汽车碰撞中胸-腹部的生物力学响应与损伤评价

统计表明,在汽车交通事故中人体胸部和腹部的损伤占很大的比例.为了研究汽车碰撞事故中人体胸腹部的生物力学响应与损伤机理,文中利用建立的人体胸-腹部生物力学有限元仿真模型,并引入国际同行已进行的相同部位尸体实验研究数据,对碰撞过程中人体胸腹部的生物力学响应进行了仿真分析.文献尸体实验与仿真过程中胸腹部的受力、加速度、胸腹部压缩变形量以及应力、应变分布等指标的对比结果表明,仿真结果与实验数据具有很好的一致性.研究表明,人体胸-腹部生物力学响应的有限元模拟能够准确地反应碰撞过程中人体胸-腹部的损伤程度,文中提出的模型可以用于汽车车身结构、约束系统、防护系统等方面的安全性设计和评估.     

基于颈椎动力学响应的座椅被动安全性研究

为研究汽车后碰撞中不同的座椅靠背结构对颈部损伤的影响,基于人体解剖学和实际座椅测量数据构建了人–座椅系统有限元模型.通过后碰撞仿真模拟,得到采用不同座椅靠背时人体颈椎的应力应变响应数据,以此数据为依据进行对比分析,找出了发生事故时对汽车乘员保护性能较好的一款座椅靠背骨架结构,或可为座椅的被动安全性设计提供一种行之有效的新思路.     

矢状面内人体屈伸运动的生物力学研究

研究了矢状面内人体从屈曲90°到直立过程中骨组织、椎间盘及韧带的力学规律.利用CT图像的Hounsfield值与弹性模量间的关系确定骨组织的材料模量,通过等效材料方法简化纤维环模型.在人体自重、外载荷及肌肉力作用下,分析矢状面内人体从屈曲90°到直立过程中的生物力学特点.结果表明:屈曲搬物时损伤发生在腰骶部及T10附近;椎间盘及椎弓根的危险部位在腰骶关节处;屈曲时胸椎后凸增大及重物靠近身体有助于减小肌肉的受力,避免或减少损伤的发生.     

胸部钝性冲击时刻对心脏损伤的影响

为研究与心动周期有关的胸部冲击时刻对钝性心脏损伤的影响,开发并验证了一个精细人体心脏生物力学模型,并针对40例处于不同心动周期的心脏进行胸部冲击仿真.心脏模型几何来源于医学影像,包含四个心腔、瓣膜以及主动脉、肺动脉等结构.通过Abaqus中基于面的流体腔方法考虑冲击过程中血液与心脏的流固耦合作用.心脏的不同状态采用各心腔内压力与瓣膜的激活与否来表征.仿真结果显示:(1)建立的心脏模型在胸部正面冲击下心内血压曲线在试验范围内,能够正确反应心脏的冲击响应.(2)乘员胸部正面冲击下,左心房的血压峰值为(164.91±17.33)kPa,明显高于右心腔,使二尖瓣损伤风险高于三尖瓣;右心心肌的应力值为(1887.07±168.74)kPa,远大于左心,导致右心更容易发生心肌破裂.(3)心脏处于心室充盈期受到冲击时,心肌应力为(1901.3±150.7)kPa明显高于其他时刻,更容易发生心脏损伤.(4)心腔内的初始血压对碰撞中的峰值血压影响不明显,Pearson相关系数小于0.2;而瓣膜的开闭状态对心肌的损伤风险影响较大.研究结果有助于进一步理解钝性心脏损伤机理,为车辆安全设计提供基础.     

某车型侧面碰撞假人胸部伤害优化分析

通过PSM_Scaling的方法对某车型侧面碰撞仿真假人伤害值进行拟合,在模型验证的基础上,对侧面气囊点火时刻和泄气孔尺寸进行优化,改善假人胸部伤害情况.优化后肋骨压缩量最大值有所降低,T12弯矩Mx和T12力Fy得到明显改善,通过实车试验对优化方案进行验证,结果表明,假人胸部得分提高了2.98分.     

