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汽车正面碰撞中驾驶员足踝损伤生物力学研究
| 论文题名： | 汽车正面碰撞中驾驶员足踝损伤生物力学研究 |
| 关键词： | 驾驶员;足踝损伤;正面碰撞;生物力学;有限元模型 |
| 摘要： | 在汽车正面碰撞事故中，驾驶员踝关节损伤机理复杂多样。现阶段足踝损伤研究中，实验研究载荷较为单一、加载条件简化、样本易变性、试验次数相对较少以及试验样本在材料属性的测量条件局限，数学模型在开发和验证水平上的局限，使得它们在复杂载荷作用下的足踝损伤研究应用十分有限。基于欧美人体数据建立的模型，几何数据与中国人体数据有较大差异。因此，建立准确的中国50百分位男性足-踝-小腿模型，针对碰撞的实际情况，进行深入的足踝损伤生物力学研究具有重要意义。 本文基于课题组前期开发并验证的中国50百分位男性小腿有限元模型，依据中国人体统计学数据，对模型足部进行改进，增加踝关节韧带部件，更新材料，调整坐姿，获得改进后的中国50百分位男性足-踝-小腿有限元模型。 针对常见的足踝损伤机制，对足-踝-小腿模型进行了前脚掌冲击、轴向加载、内旋/外旋、背屈、内翻/外翻及以上几种载荷的复合加载仿真验证。结果显示，模型的力学响应及损伤结果与PMHS实验数据一致，所建立的模型具有较高的生物逼真度。 在内旋、外旋转姿势下踏板冲击载荷作用时的足踝损伤研究结果表明：该工况下的主要足踝损伤为韧带失效；在±15°的轴向旋转范围内，韧带失效对应的踝关节力矩有13％的变化；内旋15°是最易受损伤的位置。 结合仿真中加载速率变化引起损伤类型及损伤参数变化的情况，提出了一种针对正面碰撞中驾驶员足踝主要损伤机制（轴向载荷、背屈和内翻/外翻）的损伤容限研究方法，建立了以胫骨力、背屈角和内翻/外翻角为坐标轴的三维损伤曲面边界。 针对轴向加载速率、内旋/外旋角度、背屈角度、内翻/外翻角度四个因素对足踝损伤参数的影响进行了正交实验分析。结果表明，在9组虚拟实验中有7组产生了足踝损伤。对胫骨力影响最大的因素是轴向加载速率，影响踝关节力矩的敏感因素依次是轴向加载速率、背屈角度及内翻/外翻角度。内旋/外旋角度对胫骨力和踝关节力矩的影响相对较小。 基于正面碰撞驾驶员-约束系统有限元模型，设计了低速(20 km/h)、高速(48 km/h)工况的汽车正面碰撞模拟对损伤边界进行有效性验证。结果表明，在低速、高速工况下足踝的第一损伤分别为韧带失效和踝关节骨折，损伤参数与损伤边界基本一致，建立的轴向加载、背屈和内翻/外翻组合载荷下的足踝三维损伤曲面边界具有一定的有效性。 |
| 作者： | 刘衡 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 曹立波 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 湖南大学 |
| 学位年度： | 2017 |
| 正文语种： | 中文 |
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