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行人在汽车碰撞事故中下肢损伤的有限元仿真研究

作　者: 蔡志华
导　师: 兰凤崇；揭敢新
学　校: 华南理工大学
专　业: 车辆工程
关键词: 行人下肢 骨折 损伤生物力学 有限元方法 计算机仿真
分类号: U467.14
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


在行人---车辆碰撞事故中,行人因为没有保护而成为易受伤害群体,事故发生率高。统计数据显示,行人事故中下肢是主要的受伤部位。目前,国内外已经进行了大量针对行人下肢损伤保护的研究,然而,实际的汽车与行人碰撞过程中,汽车前部结构参数对行人下肢损伤有直接影响。为了减少行人在碰撞事故中下肢的损伤风险,本文采用有限元分析的方法,研究了行人下肢的碰撞生物力学响应和损伤机理,并模拟分析预测了下肢的骨折风险,研究结果可为改进车辆保险杠系统的安全性能提供依据。行人下肢有限元模型根据人体下肢的结构建立。模型由骨骼组织和韧带组织构成。其中,有较大骨折风险的长骨包括股骨、胫骨和腓骨用实体单元建模以获得较好的力学响应特性。其他部分由壳单元和弹簧-阻尼单元构成。本文中分析了国内外行人保护的研究方法和研究现状,行人安全法规和标准,以及仿真计算中用到的显式非线性有限元理论。采用了有限元仿真软件,建立行人下肢模型。模型的有效性通过模拟胫骨的弯曲实验和股骨弯曲实验,并比照相同条件下的生物试验结果验证。通过运用本模型,模拟了不同的高度的冲击载荷时下肢的生物力学响应和骨折情况,并通过比较不同载荷条件下下肢的力学响应,分析了碰撞位置等参数与下肢损伤之间的联系。本文的研究结果表明,在相同速度的条件下,适当降低汽车前部保险杠的高度可以降低行人下肢的损伤风险。人体下肢的有限元模型具有较好的生物逼真度,可用于研究下肢的生物力学响应和损伤机理。对于本模型而言,在模拟下肢的软组织结构和更合理的失效机制两个方面有待改进。该模型的建立对国内的行人下肢损伤研究和防护技术开发将起到一定的作用。本文为研究行人与汽车碰撞生物力学问题和开发行下肢的防护技术,提供了一套有效的工具和仿真分析方法。模拟计算结果可作为车辆安全的参考依据。

全文目录


摘要  6-7
ABSTRACT  7-11
第一章 绪论  11-21
  1.1 选题背景及研究意义  11-12
  1.2 国内外研究历史  12-14
  1.3 国内外研究的主要内容  14-16
    1.3.1 交通事故调查与分析研究  14-15
    1.3.2 损伤生物力学研究  15
    1.3.3 行人模型研究  15
    1.3.4 行人冲击器模型研究  15-16
  1.4 行人安全法规  16-19
  1.5 课题研究重点  19-20
  1.6 本章小结  20-21
第二章 下肢结构与下肢逆向建模  21-29
  2.1 人体下肢的结构  21-24
    2.1.1 股骨  21-22
    2.1.2 髌骨  22
    2.1.3 小腿骨  22-23
    2.1.4 膝关节  23-24
  2.2 下肢几何模型的建立  24-28
    2.2.1 逆向工程介绍  24
    2.2.2 ATOS 扫描仪工作原理  24-25
    2.2.3 股骨逆向建模  25-27
    2.2.4 髌骨逆向建模  27-28
    2.2.5 胫骨逆向建模  28
    2.2.6 腓骨逆向建模  28
  2.3 本章小结  28-29
第三章 下肢有限元模型的建立  29-41
  3.1 有限元基础  29-33
    3.1.1 运动学与动力学关系  29-30
    3.1.2 约束条件  30
    3.1.3 有限元方程  30-31
    3.1.4 数值计算  31-32
    3.1.5 接触碰撞处理  32-33
  3.2 行人下肢有限元模型的建立  33-36
    3.2.1 行人下肢损伤机理  33-34
    3.2.2 建模方法  34-35
    3.2.3 建模步骤  35-36
  3.3 有限元骨骼模型  36-39
    3.3.1 有限元胫骨和腓骨模型  37-38
    3.3.2 有限元股骨模型  38
    3.3.3 有限元膝关节模型  38-39
  3.4 本章小结  39-41
第四章 下肢有限元模型的验证  41-46
  4.1 胫骨模型的验证  41-43
  4.2 大腿模型的验证  43-45
  4.3 本章小结  45-46
第五章 行人下肢碰撞参数研究与下肢防护对策探讨  46-58
  5.1 碰撞位置  46-49
  5.2 碰撞速度  49-50
  5.3 碰撞器的刚度  50
  5.4 下肢动力学响应  50-53
  5.5 行人腿部防护对策探讨  53-57
    5.5.1 改变保险杠的高度  53
    5.5.2 采用吸能型保险扛  53-55
    5.5.3 优化车辆前部结构形状  55
    5.5.4 降低碰撞区域的刚度、改进碰撞区域的能量吸收特性  55-57
  5.6 本章小结  57-58
总结和展望  58-60
参考文献  60-63
攻读硕士学位期间取得的研究成果  63-64
致谢  64

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中图分类: > 交通运输 > 公路运输 > 汽车工程 > 汽车试验 > 整车试验 > 安全、冲撞、破坏试验
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