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原文传递基于流固耦合模型的电动二轮车驾驶人头部损伤研究

论文题名：	基于流固耦合模型的电动二轮车驾驶人头部损伤研究
关键词：	流固耦合;头部有限元模型;光滑粒子流体动力学法;电动二轮车;头部损伤
摘要：	在我国的电动二轮车事故中，创伤性脑损伤是驾驶人死亡的主要原因。创伤性脑损伤在给人们的生命安全带来极大威胁的同时，也造成了国家经济社会发展过程中极大的经济损失。因此，建立高精度的头部有限元模型对研究碰撞中的头部生物力学损伤具有重要意义。　　前人经过大量研究认为脑脊液为流体材料且“颅骨-脑脊液-脑”之间的接触方式为流固耦合时，模型的仿真度最高。为研究仿真时能更加真实的模拟颅骨-脑脊液-脑之间流固耦合关系的方法，提出采用光滑粒子流体动力学（SPH）这一种无网格方法对模型中的流固耦合关系进行模拟研究，并将其与研究流固耦合经常采用的任意拉格朗日-欧拉法（ALE）进行比较分析。通过设计球套球头部替代模型跌落实验，并以压力值作为验证参数，对光滑粒子流体动力学法和任意拉格朗日-欧拉法进行数值理论及仿真研究。然后在课题组原有基于CT扫描的头部3D模型的基础上进行进一步的精细建模，采用Hypermesh对模型进行前处理并基于光滑粒子流体动力学算法对颅骨-脑脊液-脑之间的接触关系设置流固耦合边界条件，建立与人体解剖学相符合的头部流固耦合有限元模型来研究其生物力学响应。同时，以国外经典尸体实验数据作为参照对建立的头部流固耦合有限元模型进行仿真验证，主要包括Nahum的颅内压实验，Trosseille的颅内动力学响应实验以及Yoganandan的跌落实验。　　为了对电动二轮车驾驶人头部损伤进行研究，采用MADYMO软件针对汽车和电动二轮车事故进行建模，并根据真实事故信息对模型进行验证。在对电动二轮车驾驶人建模时，采用头部流固耦合有限元模型与多刚体假人身体进行组合形成有限元-多刚体耦合的电动二轮车驾驶人模型。建立简单的多刚体二轮车模型，并将有限元-多刚体耦合的驾驶人模型与电动二轮车模型进行组合形成人-车组合模型。同时建立简单的多刚体汽车模型和道路模型，进一步形成人-车-路组合系统模型。针对真实事故信息进行碰撞仿真研究来验证模型的有效性。为了研究不同因素对电动二轮车驾驶人的头部损伤情况的影响，采用具体事故进行统计分析，并针对主要因素进行仿真分析，从生物力学角度研究头部损伤。使用从山东天弘司法鉴定所数据库获得的山东省二轮车事故数据，主要针对9个因素进行主成分分析，并对主成分分析结果得出的相互独立并能完全反映所有因素特征的主要因素进行统计分析。根据统计分析得出的结果进行碰撞仿真分析，从生物力学角度对头部具体的损伤进行研究。　　根据球套球头部替代模型试验与仿真结果可知SPH和ALE两种方法在模拟流固耦合时均可行，但SPH法在仿真时可避免网格大变形产生的负体积问题，并能大幅度提高计算效率，故其在研究流固耦合时更具优势。对基于SPH法建立的头部流固耦合有限元模型的仿真验证结果可知仿真结果与实验结果吻合度较高，具有良好的生物逼真性。因此，建立的头部流固耦合有限元模型能较准确的研究头部生物力学响应，可用于冲击下的脑损伤研究。针对人-车-路耦合系统仿真与真实事故信息进行碰撞仿真研究可知，对比车辆损伤情况、仿真结果与真实事故最终位置对比情况以及电动二轮车驾驶人头部损伤情况可以验证模型的有效性，为从生物力学角度研究头部损伤提供模型基础。同时，针对头部有限元组合式假人进行仿真分析，验证了从生物力学角度分析碰撞过程中头部损伤的优越性。针对不同因素对头部损伤影响的仿真结果表明，通过对颅内压、颅内应力等参数的分析可以较好的从生物力学角度进行头部损伤的分析，使损伤呈现的更加精确直观。同时，也得出不同的汽车速度以及碰撞姿态对颅内压以及颅内应力都具有较大影响的结论。
作者：	李艳
专业：	车辆工程
导师：	刘涛
授予学位：	硕士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2020