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原文传递儿童颈部在汽车碰撞中的损伤研究

论文题名：	儿童颈部在汽车碰撞中的损伤研究
关键词：	汽车碰撞;儿童颈部;损伤机理;有限元模型;安全性参数
摘要：	汽车碰撞是造成儿童颈部损伤的重要因素，大约60％-80％的儿童脊椎损伤发生在颈部，而且儿童颈部损伤与成人相比有更高的死亡率。这归因于儿童特殊的生理结构，比如松弛的韧带、平的关节面、未成熟的椎骨及相对较重的头部等，这些导致儿童颈部损伤与成人有很大的不同。但是由于道德及法律等原因，目前对儿童的损伤研究严重不足。为了提高儿童在汽车事故中的安全性，迫切需要对儿童颈部损伤进行研究。　　本文使用有限元方法分析10岁儿童颈部在碰撞中的损伤，提出获得儿童数据的方法和建立有限元颈部模型的方法，并通过模拟提出儿童颈部损伤特点及机理。本文方法可帮助研究者建立更加精确的儿童有限元模型，研究儿童颈部在汽车碰撞中的损伤特点和机理，从而帮助设计和评估防护措施，提高儿童在汽车碰撞中的安全性。本文的主要内容和创新点包括: 　　(1)提出获得儿童颈椎材料数据的方法。由于缺少儿童实验样本，很难通过实验获得儿童材料数据，而现有儿童颈椎模型缺少获得材料数据的方法，限制了对儿童颈部损伤的研究。本文提出将缩放方法和Pareto及主效应分析相结合的方法，该方法通过数据缩放初步得到儿童的材料数据，之后使用Pareto及主效应分析确定材料参数值。该方法既考虑了儿童与成人几何的差异，又考虑了儿童材料特性较弱的特点。通过与儿童实验数据对比证明了该方法的可靠性，为研究者开发儿童颈椎模型扫除了障碍。　　(2)提出建立10岁儿童颈椎有限元模型的方法，提高儿童颈椎模型预测损伤的精度。目前儿童颈椎模型多缩放自成人模型，材料模型使用线性材料，建模方法上也存在局限性。本文通过测量24个儿童颈椎尺寸，得到10岁儿童椎骨平均尺寸，通过数据对比证明选定几何数据的正确性。根据几何建立包括儿童特有结构的颈椎有限元模型，实现儿童颈椎模型和解剖结构的一致性。为了提高模拟材料力学特性的准确性，各部件使用非线性材料本构模型，使用本文得到的儿童数据获得各本构模型的参数值，并实现对软组织撕裂的模拟。使用三段颈椎(C0-C2，C4-C5，C6-C7)及整体(C0-T1)的儿童实验数据验证了模型，证明了该建模方法的可靠性。本文预测的软组织失效位置及顺序，可为儿童颈椎实验提供数据支持。　　(3)提出建立一种新的颈部肌肉有限元模型的方法，提高肌肉模型精度;提出基于径向基函数的代理模型方法对主动收缩肌肉激励曲线进行优化，解决肌肉激励信号寻优问题;提出使用敏感性分析方法研究主动收缩肌肉对头部响应的影响。现有肌肉模型在几何上进行了简化，并且目前的研究仍无法确定各主动收缩肌肉激励曲线的形式，目前也缺少各肌肉在碰撞中对响应影响的了解。本文建立了三种肌肉模型来分析几何对响应的影响，通过与儿童低速正面碰撞实验数据对比，显示几何显著地影响头部响应，本文提出的新的肌肉模型能更好的预测头颈部的响应。使用基于径向基函数的响应面法，对新肌肉模型的肌肉激励曲线进行优化，该方法提高了计算效率，得到了优化的肌肉激励曲线。本文提出评价各肌肉对头颈部响应影响的评价方法，通过计算发现了在正面碰撞中对头颈部响应影响最大的肌肉。　　(4)针对儿童未发育完全的结构和材料特点，使用椎骨有限元模型进行几何和材料的敏感性分析，获得影响响应的关键因素和儿童颈椎响应及损伤的特点。目前缺少从几何和材料角度研究儿童颈椎响应及损伤的特点。本文使用开发的C4-C6椎段模型进行分析，考虑了所有材料的变化及小关节面和尺寸的几何变化，使用方差分析方法计算各参数对响应的影响程度。根据分析结果提出了儿童颈椎在弯矩和力载荷下响应及损伤的特点，此研究为建立更精确的儿童颈部模型提供了重要的数据支持，并可对儿童颈部损伤诊治提供帮助。　　(5)针对儿童颈部在碰撞中的损伤问题，使用10岁儿童颈部有限元模型分析儿童颈部在碰撞中的响应，获得儿童颈部的损伤机理，弥补目前对儿童颈部损伤的研究不足。由于儿童尸体样本和模型的缺少，目前仍对儿童颈部在碰撞中的损伤机理缺乏了解，特别是在后面碰撞中。本文使用开发的10岁儿童颈部有限元模型模拟了在正面碰撞和后面碰撞中的儿童头颈部的响应，通过与实验数据的对比证明了模型计算结果的可靠性，通过分析各韧带应变及骨应力分布，获得了儿童颈部损伤的机理。使用腿骨模型模拟轴向冲击下骨折的骨折力和骨折模式，通过与实验数据的对比证明了骨材料模型和参数的可靠性，将此数据应用于儿童椎骨骨折研究中，获得了压缩骨折力与材料参数的关系。
作者：	董立强
专业：	车辆工程
导师：	李光耀
授予学位：	博士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文