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原文传递薄壁长管侵彻乘员胸肺部的损伤生物力学研究

论文题名：	薄壁长管侵彻乘员胸肺部的损伤生物力学研究
关键词：	汽车碰撞试验;交通护栏;薄壁长管;乘员胸肺部;侵彻损伤;生物力学
摘要：	汽车护栏在受到撞击后，横栏与竖栏连接处极易发生断裂，横栏在撞击过程中形成薄壁长管并贯穿汽车发动机舱或前挡风玻璃。根据车辆碰撞隔离护栏事故观测结果发现，薄壁长管极易侵彻驾驶员及前排乘员胸部，造成胸部肋骨严重骨折和内脏器官的损伤，导致大出血。由于目前国内外碰撞实验主要研究钝性物体碰撞人体胸部后的损伤情况及相关力学响应，对于长管类物体贯穿胸腔的侵彻类研究几乎没有。而实际交通事故中类似护栏贯穿人体的事故频发，亟需对相应的侵彻损伤进行研究。　　本文首先利用中国第50百分位某成年男性胸部CT进行了身体建模，分别使用Mimics、Geomagic以及Hypermesh软件进行了模型的提取、降噪、实体化、网格划分，并通过人体肋骨三点弯曲载荷仿真、人体肋骨前后方向加载仿真和人体胸部正面碰撞仿真三种方式进行模型的可靠性验证。经过仿真验证了该模型是基本可靠的。　　随后将人体模型进行固定，以人体胸部的胸骨为中心，顺时针逆时针旋转30°，从左、中、右三个方向以低速、中速、高速三种不同的速度撞击人体胸部模型，模拟现实交通事故中汽车撞击护栏后驾驶员被横栏贯穿胸腔的场景，研究胸部主要器官—肺的损伤情况，得到肺部的损伤机理和力学响应分析。损伤机理表现为在正面碰撞下，薄壁长管撞击胸骨，胸骨带动肋软骨和肋骨一起压迫肺部肋面，造成肺部肋面的损伤；侧面碰撞下，薄壁长管撞击肋骨造成断裂，破损的肋骨与薄壁长管一起侵彻肺部肋面，造成肺部严重破损。同时探究了不同侵彻深度下的肺部损伤情况，侵彻越深，损伤越大。而肺部的力学响应则与薄壁长管的角度和速度有关。该仿真实验数据结果可用于汽车碰撞安全中人体胸部内脏贯穿伤的损伤机理等研究。　　不同年龄段的人体肋骨参数各不相同，肋骨在受到外力作用时的断裂破损情况也各不相同。因此，根据不同年龄段的人体肋骨皮质骨参数和国内外的相关研究成果，对肋骨皮质骨的关键参数进行修改，模拟薄壁长管侵彻人体胸腔时肋骨的损伤情况及力学响应，得到肋骨皮质骨的关键参数的变化对薄壁长管侵彻人体胸腔时肋骨损伤的影响。通过仿真发现，皮质骨厚度和极限应力对肋骨在受到薄壁长管贯穿时导致的骨折损伤情况影响较大。肋骨皮质骨厚度越厚、极限应力越大，肋骨越不容易发生骨折。而肋骨皮质骨弹性模量对肋骨骨折的影响不大。即便实验组次中弹性模量变化很大，但是对于肋骨骨折损伤情况变化也很小，几乎可以忽略不计。汽车碰撞安全法规中用胸部变形量作为人体胸部受损评估标准，但是该标准基本使用成年人数据，缺少中老年人的数据，此项仿真实验也有利于进一步完善老年人的胸部损伤标准。　　最后探究了不同类型的薄壁长管对胸部侵彻时的损伤差异性。分析了薄壁长管头部结构，即规则开口和异形开口两种形式，研究表明，规则开口侵彻时不稳定，造成的伤口更大，导致乘员出血严重；异形开口侵彻时更加稳定，因此穿透性更强，导致乘员内脏损伤更大。分析了薄壁长管横截面积对乘员损伤差异性，研究表明横截面积较大的薄壁长管，其质量更大，在速度相同情况下，其动能更大，因此对乘员造成损伤越大。　　研究成果为完善汽车碰撞安全评价指标和优化交通护栏提供一定的参考。
作者：	尹菲
专业：	车辆工程
导师：	郭世永;孙会忠
授予学位：	硕士
授予学位单位：	青岛理工大学
学位年度：	2021