基于汽车碰撞事故的人体头部有限元模型建立与验证

为研究汽车碰撞事故中人体头部损伤机理,建立并验证具有较高生物逼真度的头部三维有限元模型.采用计算机断层扫描和磁共振相结合的医学成像技术,利用数字图像识别和网格剖分技术,获得50百分位人体头部有限元网格.通过碰撞仿真分析,得到撞击力、颅内加速度、颅内典型碰撞位置(碰撞侧、碰撞对侧、上下枕骨)的应力和压力变化规律,并与国外经典的尸体试验数据进行对比分析.仿真分析结果与试验中颅内压力、颅内运动学等生物力学参数吻合良好,能够准确反映真实碰撞过程中人体头部的生物力学响应情况.建立的头部三维有限元模型精确度较高,能够进一步应用于汽车碰撞事故中人体头部损伤力学机理研究.     

考虑材料失效准则的吸能装置失效行为与碰撞特性

在对广义增量应力状态相关损伤模型(GISSMO)失效准则5个基本特性分析的基础上,以DP800为基础材料,从应变场分布、失效单元应力三轴度和应力-应变关系3个方面验证GISSMO失效准则在仿真过程中预测各向同性韧性材料失效的准确性;在此基础上,以挤压式与压溃式2种机车车辆常用吸能装置为研究对象,对比不考虑失效、考虑V-M应变失效准则,考虑GISSMO失效准则条件下,2种吸能装置的失效行为与碰撞特性。研究结果表明:GISSMO失效准则在描述各向同性韧性材料失效行为方面具有较大的优势;吸能装置在轴向碰撞过程中的应力三轴度处于不断变化中,采用考虑应力三轴度的GISSMO失效准则使得仿真结果更准确;针对压溃式吸能装置,在材料断裂应变较小时,采用GISSMO失效准则的仿真计算中结构压溃过程会出现大面积撕裂等失效行为,降低结构的碰撞力和吸能量,在此类吸能装置设计的材料选择中应选择断裂应变较大的材料。     

基于有限元模型的人体损伤脊柱的动态特性分析

为了研究在全身振动情况下损伤脊椎对其相临组织部件的影响,建立了一个腰椎L3-L5段的三维非线性有限元模型.研究对脊椎给予了几种损伤假设,如小关节切除、去髓核和后部结构切除等,并对这几种损伤情况进行了有限元瞬态分析.结果表明,腰椎在振动过程中不仅存在垂直方向的振动还伴随有仰俯运动.脊椎小关节可以限制腰椎仰俯运动的幅度以保护纤维环后部免受大的拉伸和高应力的危害.椎间盘去髓核会导致纤维环上高应力的产生和椎间盘鼓胀增大.在振动过程中,小关节的切除同样可以加速椎间盘的退化.     

特定制动工况下肌肉主动力对颈部损伤的影响

为研究特定制动工况下颈部肌肉主动力对人体颈部损伤的影响,建立了一个包含颈部详细几何结构并且具有肌肉主被动响应能力的混合假人有限元模型. 以特定制动工况加速度作为输入,研究当假人颈部肌肉分别处于放松和预先紧张状态下并佩戴某头盔时,颈部的运动学以及生物力学响应. 结果表明：在制动开始前,预先紧张颈部肌肉使头部质心水平加速度、头部相对T1胸椎水平位移以及转角3个运动学参数的峰值下降20%以上,导致颈部在整个运动过程中表现出了更好的稳定性. 从生物力学的角度来说,预先紧张颈部肌肉使得椎骨以及椎间盘最大米塞斯应力分别降低了36.95%和48.20%;颈部损伤评价指标Nij值降低25.06%,降低了乘员在该制动工况下颈部受伤的风险.     

密质骨厚度对儿童骨盆碰撞损伤影响分析

研究了应用有限元模型预测汽车侧面碰撞中儿童骨盆生物力学响应及损伤评估问题.首先,基于3岁儿童CT数据和有限元方法构建了一个具有真实人体解剖结构的3岁儿童骨盆有限元模型,并重构儿童尸体骨盆侧面碰撞实验,模型仿真结果与尸体实验曲线的趋势相一致,模型仿真结果大部分在尸体实验结果通道内,验证了模型的有效性.然后,应用该模型探讨了密质骨厚度对儿童骨盆损伤生物力学响应的影响.结果表明:儿童骨盆容易发生骨折的位置主要在耻骨支、骶髂关节、髂骨翼;密质骨厚度对儿童骨盆耻骨支的影响最大.该模型也为儿童骨盆碰撞损伤研究提供了有效手段.     

