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基于优化的中国50百分位下肢有限元模型验证方法研究
| 论文题名： | 基于优化的中国50百分位下肢有限元模型验证方法研究 |
| 关键词： | 汽车碰撞;下肢损伤;有限元模型;生物力学 |
| 摘要： | 随着汽车工业的发展，行人安全状况逐渐突出，行人安全已逐渐成为国内外汽车安全研究的重要课题。由于下肢最先与汽车发生碰撞，下肢损伤在汽车与行人碰撞中非常常见。虽然下肢损伤不是致命伤，但是最容易导致长期或永久性残疾。因此，探究下肢损伤机理对保护行人安全具有重要意义。有限元分析方法能够准确地模拟人体组织的应力应变，能够较好地模拟汽车与下肢发生碰撞的响应，已成为研究人体损伤机理的有效方法。然而，现有的下肢有限元模型都是基于欧美人体建立的，其生物力学响应与中国人体的差异值得探讨。因此，本文将通过尺寸缩放方法建立中国50百分位下肢几何模型，使用优化方法开展全面的模型验证，建立适合中国人体的下肢有限元模型。 本文采用计算机断层(CT)和磁共振成像(MRI)技术获取下肢模型的影像数据，运用医学图像处理软件Mimics和三维处理软件Geomagic Studio，构建下肢几何模型。根据人体统计学数据将下肢模型缩放到中国50百分位人体尺寸。综合使用ANSYSY ICEM CFD和Hypermesh软件对下肢模型进行高精度的六面体网格划分，并根据下肢各部位的解剖学结构和力学特性赋予不同的材料属性。采用缩放方法对文献数据进行缩放，以使得生物力学试验数据适应中国50百分位的人体尺寸。 为更全面地验证下肢有限元模型的生物逼真度，本文对下肢有限元模型进行了多层次的全面验证。在大腿、小腿模型的验证中，使用优化方法对长骨皮质骨材料的弹性模量、拉压应力-应变曲线、失效应变以及肌肉的体积模量进行优化，使得股骨、胫骨、腓骨、大腿和小腿的近心端、中部、远心端三个加载位置的动态仿真结果以及股骨、胫骨、腓骨中部纵向(A-P)和横向(L-M)的准静态仿真结果与实验结果吻合良好。在膝关节模型的验证中，使用优化方法对前交叉韧带(ACL)、后交叉韧带(PCL)、胫侧副韧带(MCL)、腓侧副韧带(LCL)进行体积模量、超弹性系数、普罗尼算法系数和失效优化验证，并进行膝关节的四点弯曲和三点弯剪进行校验。最后对整个下肢模型进行整体检验。 通过优化方法，仿真曲线与实验曲线拟合较好，峰值出现的时刻基本一致，仿真结果均在实验范围之内。这表明所建立的下肢有限元模型具有较高的精度和生物逼真度，可用于下肢生物力学研究。同时，也表明该建模和验证方法能够有效应用于人体有限元模型开发。 |
| 作者： | 王龙亮 |
| 专业： | 车辆工程 |
| 导师： | 张冠军;吴朴 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 湖南大学 |
| 学位年度： | 2016 |
| 正文语种： | 中文 |
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