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高速冲击下人体头颈部损伤分析

作　者: 姜文
导　师: 薛强
学　校: 天津科技大学
专　业: 机械制造及自动化
关键词: 高速冲击头颈部有限元接触损伤分析
分类号: R651.15
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

人体头颈部在受到高速冲击时,大脑、颈椎和椎间盘等组织都是容易发生损伤的部位。通常高速冲击下会产生脑震荡、颈椎的断裂、错位、椎间盘突出等伤害,严重的还会造成人的死亡,而且其发生率也比较高。人体头颈部损伤的发生,必然会给伤员及其家庭带来很大的痛苦,也会造成巨大的社会经济损失。因此,研究高速冲击下人体头颈部的损伤机理,明确人体在受到冲击时损伤发生的部位和数量级,对于损伤的预防、后期治疗以及研究相应的保护装置意义重大。因为高速冲击会对人体造成很大的伤害,不能直接用人进行高速冲击实验,以获得人体的冲击生物力学响应情况。建立人体有限元生物力学模型,进行高速冲击载荷下的有限元动力学响应分析,从而在一定程度上代替人体实验,具有重要的理论意义和应用价值。在进行人体的有限元分析时,接触问题是经常碰到的。对接触问题的理解将直接影响有限元建模过程中单元类型、参数的选取以及计算的可靠性。本论文在分析人体头颈部组织结构的基础上,考虑人体组织的接触问题,建立了一个人体头颈部的有限元生物力学模型,模型中包含的人体组织有颅骨、大脑组织、颈椎、T1胸椎、椎时强盘、头颈部主要韧带和肌肉群等。使用六面体单元和索单元等描述人体头颈部各组织,并在颈椎和椎间盘之间设置接触条件。而人体各组织的材料本构关系,则参考了国内外有关文献。为了验证该有限元模型的有效性,利用Nahum等人在1977年的头部撞击试验数据进行了头颈部有限元模型的分析和验证。有限元分析模拟的结果显示,本文建立的人体头颈部有限元模型在高速冲击下,其冲击动力学响应趋势和试验数据基本吻合,能够在一定程度上用来代替人体进行高速冲击下的动力学响应分析,从而为人体头颈部损伤的预防和保护提供较好的帮助。对验证后的有限元模型进行了人体头颈部高速冲击分析,得到了头骨、大脑、椎骨、椎间盘以及韧带等的动力学响应参数,分析了人体头颈部各组织的时间应力应变分布情况,结合医学临床情况进行了人体损伤预测和分析。结果表明,颈部NIC曲线超出颈部耐受阈值,C6、C7颈椎处易出现椎骨骨折、椎间盘突出等损伤。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
1 绪论  9-12
  1.1 高速冲击研究的意义  9
  1.2 人体头颈部有限元法研究现状  9-10
  1.3 研究目的及内容  10-12
2 头颈部解剖学基础  12-22
  2.1 人体头部解剖结构  12-16
    2.1.1 颅骨  12-14
    2.1.2 脑组织  14-15
    2.1.3 头部肌肉的解剖结构  15-16
  2.2 人体颈椎解剖结构  16-19
    2.2.1 普通颈椎  17-18
    2.2.2 特殊颈椎  18-19
  2.3 颈部相关软组织的解剖结构  19-22
    2.3.1 韧带的解剖结构  19-20
    2.3.2 颈部肌肉的解剖结构  20-21
    2.3.3 椎间盘的解剖结构  21-22
3 头颈部模型的建立与验证  22-35
  3.1 确定建模对象  22
  3.2 头颈部几何模型建立  22-24
    3.2.1 初步几何模型  22-23
    3.2.2 实体模型  23
    3.2.3 完整几何模型  23-24
  3.3 头颈部有限元模型建立  24-28
    3.3.1 划分网格  24-25
    3.3.2 脑组织有限元模型建立  25-26
    3.3.3 软组织有限元模型建立  26-27
    3.3.4 设置单元类型、材料属性  27-28
  3.4 关于接触问题  28-32
    3.4.1 接触条件  29-30
    3.4.2 接触算法  30-31
    3.4.3 接触条件设置  31-32
  3.5 有限元模型的验证  32-35
    3.5.1 头部模型的验证  32-33
    3.5.2 头颈部后碰撞验证  33-34
    3.5.3 讨论  34-35
4 高速冲击下人体头颈部生物力学响应  35-42
  4.1 碰撞条件设定  35
  4.2 头部响应参数分析  35-36
  4.3 椎骨响应参数分析  36-38
  4.4 椎间盘响应参数分析  38-39
  4.5 主要韧带的响应参数分析  39-40
  4.6 颈椎椎体接触表面应力  40-42
5 冲击损伤分析  42-51
  5.1 头颈部损伤耐受性分析  42-47
    5.1.1 损伤判断准则  42
    5.1.2 颅脑损伤判断准则——HIC  42-43
    5.1.3 颈部损伤判断准则——NIC  43
    5.1.4 损伤评估  43-47
  5.2 损伤预测  47-51
    5.2.1 头部损伤  47-48
    5.2.2 颈椎损伤  48
    5.2.3 椎间盘突出  48-49
    5.2.4 韧带撕裂  49-51
6 结论及展望  51-53
7 主要参考文献  53-61
8 攻读硕士学位期间发表论文情况  61-63
9 致谢  63

高速冲击下人体头颈部损伤分析

内容摘要

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