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基于高效高稳定性人体有限元模型的骑车人头部响应与损伤防护研究
| 论文题名： | 基于高效高稳定性人体有限元模型的骑车人头部响应与损伤防护研究 |
| 关键词： | 骑车人;头部碰撞;损伤防护;气囊式头盔;有限元模型 |
| 摘要： | 目前，头盔被认为是针对两轮车骑车人头部损伤最有效的防护手段，但现实事故中头盔防护下的骑车人头部高损伤风险表明，现有头盔设计仍有待进一步提升。同时，人体数值模型成为车辆碰撞中骑车人损伤和防护研究的重要工具，但现有人体有限元模型面临计算时效性、仿真稳定性和生物逼真度难以兼得的困难，从而制约了骑车人头部损伤和防护研究的进一步深入发展。因此，本文以建立兼具计算时效性、仿真稳定性和生物逼真度的人体有限元模型为基础，深入研究车辆碰撞中的两轮车骑车人头部响应特征，进而提出满足防护性能和轻量化需求的新型头盔设计，为两轮车骑车人安全防护提供理论依据和技术支撑。 第一步，建立并验证高效高稳定性人体有限元模型：首先，提出并证明采用镂空化结构模拟人体实体组织冲击力学性能的可行性；然后，采用该建模方法对精细化的THUMS模型进行简化处理，建立具有镂空化皮下组织的整人有限元模型（命名为THUMS-HS模型），并通过尸体实验数据和真实事故人体损伤验证THUMS-HS模型的生物逼真度；最后，对比原始THUMS模型证明THUMS-HS模型的高计算时效性和仿真稳定性。结果表明：THUMS-HS模型各身体部位和整人动力学响应与尸体实验数据接近，能较准确预测真实车辆碰撞事故中的人体损伤风险，计算时效性比原始THUMS模型提高了近2/3，且在高能量碰撞中具有高仿真稳定性。 第二步，研究车辆碰撞中的骑车人头部响应：首先，建立两轮车和EPS头盔有限元模型，基于上述建立的人体有限元模型，开展有无头盔防护下的车辆-两轮车-骑车人碰撞仿真分析；研究车辆碰撞中的两轮车骑车人整体运动学响应、头部动力学响应和生物力学响应特征，并分析车辆碰撞载荷下的骑车人头部潜在致伤因素和传统EPS头盔的防护性能。结果表明：骑车人头部与车辆接触碰撞可引起脑组织高应变和颅内压，佩戴传统EPS头盔虽能降低脑组织最大应变，但有可能增加骑车人头部碰撞速度，增大头部颅内压力。 第三步，研究气囊式骑车人头盔设计及其防护性能：首先，提出气囊式头盔设计方法，建立气囊式头盔有限元模型，基于头盔内衬压缩形变确定气囊压力；然后，结合法规跌落冲击试验工况和车辆-骑车人碰撞工况，采用头部损伤动力学和生物力学评价指标，评价气囊式头盔的防护性能，并对比分析气囊式头盔相较于传统EPS头盔防护性能差异，揭示气囊式头盔防护机制。结果表明：本文设计的气囊式头盔相较原始EPS头盔质量约可减小30%，同时具有良好的防护性能，骑车人颅骨骨折和中度脑损伤风险分别控制在25%和35%以下。 |
| 作者： | 孟恒帅 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 毛征宇;李桂兵;邹冬华 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 湖南科技大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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