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原文传递行人下肢的碰撞损伤特性及相关参数研究

论文题名：	行人下肢的碰撞损伤特性及相关参数研究
关键词：	行人下肢;碰撞损伤;有限元模型;损伤流行病学;生物力学实验;下肢损伤机理;交通事故
摘要：	由于行人直接暴露在交通环境中,没有安全带、安全气囊等汽车乘员所具有的保护措施,使其成为道路交通使用者中的弱者,事故致死和致伤率很高。随着汽车工业的发展和车内乘员安全保护的进步,行人的安全状况逐渐突出,行人安全已经成为国内外汽车安全研究的重要课题。行人头部损伤是行人交通事故中致死的主要原因,而行人下肢损伤则容易导致长期或永久性残疾。因此,本文在大量的文献研究基础上,使用统计分析方法、多刚体分析方法和有限元分析方法,分别对行人的损伤流行病学、下肢保护及评价方法和下肢损伤机理进行了研究。　　 1.行人损伤流行病学研究。本文基于PCDS数据库,使用二分类逻辑回归分析方法,研究了汽车与行人碰撞事故中碰撞参数(速度)、行人参数(性别、年龄、身高和体重)和车辆参数(保险杠中心高度BCH、保险杠伸出量BL、前部结构的前面和项面过度点的高度FTTPH、发动机罩后缘包绕长度RHOD)对身高不低于150cm成年行人的MAIS3+、头部AIS3+、躯干AIS3+和下肢AIS2+损伤的影响。结果表明,碰撞速度不仅是评价行人MAIS3+损伤的显著性参数,也是评价头部AIS3+、躯干AIS3+和下肢AIS2+损伤的显著性参数;行人年龄是评价其躯干AIS3+和下肢AIS2+损伤的显著性参数,老年人在事故中更容易受到严重损伤,但对其头部AIS3+损伤的影响不明显;体重对MAIS3+和下肢AIS2+损伤影响显著；FTTPH和RHOD分剐对行人躯干AIS3+损伤和头部AIS3+损伤影响显著,FTTPH较高和前面较陡的汽车更容易造成行人躯干严重损伤,而RHOD较短的车辆则更容易导致行人头部的严重损伤。该研究结果能够为生物力学试验设计和汽车车型研发提供方向性指导。　　 2.行人下肢保护和评价方法研究。采用具有较好生物逼真度的多刚体行人模型,建立了汽车与行人的碰撞仿真模型。通过改变保险杠高度、宽度和伸出量等前部结构参数,研究其对行人膝关节剪切位移、弯曲角度和胫骨加速度等损伤参数的影响。提出了适当降低保险杠高度、适当增加保险杠伸出量和适当加宽保险杠前端面上下之间的作用宽度等改进汽车前部结构的行人安全性能的主要措施。同时,建立了汽车与EEVC制定的行人下肢冲击器的多刚体碰撞模型,针对以往用下肢冲击器实验数据难以评价各车型对行人的保护效果的缺点,提出了用损伤风险系数进行评价的方法。将汽车与行人和汽车与冲击器的碰撞仿真结果分别除以相应的技术要求值,得到各不同前部结构参数车型的损伤风险系数。结果表明,将损伤风险系数进行排序后,可用于评价汽车前部结构对行人下肢的保护性能。同时也指出,EEVC的下肢冲击器实验中,胫骨加速度不能很好地反映胫骨受到的碰撞力,且膝关节的剪切变形刚度过大,有待进一步改进。　　 3.行人下肢有限元模型的改进、验证及行人模型耦合。以往的行人下肢有限元模型多存在实验数据较匮乏、验证不全面或未与人体其它部分耦合等问题。本文在THUMS模型的基础上,根据典型的和目前较新的生物力学实验数据,改进了下肢模型中骨骼和韧带的材料参数,完善了各组织间的接触及其参数,并对下肢模型进行了全面的验证,主要包括股骨、胫骨和腓骨不同位置和不同方向的准静态和动态三点弯曲验证,大腿和小腿不同碰撞位置的动态三点弯曲验证,膝关节各韧带(MCL、LCL,、ACL和PCL)不同速率的拉伸验证,膝关节四点弯曲和三点弯剪验证,下肢模型的低速和高速弯曲验证。验证结果表明,改进后的下肢模型的各仿真结果与相应实验结果的吻合程度较好,能够比较准确地模拟行人下肢的生物力学响应,可以用于行人下肢损伤机理、汽车前部结构改进及行人安全性评价研究。同时,将改进后的下肢模型与THUMS模型的其它部分进行耦合,验证了整个行人模型的有效性。　　 4.开展了基于行人载荷特点的生物力学实验研究。利用猪腿骨模拟行人交通事故中下肢长骨的横向碰撞,进行了更接近实际行人交通事故中碰撞速度的动态三点弯曲实验,研究较高碰撞速度下的长骨耐受限度。结果表明,在碰撞速度增加时,行人下肢模型的长骨与猪腿骨的碰撞力增加幅度基本一致,行人下肢模型中长骨材料的应变率参数设置是准确的。同时,该生物力学实验的开展,为今后进行人体生物力学实验积累了宝贵的经验。　　 5.基于有限元模型的行人下肢损伤机理和影响参数研究。鉴于有限元模型能够输出碰撞过程中行人各个组织详细的运动学和动力学响应,本文利用已获得验证的行人和汽车有限元模型,分别建立了SUV和轿车与行人的有限元碰撞模型,详纽分析了股骨、胫骨、腓骨和膝关节在碰撞过程中的生物力学响应。根据输出的长骨弯矩、膝关节弯矩及人体组织的应力或应变云图,能够预测骨骼或韧带可能发生损伤的部位,找出导致人体损伤的对应的车辆结构,从而为改进车型的行人安全性能提供依据。仿真结果显示,碰撞速度是造成下肢损伤的主要因素之一,而车型对行人下肢损伤的影响并不明显。在今后的研究中,分析汽车前部具体的结构参数对行人下肢损伤的影响将比只分析车型具有更重要的意义。同时也指出,膝关节剪切位移影响膝关节的最大弯矩,在生物力学实验中控制膝关节中股骨和胫骨的相对位置非常重要。
作者：	张冠军
专业：	车辆工程
导师：	曹立波
授予学位：	博士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2009
正文语种：	中文