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安全气囊冲击下人体头颈部动态仿真及损伤研究
| 论文题名： | 安全气囊冲击下人体头颈部动态仿真及损伤研究 |
| 关键词： | 汽车安全;安全气囊;颈部模型;动态仿真;损伤机理 |
| 摘要： | 如今，安全气囊、安全带等被动性安全装置被广泛应用于现代汽车中。随着安全气囊使用的增加，安全气囊本身对乘员造成伤害的事故数量也在增加。在各种形式的交通事故损伤中，脊椎损伤是一种常见的损伤类型，其中颈椎是主要的损伤部位。 目前关于安全气囊冲击下人体颈部损伤的研究主要以假人碰撞实验为主，这需要耗费大量的人力和物力资源，而且假人模型的仿生度存在不足，不能表现出真实的人体响应，从而导致实验数据不准确，影响产品的工作性能。因此通过仿真研究安全气囊冲击下乘员颈部的动态响应和损伤机理十分必要。 本文主要研究汽车前碰撞下安全气囊展开过程中对人体颈部的影响，分析了颈部的动力学响应和损伤机理。首先基于真实的人体解剖结构建立三维头颈部模型。模型主要包括：头骨、椎骨、椎间盘、关节、韧带和肌肉等组织结构。然后基于颈椎节段屈伸实验数据和志愿者前碰撞实验数据验证了模型的有效性。最后建立了安全气囊的有限元模型，实现了速度为56km/h的前碰撞下安全气囊与人体头颈部模型碰撞的三维动态仿真。 首先，进行不同起爆时间下(10ms、20ms、30ms、40ms)安全气囊与头颈部的碰撞仿真，通过头颈部的受力分析可得，在10ms、20ms、30ms的起爆时间下，颈部损伤值均低于准则规定的阈值，安全气囊起到了保护乘员的作用，而当起爆时间为40ms时，安全气囊没有完全展开，颈部在高温高速气体的冲击下发生损伤。在此基础上，通过数值计算得到皮质骨、松质骨、纤维环、髓核以及韧带的应力分布情况，并对其可能发生的损伤进行了预测。然后，研究相同起爆时间下安全气囊不同展开角度(21°、24°、27°、30°)对颈部损伤的影响。结果表明，颈部损伤值随着展开角度的增大而减小，但变化幅度不大，说明安全气囊的展开角度对颈部损伤影响不大。 综上所述，本文建立了高仿生度的人体头颈部模型，实现了汽车前碰撞下头颈部模型与安全气囊碰撞的动态仿真，有助于减少汽车碰撞实验的成本，对汽车安全性设计及乘员颈部损伤的研究有一定的指导作用。 |
| 作者： | 李志 |
| 专业： | 固体力学 |
| 导师： | 倪樵 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 华中科技大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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