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三岁儿童头部有限元模型的构建及颅脑损伤响应研究
| 论文题名： | 三岁儿童头部有限元模型的构建及颅脑损伤响应研究 |
| 关键词： | 三岁儿童乘员;事故碰撞仿真;颅脑损伤响应;实验设计;有限元模型 |
| 摘要： | 儿童头部损伤生物力学的重要研究内容是探究儿童头部损伤机理及其耐受极限，从而为儿童头部保护装置和安全系统的开发提供理论支撑和生物力学数据。近几十年来，应用真实的头部有限元模型进行尸体实验重构和事故碰撞仿真已成为研究头部损伤生物力学的重要手段，而儿童头部模型的生物仿真度、颅脑组织材料参数的选取及仿真实验条件的设置在很大程度上影响模型在预测儿童头部损伤时的准确性。 本研究基于国内外近几十年来针对儿童头部损伤生物力学研究领域所构建的儿童头部有限元模型进行综述，从模型的构建方法、单元属性、验证方法以及模型应用等方面进行全面总结，并基于前人所构建模型的优缺点，建立了真实的三岁儿童头部有限元模型，该模型区分了儿童脑组织的灰质与白质，提取并划分出脑室、海马体、间脑等脑深部组织结构，是目前国内外儿童头部有限元模型中解剖学结构最为详细的模型之一，通过重构儿童头部尸体实验，验证了模型的有效性。 应用已验证的三岁儿童头部有限元模型进行冲击仿真，通过实验设计和方差分析，探讨直接冲击载荷条件下的颅脑组织材料参数对儿童头部冲击响应的影响。结果表明，颅骨弹性模量及脑组织粘弹性材料对儿童头部冲击响应具有显著性影响。 首次采用对撞的加载方式探究不同年龄儿童头部在同一冲击载荷条件下的颅脑响应差异，进而探讨目前汽车安全法规中使用相同的基于线性加速度的头部损伤判断准则(HIC值不大于1000)来评估不同年龄儿童头部损伤的合理性。结果表明，同一冲击条件下，三岁儿童头部HIC值较六岁儿童大，在碰撞过程中，当六岁儿童头部刚好要发生损伤时，三岁儿童头部可能已经发生较严重的头部损伤，建议针对年龄较小的儿童使用较小的HIC值来评价其头部损伤。 借助儿童及成人头部有限元模型进行转动仿真，对比研究儿童脑震荡即弥漫性轴索损伤(DAI)的损伤阈值，根据仿真结果计算得到了以CSDM和MPS两种预测指标为基础的儿童脑损伤风险曲线。基于CSDM和MPS两种预测指标只能通过有限元模型计算得到而无法直接检测的缺点，本文进一步研究得到产生相同脑损伤时的头部转动角速度和角加速度值。首次提出以实际可测的头部转动角速度和角加速度做为损伤阈值来预测转动载荷条件下的脑损伤，为预测实际当中的脑震荡损伤提供了一种新方法。 |
| 作者： | 陈越 |
| 专业： | 车辆工程 |
| 导师： | 崔世海 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 天津科技大学 |
| 学位年度： | 2015 |
| 正文语种： | 中文 |
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