小偏置碰撞颈部肌肉主动力对驾驶员头颈部损伤研究

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随着国内汽车保有量急速上升,随之道路交通事故数量也在急速上升。在交通事故中,非致命的损伤占很大的比例,其中乘员身体受伤的种类繁多,而颈部损伤是其中最难以根治、损伤机理最复杂的一种,给伤者带来长期的负担。20世纪50年代有人开始研究事故中乘员头颈部的动态响应,但都是通过尸体或者志愿者进行实验,容易触碰道德伦理的底线。而现如今,逐步有通过有限元数值仿真模拟现实中人头颈部的动力学响应的研究,不仅不违背伦理道德,而且实验的自由度高,可以获得许多志愿者和尸体实验所不能的获得的数据。本文主要研究目的是建立一个具有较好生物逼真度的基部肌肉模型,并将其与50百分位的HybridⅢ假人模型组合成混合假人模型,对混合假人模型进行验证,并在不同强度的25%偏置碰撞条件下对头颈部的动力学响应进行分析,研究对比在加载肌肉主动力和未加载肌肉主动力的情况下,不同碰撞强度时头颈部模型内各结构(颈椎、椎间盘等)的动力学和生物力学响应。本文先统计分析了近几年的交通事故数据,分析了解到对头颈部损伤研究的重要性,分析文献中对头颈部损伤机理的研究,并讨论了对头颈部损伤的研究意义;学习整理颈部解剖学资料,基于一个50百分位的假人模型,建立了一个颈部肌肉模型并将其与基础模型组合连接,并对肌肉模型材料特性进行定义,体现该混合假人颈部肌肉的主动力响应特性,并对其进行验证,结果表明该混合假人能用于之后的实验仿真。选取某公开的整车模型,并对其进行验证,结果表明整车模型具有良好的可靠性,然后建立了一个带有约束系统的驾驶舱代理碰撞模型,对比在各强度下肌肉主动力激活与否时,头颈部的动力学和生物力学响应。研究结果表明,在低强度(40km/h)碰撞下,肌肉主动力有减小颈椎最大应力值的作用。在中强度(50km/h)碰撞下,主动力不仅能减小颈椎和椎间盘的最大应力值,同样能使集中在颈椎脆弱部位的应力平衡到前端强度较高的位置,此现象在中强度碰撞下较为明显。在高强度碰(64km/h)撞下,对于减小最大应力值不明显,但改变最大应力集中位置也有明显的效果。
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