仿真方法。本文以虚拟仿真研究为主要手段,台车碰撞实验为辅助手段,从两个层次上对头颈部在汽车后碰撞中的响应进行了研究:(1)使用多刚体模型研究颈部的整体动力学响应,如颈部载荷、转动角度和加速度等;(2)使用基于人体解剖学结构的有限元模型分析颈部的局部生物力学响应和损伤机理,如韧带伸长率、椎间盘应力等。分析了影响颈部损伤风险的主要因素及其影响规律,提出了减小颈部损伤风险的方法。使用Hybrid III假人进行了汽车后碰撞的台车试验,对Hybrid III假人的动力学响应进行了分析。使用MADYMO软件,对比分析了Hybrid III假人和BioRID II假人在后碰撞中的动力学响应,并通过JARI志愿者试验结果评价了两个假人模型的逼真度。分析表明,BioRID II假人能够较好的模拟汽车后碰撞中人体脊柱的伸展和向上滑移过程,BioRID II假人的脊柱结构具有更高的生物逼真度,而Hybrid III假人的脊柱在汽车后碰撞中过于僵硬。在MADYMO软件平台上,建立了后碰撞乘员颈部动力学分析的多刚体模型,模型包括BioRID II假人多刚体模型、汽车和座椅的多刚体模型、安全带模型。使用该模型,分析了头枕位置、靠背刚度分布、调角器刚度等座椅参数、以及碰撞速度和加速度对颈部整体动力学响应的影响。模型输出参数包括假人头部的转动角度、相邻颈椎的相对转动角度、胸部加速度、颈部弯矩等。使用颈部损伤准则Nkm值和NIC值来评价颈部损伤的风险。指出NIC和Nkm值和BioRID II假人一起,能够较好的预测实际事故中颈部损伤的风险和评价汽车座椅颈部损伤防护性能的水平。建立了后碰撞乘员颈部损伤生物力学分析的有限元模型,该模型由基于人体解剖学的HBM-neck有限元头颈部模型、BioRID II有限元假人模型、汽车座椅和安全带模型组成。HBM-neck颈部有限元模型详细的描述了人体颈部的结构,如椎骨、椎间盘、韧带和肌肉等。BioRID II假人有限元模型包含了类似人体的脊柱结构,脊柱由24块通过铰链连接的椎骨组成,假人模型经过了Linder摆锤冲击试验和JARI志愿者后碰撞试验的验证。使用HBM-neck模型和BioRID II假人有限元模型建立了混合乘员有限元模型。混合乘员有限元模型可以更加逼真的模拟脊柱与靠背的相互作用,并且可以分析颈部的局部生物力学响应和损伤机理。使用后碰撞乘员颈部损伤生物力学分析的有限元模型,研究了座椅设计参数和碰撞强度对颈部软组织损伤风险的影响和各种情况下颈部损伤的原因。研究的颈部响应参数有:韧带伸长率、椎间盘载荷和应力、椎骨皮质骨和松质骨应力等。分析了各种碰撞情况下的乘员颈部损伤机理。头枕距离和高度对颈部组织的损伤参数有很大影响,随着头枕距离的增大和头枕高度的降低,颈部组织的损伤风险增大;适当的减小靠背上部刚度和增大靠背下部的刚度有利于减小颈部组织的损伤风险;安装刚度特性合适的可变形调角器,可以减小颈部组织的损伤风险;碰撞加速度比碰撞速度对颈部组织的损伤风险有更大的影响,减小碰撞加速度尤其是头部与头枕接触之前的加速度非常有利于减小颈部损伤风险。研究结果表明通过以下措施可以有效地降低颈部损伤参数:增大头枕高度和减小头枕距离;适当减小靠背上部刚度和增大靠背刚度;安装合适刚度的角度调节器减小乘员胸部加速度;增大座椅的吸能能力,减小乘员的回弹。
