基于骨折特性的颅脑损伤建模及碰撞伤害研究
【摘要】在交通事故中,颅脑损伤是经常会造成乘员重伤甚至死亡的一类损伤,其中颅骨骨折是一种常见的严重颅脑损伤,且颅骨是脑组织结构的重要保护器官,故有必要进行颅骨骨折损伤类型、致伤机理方面的研究,并将研究成果应用于交通事故过程中损伤评估方法的建立和防护措施的优化设计。有限元方法为颅脑损伤研究提供了有力工具,能够模拟碰撞过程中颅脑损伤的类型,并且能够量化分析损伤的严重程度,而有限元仿真结果的准确性,取决于颅脑有限元模型结构与真实颅脑结构的相似程度以及较真实的颅脑生物力学材料的选用。国内外大多数颅脑有限元模型主要关注脑组织的损伤,而在颅骨结构,特别是面骨结构方面简化较大,且由于有关颅骨研究的材料参数缺乏,仿真过程中无法真实模拟颅骨骨折类型。为了更准确描述在碰撞过程中颅骨的生物力学响应,本文基于真实人体解剖学结构建立了具有骨折特性的颅骨损伤模型,根据国外参考文献中有关颅骨特性研究的尸体实验数据对模型进行了多方面验证,并且最终将模型应用于车辆正面碰撞中头部与未安装安全气囊的方向盘碰撞的实际工况,对影响碰撞损伤的多种因素进行分析研究。最早的三维头部有限元模型建立于1975年,国内外学者经过近四十多年的研究,在颅脑模型的建立和颅脑损伤生物力学方面已有很多研究成果,但为使颅脑有限元模型能够全面应用于车辆事故损伤评估还需要进一步改进。本文在阅读并总结颅骨损伤类型、损伤机理、模型建立方法等研究成果的基础上,根据颅脑解剖结构,对50百分位中国人颅骨及面骨几何模型进行合理的网格划分,得到具有完整解剖学结构的颅脑有限元模型。模型主要结构较详细的颅骨、面骨结构以及头皮、脑脊液及包括大脑、小脑、大脑镰和小脑幕的简易脑组织结构。其中颅骨分为厚度不均匀的三层网格,代表两层皮质骨和中间松质骨的夹层结构。面骨主要结构包括鼻骨、颧骨、上颌骨和下颌骨。整个模型由138569个节点,122375个实体单元和16141个壳单元组成,头部模型质量为4.57kg。颅骨材料采用弹塑性材料,并通过网格删除模拟颅骨骨折的病理现象。为了验证颅脑模型的有效性,本文基于Yoganandan液压锤冲击实验、Verschueren双摆锤冲击实验和Nyquist及Allsop的面骨骨折实验这四种针对颅骨骨折的国外尸体头部实验数据,根据文献中描述的实验装置和实验条件利用LS-DYNA软件对颅脑有限元进行加载及仿真计算,输出颅骨碰撞接触部位上的接触力-变形曲线,仿真结果不仅在力学曲线上和实验结果相似性较好,而且在骨折方式上也和实验结果吻合。因此说明具有骨折特性的颅脑有限元模型具有较高的生物逼真性,可以应用于交通事故颅骨损伤的仿真模拟分析。最后通过车辆正面碰撞事故中,头部与未安装安全气囊的方向盘在不同车速和不同倾斜角下碰撞工况的模拟,预测颅骨骨折发生的可能性,并探究碰撞速度和方向盘倾斜角对头部损伤的影响。研究表明,碰撞速度对头部HIC值影响较大,对颅骨骨折损伤的影响较明显,接触力会随着碰撞速度的增加而增加。方向盘的倾斜角对头部HIC值得影响较小,且在一定方向盘倾斜角范围内的接触力最小。本文研究基于50百分位中国人建立了基于骨折特性的颅脑有限元模型,利用多种尸体头部碰撞实验对颅骨不同位置的损伤进行了全面的探究,为今后车辆事故重现提供了参考。
【作者】王丹;
【导师】宋学伟;
【作者基本信息】吉林大学,机械工程,2014,硕士
【关键词】正面碰撞;损伤生物力学;有限元建模;颅骨骨折;碰撞仿真分析;
【参考文献】
[1]田永宏,郑尚德,许剑勇.基于数据挖掘的虚拟仪器测量数据管理系统[J].计算机测量与控制,2003,10:745-748.
[2]李红雨.基于差量成本的铁路货车集结模式分析研究[D].北京交通大学,2014.
[3]高飞.基于单目视觉的行人检测算法研究与实现[D].东北大学,计算数学,2010,硕士.
[4]李恩勇.含阳离子侧链聚噻吩衍生物的合成及应用[D].济南大学,化学工艺,2012,硕士.
[5]王世伟.高速铁路区段通过能力计算及其系统开发[D].北京交通大学,2013.
[6]张宇.特大型沉箱预制、出运及安装工艺的研究[D].大连理工大学,建筑与土木工程(专业学位),2013,硕士.
[7]何良,刘皓,刘扬礼,刘瑞芳,曹君慈,叶军.PWM变频驱动电机轴电压与轴电流的测试方法[J].环境技术,2015,02:10-15.
[8]乔雁翔.SPae抑制炎症反应和细胞泡沫化的作用及其机制研究暨支架相关Meta分析[D].山东大学,急诊医学(专业学位),2014,博士.
[9]赵小漫.侵权诉讼中救助措施的证据适格研究[D].苏州大学,诉讼法学,2013,硕士.
[10]闫汶.1α,25-(OH)_2D_3对破骨细胞生成和活力的影响[D].扬州大学,临床兽医学,2011,硕士.
