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原文传递 6岁儿童胸部生物力学模型的构建与损伤研究

论文题名：	6岁儿童胸部生物力学模型的构建与损伤研究
关键词：	儿童乘员;交通事故;胸部损伤;正面碰撞;生物力学;有限元模型
摘要：	儿童乘员作为交通事故中的弱势对象，其身体结构与损伤机理均与成人存在差异，针对成人开发的约束系统难以对儿童提供有效保护。根据道路交通事故统计，儿童胸部损伤致死率高，损伤数量仅次于头部。目前，有关儿童胸部损伤机理的研究还未充分展开，各国损伤准则对儿童乘员的保护尚不健全，儿童的损伤耐受阈值仍需进一步的研究与确立。同时，现有假人模型胸部结构简单，不能直接、准确的反映儿童胸部骨骼、软组织损伤。因此，开发符合我国儿童身材与生理特征的人体生物力学模型，具有十分迫切的现实意义。针对上述问题，本文在大量文献研究的基础上，自主开发并验证了符合我国儿童身材的6岁儿童胸部生物力学模型，并利用校车正面碰撞工况完成儿童胸部骨骼损伤机理研究。本文的主要工作及创新点如下: 　　(1)根据我国儿童身材统计数据特点，在合理范围内筛选出我国6岁儿童新鲜尸体进行CT扫描。通过DICOM图像逆向建立了头部、颈椎以及胸部几何模型。对胸部模型进行体网格划分，完成包括胸骨、肋软骨、肋骨、心肺、肌肉与皮肤的胸部有限元模型。结合成人材料参数缩放，实际建模经验与验证材料参数反求，完成各部分材料参数定义。在此基础上，构建6岁儿童生物力学胸部人体模型(PEdiatric BIomechanical Thorax Human Model,PEBIT Humanmodel)。　　(2)根据成人胸部碰撞实验缩放通道与儿童尸体胸部碰撞实验，建立6岁儿童胸部生物力学模型动态响应仿真模型。对比实验数据与仿真结果，获得胸部力、胸部变形量与胸部力-变形曲线的良好吻合，验证胸部生物力学模型的准确性。　　(3)鉴于校车碰撞为6岁儿童乘员普遍乘坐的危险工况，采用校车正面碰撞，两点式与三点式安全带约束，对比多体假人、MADYMO人体模型与PEBIT人体模型在碰撞过程中的整体运动姿态、各部分运动轨迹与脊椎运动形态。首创提出运动位移误差与运动趋势误差计算理论，定量分析MADYMO人体模型与PEBIT模型在不同约束系统下的运动轨迹相似度，结果误差值基本小于10％。表明所建PEBIT人体模型与MADYMO人体模型在运动结果与过程上都具备充分的一致性的同时，能够完成胸部子结构损伤分析。完成PEBIT人体系统级验证，使模型可直接运用于整体加载工况。PEBIT人体模型胸部良好的回弹特性使头部运动轨迹更符合真实生物力学响应。　　(4)采用PEBIT人体模型进行校车正面碰撞中的胸部骨骼损伤机理分析。通过波形简化，提取校车碰撞波形特征参数，建立不同外载加速度下的系列正碰工况。采用三点式安全带约束，对PEBIT人体模型进行系列工况下的动态响应仿真。均布选取胸部中心的第四肋骨处胸骨-肋软骨-肋骨内外侧为局部参考点，通过应力应变分析初步确定正面受载下肋骨腔危险区域。结合云图分析，确立能够反映胸部骨骼整体危险部位的全局参考点。　　根据全局参考点应变，首次提出基于失效应变的胸部骨折风险函数，由潜在损伤、损伤转换与损伤预测三个阶段。潜在损伤阶段表明骨骼在未发生实际损伤前，可能发生损伤的潜在危险程度;损伤转换阶段代表潜在损伤向实际损伤的转换过程;损伤预测阶段能够在不同失效应变下准确反映胸部实际骨折数量。求得当失效应变为0.04，骨折风险为23.9％时，骨骼由潜在损伤转变为实际损伤;风险超过27.2％后，函数进入预测阶段。　　(5)解析胸部骨折风险函数与胸部损伤评价准则之间的关系。建立胸部加速度、胸部压缩量、安全带力、VC值，并引入的胸部骨骼耗散能量、肺部耗散能量，建立各项目与外载加速度间的拟合关系，进而完成胸部骨折风险函数、肺部主应变值与各评价准则间的关系。结果表明胸部骨折风险与胸部压缩量的高度线性关系，肺部损伤与其自身耗散能量的明显线性关系，总结了骨骼与肺部的损伤机理。并确定当胸部压缩率达到25.76％时，肺部开始出现损伤，而压缩率达到29.23％时，骨骼开始出现损伤。　　本文开发的6岁PEBIT人体模型，其胸部具有较高生物仿真度，可用于整体碰撞工况中加载，是评价汽车正面碰撞安全中6岁儿童胸部损伤的有效工具，对于儿童胸部损伤研究，约束系统在正面碰撞中的开发与保护效果提升具有重要意义。
作者：	应龙
专业：	车辆工程
导师：	葛如海
授予学位：	博士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文