何欢[8]2007年在《车辆翻滚仿真技术与应用研究》文中进行了进一步梳理随着汽车保有量的增长,道路交通事故己经成为世界性的一大社会问题。最近的交通事故统计表明:虽然汽车翻滚引起的交通事故比例低于正面碰撞、侧面碰撞,但其死亡率、致伤率则相当高。汽车车顶以及侧面是车体中强度较薄弱的部位,在翻滚过程中,该区域缓冲吸能性能差,同时车顶容易发生大变形,乘员面临的损伤风险很高。因此,开展汽车动态翻滚安全性研究,对于提高我国汽车产品的被动安全性具有重要意义。本文借助于计算机仿真手段,首先对汽车翻滚试验通用HybridIII-50th男性可变形假人进行了标定以使其具有良好的生物拟合特性;其次建立了乘员约束系统有限元模型并进行了运动仿真以验证约束系统的有效性。在此基础上,建立了国内某轿车的整车(包括乘员约束系统)有限元模型,同时参照法规建立了平台车有限元模型。随后进行了该车的动态翻滚仿真,针对轿车与乘员的运动轨迹、车顶变形、人体损伤及约束系统约束效能等四方面进行了仿真结果的评价;在仿真结果的基础上,提出了3H车身改进方案并进行了数值仿真计算,就车顶变形与人体损伤两方面,对改进前后仿真结果进行了比较。所有研究结果表明:①整车动态翻滚轨迹与实验资料吻合较好,验证了仿真结果的可靠性;②车顶在冲击地面的过程中出现了大变形,严重影响了左前侧乘员的生存空间;③人体头部加速度、颈部弯曲与伸长(外翻)力矩、胸部压缩量、膝部冲击力均符合法规要求,但颈部压缩力不符合法规要求,乘员约束系统约束效能良好;④过大的颈部压缩力主要是由车身结构设计缺陷所致,需进行车身的耐撞性设计;⑤通过3H车身结构改进,车顶大变形明显减轻,颈部压缩力明显减小且达到法规要求,同时人体其他主要损伤指标也有所减小。本文在模型建立过程中、仿真计算中、结果数据处理中涉及到的关键技术,为日后进一步研究车辆动态翻滚奠定了基础;在翻滚过程中,乘员在车内的运动轨迹为不同时间内采用不同的保护措施提供了参考;汽车的翻滚轨迹为日后的防撞性设计、耐撞性设计提供了参考;耐撞性设计思想及其设计方案等,同样也可以为汽车被动安全研究者、汽车企业提供一定的指导。因此,本文的研究具有重要的现实意义。
曹迎春[9]2015年在《基于颈部肌肉主动力的乘员后碰撞颈部损伤机理与防护研究》文中认为颈部损伤是交通事故中最常见的损伤,也是最致命的损伤形式之一,往往会导致伤者伴有长期的后遗症,给社会和个人造成巨大的经济负担和精神损失。多年来研究者们进行了大量的试验和数值研究,但由于颈部复杂的解剖学结构及生物力学特性,人们仍无法确定颈部的损伤机理。因此,通过对乘员颈部损伤机理的研究,特别是考虑肌肉主动力作用的影响,对减轻颈部损伤保护乘员安全具有积极的意义。本文目的在于建立具有较高生物逼真度的可模拟肌肉主动力的乘员头颈部有限元模型,并在后碰撞条件下验证其有效性;研究后碰撞中颈部肌肉主动力对头颈部动力学响应及颈部生物力学响应的影响,为开发设计更安全的座椅约束系统提供理论依据。本文首先以50百分位成年男性颈部的MRI资料为依据,重建了人体颈部肌肉的叁维模型,采用克里格插值方法将其与头颈基础模型进行匹配,并划分网格定义颈部肌肉的主被动材料属性,在后碰撞条件下验证建立的头颈模型的有效性。然后采用建立的头颈有限元模型、Bio RID II假人有限元模型躯干部分、安全带模型和座椅模型建立了用于分析颈部损伤生物力学的后碰撞混合模型,并对该模型进行了有效性验证。最后在颈部肌肉处于主、被动两种响应状态时,分析了不同碰撞强度对乘员头颈部动力学响应和颈部生物力学响应的影响,同时分析了座椅几何参数对颈部损伤的影响,并提出减轻颈部损伤的方法措施。