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原文传递人-车碰撞事故中行人头部损伤风险研究

论文题名：	人-车碰撞事故中行人头部损伤风险研究
关键词：	人-车碰撞事故;头部损伤;有限元模型;仿真分析
摘要：	事故后头部损伤研究是世界汽车安全性和损伤生物力学研究领域的重要课题之一，损伤的精准预测是研究的主要方向。本文将人-车碰撞中的人体头部损伤风险作为研究对象，通过研究头部在外界载荷作用下的力学响应情况，获得头部损伤程度与外界载荷作用之间的联系，从而得出头部损伤风险函数和损伤评价参数指标，并将头部在碰撞过程中各部分的损伤情况进行精准预测。本文的研究揭示了头部各主要部分的碰撞生物力学动态响应特性，明确了行人头部出现损伤的部位以及损伤严重程度，为行人头部落地损伤的诊断和救治提供依据，有利于提高人-车碰撞事故中行人救援的效率，为汽车事故后安全系统的设计开发提供依据，具有非常重要的现实意义。　　本文使用50百分位中国成年男性志愿者头部CT（Computed Tomography，CT）和核磁共振（Magnetic Resonance Imaging，MRI）数据来提取头部主要组织结构的几何模型，然后用ANSA软件进行网格划分，定义脑组织之间的接触设置并完成拼接，从而构建出完整的头部有限元模型，主要包括皮肤组织、颅骨、大脑、小脑、脑干、侧脑室、软脑膜、小脑幕、第三脑室等脑组织结构。定义了头部各个组织的材料属性参数。　　为了验证头部有限元模型的有效性和准确性，本文引入了Nahum颅内压实验、Trosseille颅内动态响应实验和Yoganandan头部侧面跌落实验，并通过仿真碰撞来还原这三个实验中的头部损伤程度。结果表明，头部有限元模型通过了验证，可以用于后续头部损伤生物力学分析。　　随后，建立了头部-地面碰撞系统仿真模型。首先，使用3D打印出的头部模型进行了两次头部跌落实验，并采集了整个过程的加速度数据。通过ABAQUS软件建立了头部-地面碰撞系统仿真模型，通过对模型加载实验碰撞时的速度，得到仿真碰撞的加速度数据。然后对比不同速度下实验和仿真加速度数据，从而验证模型的有效性。随后，为了研究行人头部损伤程度，通过数据拟合回归，分别建立了行人头部落地速度与颅内压、行人头部落地速度与脑组织（包括大脑、脑干和小脑）应力之间的回归模型，对所有得到的数据和图进行了分析，最后根据各损伤指标得到了头部损伤的最佳速度截断值。　　为了研究交通事故中行人头部损伤生物力学动态响应，首先介绍了多刚体事故重现软件PC-Crash，并阐述其仿真流程，然后基于该软件，结合国内真实人-车碰撞事故案例建立了事故仿真碰撞模型，通过调整相关参数，还原事故现场，重现了事故发生的整个过程，分析了碰撞后行人的动力学响应，并获得了行人头部落地瞬间的姿势和速度，可作为后续有限元仿真碰撞的初始条件。然后使用该交通事故案例验证回归模型的准确性，利用之前得到的回归模型，计算颅内压与大脑、脑干和小脑的应力值，并与对应的损伤阈值进行对比，判断行人头部是否发生危及生命的损伤，再结合真实事故中的行人头部损伤程度，从而验证回归模型的准确性。接着使用建立的头部有限元模型进行相应的仿真碰撞，从颅内压分布和脑组织应力传播形式来阐述头部损伤生物力学动态响应。与此同时，将仿真模型和回归模型计算得到的头部颅内压与大脑、脑干和小脑的应力参数进行对比和误差分析，结果显示误差在可接受范围内，仿真模型可以较为准确反映头部损伤程度并用于合理判断，同时也验证了回归模型的准确性，表明该回归模型可以精准预测人-车碰撞事故中行人头部各部分损伤情况。　　本文得出了头部损伤风险函数和损伤评价参数指标，可以对头部在碰撞过程中各部分的损伤情况进行精准预测，从而提高人-车碰撞事故中行人救援的效率。研究结果也能够用于汽车事故后安全系统的伤情预测中，为系统设计的开发提供理论基础。
作者：	刘裕发
专业：	交通运输工程
导师：	陆颖
授予学位：	硕士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2022