[11]张福玲.公司治理结构、股权激励对高管套现行为的影响研究[D].浙江理工大学,企业管理,2013,硕士.
[12]侯巧省.地铁减振轨道的轮轨振动特性研究[D].北京交通大学,2014.
[13]薛坤.办公形态及其演绎的初步研究[D].南京林业大学,木材科学与技术,2004,硕士.
[14]王兰荪.数控切削参数初步研究[J].航空工艺技术.1991(06)
[15]袁雯静.联盟能力、网络创新与网络演化关系研究[D].浙江工业大学,2012.
[16]刘楚乔.爆炸焊接质量的影响因素及参数优化分析[D].武汉理工大学,岩土工程,2003,硕士.
[17]王韡.曲古菌素A调控Survivin干预神经胶质瘤凋亡的研究[D].吉林大学,药理学,2014,硕士.
[18]宋宇,孙富春,李庆玲.移动机器人的改进无迹粒子滤波蒙特卡罗定位算法[J].自动化学报,2010,06:851-857.
[19]邵蕾.中药治疗子宫内膜异位症性不孕的临床现状分析[D].黑龙江中医药大学,中医学(专业学位),2013,硕士.
[20]方媛.公允价值计量下的上市公司盈余管理探讨[D].江西财经大学,会计学,2013,硕士.
[21]赵寰宇.国家形象之国际政治营销学分析[D].上海外国语大学,外交学,2013,硕士.
[22]张博.表面修饰纳米TiO_2和SrTiO_3光催化剂的贮氢合金电极的光电特性研究[D].浙江工业大学,应用电化学,2004,硕士.
[23]赵玉遂.山东省HIV感染者/艾滋病病人HCV、HBV、TP感染状况及相关研究[D].济南大学,流行病与卫生统计学,2012,硕士.
[24]李佳音,包景岭,邹克华,李伟芳.硫醇的嗅阈值与分子结构之间的关系[J].环境化学,2015,02:293-298.
[25]王红瑀.北京地铁军事博物馆站客流组织动态仿真分析[D].北京交通大学,2014.
[26]鲍丽敏.基于EVA的上市公司并购绩效评价体系构建[D].上海大学,会计学,2012,硕士.
[27]朱丽红.HOXA10与MMP-9在胚胎着床中的相关性及可能的相关信号传导通路研究[D].复旦大学,妇产科学,2012,硕士.
[28]岳一领,李东生.基于数据挖掘技术的煤矿远程监控系统研究[J].太原理工大学学报,2005,02:211-215.
[29]姜丽红,孔令刚,蔺港,陈云敏.不同桩头约束下水平受荷单桩简化计算方法[J].工程力学,2014,11:63-69.
[30]蒋建国,张国富,夏娜,苏兆品.一种基于理性Agent的任务求解联盟形成策略[J].自动化学报,2008,04:478-481.
[31]路兆军.大豆疫霉磷脂酰肌醇转移蛋白PsPITP1功能分析[D].南京农业大学,植物病理学,2013,硕士.
[32]倪畅.语际翻译中熵变现象的原因探析与策略应对[D].复旦大学,MTI,2012,硕士.
[33]黄惠芳.杭州市优质油菜主推品种特征特性及其高产栽培技术研究[D].浙江大学,作物学(专业学位),2012,硕士.
[34]刘满华.SYYH个人住房抵押贷款违约风险管理研究[D].湘潭大学,工商管理,2011,硕士.
[35]苏丹.陕甘宁边区的婚姻判例研究[D].郑州大学,法律史,2013,硕士.
[36]胡华征.生态移民的自愿与非自愿性研究——内蒙古阿拉善盟孪井滩调查[D].中央民族大学,社会学,2004,硕士.
[37]陈伟.三种TWIN-BLOCK矫正器病人满意度影响因素的对比性研究[D].青岛大学,口腔正畸学,2003,硕士.
[38]刘路宁.玉米大斑病菌有性杂交后代的生物学特性及其毒素组分分析[D].河北农业大学,植物病理学,2004,硕士.
[39]罗安民.“学历教育合训”学员领导能力培养的管理方法研究[D].国防科学技术大学,2004.
[40]周芳媛.基于Zigbee技术的智能家居系统设计[D].大连理工大学,电子与通信工程(专业学位),2013,硕士.
[41]刘于麟.民转刑案件量刑中导入民意的调查报告[D].西南政法大学,法律(专业学位),2012,硕士.
[42]郭豫民.天津农行IC卡应用系统安全性研究[D].四川大学,电子与通信工程,2003,硕士.
[43]韦伊芳.分泌型microRNA-221/222增强ER阳性乳腺癌对他莫昔酚耐药性的机制研究[D].第四军医大学,生物化学与分子生物学,2014,硕士.
[44]赵妍.应用FLUENT对管路细部流场的数值模拟[D].大连理工大学,水力学及河流动力学,2004,硕士.
[45]鲁旭.《樵史通俗演义》研究[D].湖南师范大学,中国古代文学,2014,硕士.
[46]常文娟.长春市肢体残疾人社区康复服务利用现状及影响因素研究[D].吉林大学,护理学,2014,硕士.
[47]孟亚松.高速铁路应答器A接口仿真及系统优化的研究[D].北京交通大学,2015.
[48]罗亚希.我国商业银行逆周期资本缓冲机制研究[D].厦门大学,金融学,2014,硕士.
[49]孙丹荣.建筑的外交语言[D].清华大学,建筑及土木工程(专业学位),2012,硕士.
[50]王安红.分布式视频编码研究[D].北京交通大学,2009.
- 下一篇: 铸铁轧辊表面激光合金化工艺研究
- 上一篇: 不完备市场下期货合约的中性和无差异定价