研究结果表明,建立的头颈有限元模型的验证结果与志愿者试验结果吻合较好,具有较高的生物逼真度;建立的后碰撞混合模型可以较逼真的模拟后碰撞时脊柱与座椅的相互作用,并可以对颈部各椎骨、椎间盘及韧带的生物力学响应进行分析;随着碰撞加速度的增加,头部最大位移、头部质心加速度、NIC等参数值均随之变大。相同碰撞条件下,激活态模型的各损伤值均小于被动态模型,特别是在低强度碰撞脉冲下,可见颈部肌肉主动力对乘员颈部起到一定的保护作用。通过分析座椅几何参数对乘员颈部损伤的影响可得,适当减小头枕与头部水平距离、增加头枕高度以及减小座椅靠背刚度,可降低乘员颈部损伤的发生几率。
蒋小晴[10]2014年在《基于人体有限元模型的汽车前碰撞中驾驶员下肢损伤生物力学研究》文中认为随着安全带配带率的提升及安全气囊在汽车中的普遍使用，乘员头部及胸部在交通事故中受到严重损伤的比例持续降低。美国NASS/CDS的1993－2001年事故统计结果显示，在前碰撞所有AIS2+损伤中，下肢占36%，损失的生命年（LLI）所占比率达到了46%，下肢损伤已超过头、胸部成为事故中受到中等程度及以上（AIS2+）损伤风险最大的部位。下肢损伤一般不是交通事故中导致乘员死亡的直接因素，但其恢复期较长、且会导致巨大的伤痛、下肢生理机能丧失甚至残疾，是汽车碰撞安全研究中不容忽视的问题。为了更好地分析乘员下肢在前碰撞中的损伤机理及耐受限值，本文基于一名中等身材的成年男性下肢解剖学结构，使用软件Hyperworks11.0建立起一个能较好反映下肢生理学特征的坐姿下肢有限元模型，模型包含骨骼（骨盆、骶骨、股骨、髌骨、胫/腓骨、足部骨骼）及软组织（肌肉、皮肤、关节囊、关节软骨、韧带、肌腱）。建立后的下肢模型含有97个部件，单元总数为65,626。其中实体单元为40,155，壳体单元25,263，弹簧单元208个。通过与9组经典的尸体实验结果对比验证，表明下肢有限元模型建模方法正确、材料选用合理，具有较好的生物逼真度，可用于后续的乘员下肢损伤机理及损伤预测研究中。基于建立的乘员下肢模型，文中开展了一系列前碰撞载荷条件下的车内乘员下肢损伤生物力学研究，包括：股骨在受到膝部轴向压力-外部弯矩时的损伤机理、耐受限值研究；乘员下肢受膝垫碰撞力作用时不同髋关节姿态对骨盆损伤的影响分析；足/踝部在乘员舱侵入条件下的损伤机理及防护参数研究。最后，结合整车有限元模型进行了不同重迭率前碰撞下的下肢损伤对比分析。在建立下肢模型基础上，本文就股骨生理特性对其耐受限值的影响进行分析。在之后开展的外部弯矩对股骨耐受限值影响研究中，本文使用曲梁力学模型及有限元虚拟实验分析了股骨分别受到膝部轴向压力-股骨髁弯矩及膝部轴向力-股骨干横向冲击弯矩两种形式载荷时的损伤机理及耐受限值。结果表明：外部弯矩载荷不仅会影响到股骨的失效部位，而且会影响到股骨的耐受限值。在6组受轴向力-股骨髁弯矩载荷的虚拟试验中，预加轴向力为8.0kN及以上时，失效部位发生股骨颈部，其失效截面弯矩为285Nm~295Nm，而预加轴向力为0-6kN时，失效位置在距股骨末端134.9~171mm的股骨干区域，其失效截面弯矩为381Nm~443Nm；在受轴向力-股骨干横向冲击载荷的虚拟试验中，载荷为8.0kN-0.64kN及8.9kN-0kN时，失效同样发生股骨颈部，其失效截面弯矩为307.2Nm和296Nm；而预加轴向力为0-6kN时，股骨中截面骨折，失效弯矩为382Nm~400.7Nm。研究结果解释了膝部轴向冲击实验中股骨失效全发生在颈部，而前碰撞事故中却有大量股骨干骨折发生时轴向力比损伤准则(10kN)中小的现象。基于下肢模型，本文进行了不同的髋关节屈曲角及展角下的膝部轴向力冲击虚拟试验研究。