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原文传递汽车后碰撞中乘员颈部损伤防护的研究

论文题名：	汽车后碰撞中乘员颈部损伤防护的研究
关键词：	汽车碰撞;颈部损伤;生物力学;安全座椅
摘要：	本文通过研究后碰撞中头颈部的动力学响应和损伤机理，为开发更安全的座椅约束系统提供了有效的工具和提出合理的设计方法与指南。汽车后碰撞中颈部损伤的研究方法主要包括碰撞试验方法和计算机仿真方法。本文以虚拟仿真研究为主要手段，台车碰撞实验为辅助手段，从两个层次上对头颈部在汽车后碰撞中的响应进行了研究：(1)使用多刚体模型研究颈部的整体动力学响应，如颈部载荷、转动角度和加速度等；(2)使用基于人体解剖学结构的有限元模型分析颈部的局部生物力学响应和损伤机理，如韧带伸长率、椎间盘应力等。分析了影响颈部损伤风险的主要因素及其影响规律，提出了减小颈部损伤风险的方法。使用Hybrid Ⅲ假人进行了汽车后碰撞的台车试验，对Hybrid Ⅲ假人的动力学响应进行了分析。使用MADYMO软件，对比分析了Hybrid Ⅲ假人和BioRID Ⅱ假人在后碰撞中的动力学响应，并通过JARI志愿者试验结果评价了两个假人模型的逼真度。分析表明，BioRID Ⅱ假人能够较好的模拟汽车后碰撞中人体脊柱的伸展和向上滑移过程，BioRID Ⅱ假人的脊柱结构具有更高的生物逼真度，而Hybrid Ⅲ假人的脊柱在汽车后碰撞中过于僵硬。在MADYMO软件平台上，建立了后碰撞乘员颈部动力学分析的多刚体模型，模型包括BioRID Ⅱ假人多刚体模型、汽车和座椅的多刚体模型、安全带模型。使用该模型，分析了头枕位置、靠背刚度分布、调角器刚度等座椅参数、以及碰撞速度和加速度对颈部整体动力学响应的影响。模型输出参数包括假人头部的转动角度、相邻颈椎的相对转动角度、胸部加速度、颈部弯矩等。使用颈部损伤准则N<,km>值和NIC值来评价颈部损伤的风险。指出NIC和N<,km>值和BioRID Ⅱ假人一起，能够较好的预测实际事故中颈部损伤的风险和评价汽车座椅颈部损伤防护性能的水平。建立了后碰撞乘员颈部损伤生物力学分析的有限元模型，该模型由基于人体解剖学的HBM-neck有限元头颈部模型、BioRID Ⅱ有限元假人模型、汽车座椅和安全带模型组成。HBM-neck颈部有限元模型详细的描述了人体颈部的结构，如椎骨、椎间盘、韧带和肌肉等。BioRID Ⅱ假人有限元模型包含了类似人体的脊柱结构，脊柱由24块通过铰链连接的椎骨组成，假人模型经过了Linder摆锤冲击试验和JARI志愿者后碰撞试验的验证。使用HBM-neck模型和BioRID Ⅱ假人有限元模型建立了混合乘员有限元模型。混合乘员有限元模型可以更加逼真的模拟脊柱与靠背的相互作用，并且可以分析颈部的局部生物力学响应和损伤机理。使用后碰撞乘员颈部损伤生物力学分析的有限元模型，研究了座椅设计参数和碰撞强度对颈部软组织损伤风险的影响和各种情况下颈部损伤的原因。研究的颈部响应参数有：韧带伸长率、椎间盘载荷和应力、椎骨皮质骨和松质骨应力等。分析了各种碰撞情况下的乘员颈部损伤机理。头枕距离和高度对颈部组织的损伤参数有很大影响，随着头枕距离的增大和头枕高度的降低，颈部组织的损伤风险增大；适当的减小靠背上部刚度和增大靠背下部的刚度有利于减小颈部组织的损伤风险；安装刚度特性合适的可变形调角器，可以减小颈部组织的损伤风险；碰撞加速度比碰撞速度对颈部组织的损伤风险有更大的影响，减小碰撞加速度尤其是头部与头枕接触之前的加速度非常有利于减小颈部损伤风险。研究结果表明通过以下措施可以有效地降低颈部损伤参数：增大头枕高度和减小头枕距离；适当减小靠背上部刚度和增大靠背刚度；安装合适刚度的角度调节器减小乘员胸部加速度；增大座椅的吸能能力，减小乘员的回弹。
作者：	肖志
专业：	车辆工程
导师：	杨济匡
授予学位：	博士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2007
正文语种：	中文