详情

原文传递基于台车实验安全带载荷的乘员胸部损伤机理及风险研究

论文题名：	基于台车实验安全带载荷的乘员胸部损伤机理及风险研究
关键词：	乘员安全带约束系统;台车实验;胸部损伤机理;有限元仿真;风险曲线
摘要：	道路交通事故已经成为目前威胁人类生命和财产安全的主要问题之一。而在各类交通损伤中，胸部损伤是仅次于头部损伤的第二大创伤形式，且尤以肋骨骨折最为常见。与被广泛研究的驾驶员损伤相比，前排乘员位置的空间较大，因此在正面碰撞时具有独特的运动响应和损伤特征。研究乘员正面碰撞损伤生物力学响应特征，为改进乘员防护措施提供依据已经成为车辆碰撞安全的重点之一。由乘员约束系统导致的胸部损伤主要来自于安全带的约束力和冲击力。因此，安全带约束是造成乘员胸部损伤的主要原因，其损伤机理也需要进一步探索。此外，全尺寸车辆正碰撞条件下，现有的乘员胸部损伤程度主要采用机械假人试验结果进行评价，其评价结果与实验的差异分析尚需一定的补充研究。而安全带约束系统情况下的肋骨骨折和胸部变形量等与胸部整体损伤响应的关系，目前也缺少基于人体解剖学结构的深入研究。　　本研究的目的是建立和验证乘员安全带约束系统有限元模型，用以探讨正面碰撞中佩戴安全带乘员的动力学响应过程、胸部致伤原因和损伤机理。而后，分析安全带定位参数对胸部损伤的影响，确定碰撞速度的改变造成的胸部损伤严重程度的变化趋势。然后，探索胸部损伤相关的生物力学指标之间的关系。最后，分析机械假人模型和乘员模型在安全带约束条件下对胸部损伤响应参数的差异。　　为了达到以上目的，本文采用了有限元仿真与碰撞实验数据分析相结合的研究方法。选取了8个全尺寸 PMHS台车正面碰撞实验，并基于全球人体生物力学模型（GHBMC）建立了安全带约束的乘员有限元模型（BOM），利用敏感性分析和参数分析选取和定义了安全带和胸部的相关材料和接触参数。按照实验设置，重建了台车正面碰撞实验，通过仿真的比较分析获得的运动学和动力学参数结果与实验测试结果，验证了所建立乘员有限元模型的有效性。而后采用验证后的有限元模型通过仿真计算获得安全带约束乘员在不同速度下和不同安全带约束条件下的胸部损伤输出，并进行了基于实验设计方法和方差分析方法的参数分析。同时，结合实验和有限元应变分析了胸部肋骨的损伤机理。　　使用建立的安全带约束乘员有限元模型重建了台车正碰撞试验。利用响应通道等方法，比较了乘员有限元分析和生物力学实验测试的三维运动，安全带力和胸部变形量，验证了模型的生物力学逼真度。结果证明该模型可用于后续胸部模型胸部损伤机理的分析研究。结果表明，仿真分析中的应力/应变结果和基于后处理的分析结果与试验中的骨折结果吻合较好，体现在左侧第5至第9肋骨和右侧第2至第6肋骨。安全带力的时间历程曲线与实验测量结果的响应通道吻合。此外，基于仿真的应力/应变响应，能较好地预测肋骨的骨折风险，其中第6到第10肋骨的骨折风险较高。　　利用安全带约束的乘员的人体有限元模型，通过改变安全带的高度和角度进行参数分析，研究了由安全带定位参数造成的胸部的损伤差异。结果表明，安全带的高度比安全带角度对于肋骨应力应变分布及胸部变形量的影响要明显。方差分析表明，安全带高度对胸腔变形的 p值均在0.05以内，而安全带角度对除了右下测量点外的 p值均大于0.1。随着胸廓骨折数目增加，安全带高度的影响显著增加。当骨折数目超过4之后，p值小于0.01，而安全带角度的p值始终大于0.3。同时，安全带的变化造成的胸部变形量和应力/应变变化趋势一致。　　本研究而后通过模拟27个人体有限元模型在台车正面碰撞实验环境下的乘员运动响应过程，分析胸部损伤风险。并通过统计分析方法得到损伤风险与输入参数的关系曲线。结果表明，碰撞速度对于胸部损伤风险呈现较强的线性关系，且对于变形量和胸廓骨折风险的 p值均小于0.01。安全带高度对于胸部损伤呈现比较明显的非线性关系。但多数情况下安全带角度对损伤结果影响不明显即 p值均大于0.082，而安全带高度对于损伤输出影响明显。　　通过比较相同实验条件下的安全带定位参数对人体解剖结构模型（GHBMC）和机械假人模型（THOR）胸部损伤，研究两者在正碰撞台车试验条件下胸部损伤结果差异并分析原因。研究表明，THOR有限元模型有良好生物力学逼真度。THOR假人模型在胸部变形方面耦合度较高。具体表现为右下位置的胸部变形与PMHS实验的数据相差约30 mm。模型对于其他几个变形测量点的损伤变化趋势具有代表性，但是胸部左侧的变形量稍大于PMHS实验的结果（约15 mm-20 mm）。THOR机械假人胸部压缩的研究趋势具有较好的代表性，但是需要进行结果修正。　　基于以上研究可以得到如下结论。使用本研究建立的结合安全带约束系统有限元人体模型进行损伤机理和约束系统防护效率的研究是可行的。安全带高度对于两个损伤输出参数的影响要明显高于安全带角度。胸部损伤变化主要是由碰撞速度产生的惯性和安全带与胸腔接触面积以及躯干的扭转程度的决定，其中碰撞速度与胸部损伤呈现明显的线性关系而安全带定位参数对胸部损伤严重程度都呈现非线性关系。损伤风险曲线能够定量表明输入参数对胸部损伤的这些影响。而机械假人THOR的胸部变形与人体解剖学试验结果还有一定的差距，主要体现在耦合度较大。综上所述，本研究建立的安全带约束乘员有限元模型具有良好生物逼真度。其敏感性分析结果可以为安全带约束系统的改进设计提供参考。同时，损伤结果和风险曲线为提高安全带防护效率提供依据。
作者：	肖森
专业：	机械工程
导师：	杨济匡;Jeff Crandall
授予学位：	博士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文