结果表明：由于髋臼壁各受力点强度不同，膝部轴向冲击下的髋关节姿态会直接影响到骨盆骨折部位及失效值。随着髋关节屈曲角及展角的增大，损伤部位由髂骨转移到髋臼。骨盆失效值随屈曲角的增加而增大13.5%~34.4%，但其失效值随展角的增加先增大后减小，且变化范围为6.0%~20.9%。足/踝部是前碰撞中下肢最容易受到损伤的部位，结合下肢有限元模型，先建立并验证了奇瑞某车型的驾驶员-约束系统有限元模型。然后对前碰撞中引起足/踝部损伤的仪表台设计角度、踏板的向后和向上侵入量、踏板内/外翻角度及踏板的背屈翻转角度五组参数进行了16组正交实验分析。结果表明：其中11组实验产生了小腿或足/髁部的损伤；对胫骨轴向力最敏感的参数是踏板向上侵入量；胫骨合成弯矩和胫骨指数最敏感的参数是踏板向后侵入量；踏板背屈转角及踏板后移量的增大会引起到踝关节最大背屈角的增加；在一定范围内，膝垫夹角越大，越有助于减小因背屈引起的踝关节损伤。对实验结果进行深入分析还发现：胫骨指数与踝关节的损伤没有必然联系，而背屈及内/外翻转角超过了踝关节的生理活动范围是引起踝关节损伤的直接原因。为研究不同重迭率前碰撞中驾驶员下肢的损伤特点，首先对奇瑞公司某有限元整车模型进行了验证；然后使用其进行全宽正面碰撞、40%及25%偏置碰撞的模拟，并总结了叁种重迭率前碰撞形式下的整车耐撞性特点；最后分别提取叁种碰撞形式下的乘员舱侵入情况及整车加速度作为初始边界条件，结合已建立的驾驶员-约束系统模型开展了叁种前碰撞形式的下肢损伤研究。结果显示：由于重迭率不同，整车加速度、乘员舱侵入部位及大小都有较大差别，重迭率越小，则侵入量越大，平均加速度则越小；不同的碰撞特征造成了不同的下肢损伤特点：在25%偏置碰撞中，巨大的膝垫及踏板侵入引起了左侧股骨颈骨折和双侧踝关节损伤；在100%正面碰撞中也产生了右侧踝关节损伤，而40%偏置碰撞中无下肢损伤。进一步分析表明：下肢的损伤风险与整车碰撞加速度波形直接相关；乘员舱侵入量与足/踝损伤并不是线性关系；同等侵入量下，加速踏板比歇脚踏板更容易造成踝关节背屈的后距胫韧带失效及距骨骨折损伤。综上所述，文中建立的下肢有限元模型可作为乘员下肢损伤生物力学研究的有效工具。而使用该模型进行的股骨、骨盆、足/踝部损伤机理、耐受限值及损伤防护的研究结果为前碰撞载荷下的驾驶员下肢损伤防护设计提供了有益的参考。
参考文献：
[1]. 人体颈部有限元模型的建立和验证[D]. 姚剑峰. 湖南大学. 2002
[2]. 基于虚拟试验的汽车前碰撞安全气囊防护效率的研究[D]. 万鑫铭. 湖南大学. 2005
[3]. 前碰中颈部肌肉主动力对头颈部动力学响应影响的研究[D]. 胡伟. 湖南大学. 2015
[4]. 汽车侧碰撞中叁岁儿童乘员的动力学响应和损伤防护研究[D]. 高伟. 湖南大学. 2008
[5]. 汽车碰撞事故中乘员头颈部生物力学响应的有限元分析和研究[D]. 许伟. 湖南大学. 2004
[6]. 汽车后碰撞中乘员颈部损伤分析及应用研究[D]. 何鸿曦. 湖南科技大学. 2017
[7]. 汽车后碰撞中乘员颈部损伤防护的研究[D]. 肖志. 湖南大学. 2007
[8]. 车辆翻滚仿真技术与应用研究[D]. 何欢. 重庆大学. 2007
[9]. 基于颈部肌肉主动力的乘员后碰撞颈部损伤机理与防护研究[D]. 曹迎春. 湖南大学. 2015
[10]. 基于人体有限元模型的汽车前碰撞中驾驶员下肢损伤生物力学研究[D]. 蒋小晴. 湖南大学. 2014