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国人第五百分位女性行人下肢有限元模型开发及碰撞损伤研究
| 论文题名： | 国人第五百分位女性行人下肢有限元模型开发及碰撞损伤研究 |
| 关键词： | 交通事故;女性行人;下肢有限元模型;碰撞损伤 |
| 摘要： | 在道路交通中，小身材女性作为弱势群体面临着极高的伤害风险，其中下肢是交通事故中最易受损伤的部位之一，因此，研究人员应更关注小身材女性下肢的安全损伤保护。近年来，应用人体有限元模型进行碰撞损伤研究成为汽车安全开发的重要手段。对于小身材女性，国外已经开发了几个版本的5th百分位女性人体有限元模型，但这些人体模型是针对欧美人体尺寸开发。而国内对5th百分位女性有限元模型的开发多依据国外模型缩放获得，并不符合中国人体生理结构特征。本研究将建立具有详细解剖学构造的国人下肢有限元模型，以此为工具开展国人小身材女性下肢损伤机理的研究。 依据中国标准化研究院最新测量统计数据，获取国人第五百分位女性CT影像数据。应用医学影像软件和逆向工程软件提取精确的下肢组织结构几何轮廓。利用Truegrid、Hypermesh等有限元前处理软件进行网格划分和材料属性赋予等，构建了具有详细解剖学结构特征的国人5th百分位女性行人下肢有限元模型。该模型包括下肢所有骨骼、肌肉、脂肪、皮肤以及连接组织等，模型总质量为18.8 kg，由80个部件组成，共有63514个节点、43791个实体单元以及21922个壳单元。 基于构建的5th百分位女性行人下肢有限元模型，重构长骨准静态三点弯曲实验、长骨和大小腿动态三点弯曲实验以及下肢横向及剪切尸体实验，从局部到整体对下肢有限元模型进行了全面的有效性验证。仿真实验所得接触力-位移曲线、膝关节弯曲角度以及下肢损伤生物力学响应等都与尸体实验数据吻合，证明了模型具有较高的生物仿真度。 基于已验证的5th百分位女性行人下肢有限元模型，采用E-NCAP法规中建议的四种车型对人车碰撞中下肢损伤进行了仿真研究。行人下肢右侧受到FCR（Family car）， MPV（Multi-Purpose Vehicle and Superminis），RDS（Roadsters）和SUV（Sport Utility Vehicle）四种通用车型以30 km/h、40 km/h和50 km/h速度的撞击。仿真结果表明速度大小影响了下肢出现损伤的时刻，速度越大，损伤越早出现。撞击侧，内侧副韧带最易发生撕裂，对撞侧，腓侧副韧带和后交叉韧带最易损伤；50 km/h速度下，韧带损伤最为严重。车型高度高于或低于腿型高度会导致股骨出现不同损伤情况，对胫、腓骨的损伤情况影响较小。SUV车型只出现股骨近心端骨折情况，其余三种车型均出现股骨骨干、近心端以及远心端骨折。研究结果为开展汽车-行人下肢碰撞损伤分析提供了基础数据，对行人下肢保护及损伤评估具有重要应用价值。 |
| 作者： | 梁亚妮 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 阮世捷 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 天津科技大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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