高速冲击下人体颈椎与椎间盘接触应力分析

建立了人体头颈部有限元生物力学模型,并在颈椎与椎间盘间设置接触.以15,g 加速度载荷施加于头颈部有限元模型的头部,进行高速冲击有限元分析,得出颈椎与椎间盘的接触应力分布情况.结果表明:高速冲击下 C6、C7间易发生椎间盘突出;在头颈部有限元模型中设置接触条件,可以更好地模拟头颈部的生理特性和动力学响应情况     

人工腰椎间盘置换术与椎间融合术的生物力学仿真

利用有限元法评估人工腰椎间盘置换术与椎间融合术的生物力学效果.基于CT图像数据建立腰椎L2~L5节段有限元模型,并在此基础上建立人工腰椎间盘置换和椎间融合2种手术模型.对有限元模型施加模拟生理载荷,计算两种手术模型各节段椎间活动度和小关节接触应力.仿真结果表明:相比椎间融合术,人工腰椎间盘置换术在手术节段产生了明显的运动保留功能,但置换节段在后伸和侧弯工况下活动度比正常腰椎增大40.9%和43.1%,易引起手术节段的轻度失稳;人工间盘置换术改善了上下邻近节段小关节的受力状态,但置换节段在扭转工况下会引发较高的小关节接触应力.     

路面随机振动下人体椎间盘关节力学特性分析

建立了L4-L5椎体关节的三维有限元模型,分别表示5种人体尺寸和不同的3种坐姿.研究当汽车在路面上行驶时,人体高度、体重和坐姿与脊椎关节压缩应力和剪切应力的关系.结果表明:弯曲坐姿时,脊椎承受的压缩应力和剪切应力最大.人体的高度和体重对于脊椎关节的静态剪切应力和压缩应力都会产生不同程度的影响.脊椎应力与座椅处振动的传递函数和驾乘人员的坐姿有着重要的关系,无论何种体型的人体,驾驶坐姿都比弯曲坐姿所承受的应力小,证明驾驶坐姿更舒适.     

PM Rene 95合金中夹杂物的微观力学行为

采用人工植入Al2O3夹杂物的试样,通过SEM原位观察及非线性有限元分析,研究了在单轴拉伸条件下P/MRene95合金中夹杂物与基体的相互作用机理.结果表明,不同尺寸及位置的夹杂物对拉伸进程影响不同;夹杂物/基体界面的裂纹萌生及扩展取决于界面附近基体材料的应力状态.     

汽车后翼子板冲压成形的有限元逆方法模拟

采用有限元逆方法模拟了汽车后翼子板的冲压成形过程，得到了最终构形的应力、应变和厚度分布以及初始毛坯形状．结果表明：后翼子板冲压件的应力应变分布并不均匀，凹模圆角附近、凸模圆角以及法兰的部分区域等效应力和等效应变较大；其厚度分布也不均匀，法兰大部分区域由于受双向拉应力作用，厚度明显变薄，而内部局部区域由于受双向压应力作用，厚度则明显增大，中心区域同时受拉、压两种应力作用，厚度变化相对较小．这些结果对后翼子板初始毛坯的选择、冲压加工过程控制等具有指导意义。     

轮式装载机前车架的有限元分析与结构优化

以某ZL50装载机前车架为研究对象,利用Pro/E软件建立三维实体模型,导入ABAQUS软件建立有限元模型.基于载荷-时间历程的动态有限元分析,获得典型工况下的前车架应力分布云图.结果表明:在举升和卸载工况下,局部结构应力峰值过大,应力集中位置较多;在应力集中位置增设加强筋和过渡圆角,并对加强筋板厚度进行优化后,前车架受力状况得到明显改善,应力集中现象得以消除,安全系数提高近200%.     

薄壁轴向微沟槽铜管高速旋压成形的数值模拟

利用有限元分析软件MSC.Marc建立了简化的1/4旋转对称模型,对薄壁轴向微沟槽铜管的钢球高速旋压成形过程进行模拟,并对成形特征和等效应力应变、残余应力的分布规律进行分析.结果表明:成形过程中,金属回弹效应会导致齿根部出现凹口缺陷;等效应力应变及三向应力应变沿轴向呈层状分布,沟槽管外壁面应力超过材料应力极限导致铜屑产生,且易出现断管现象;沟槽底部的等效应力应变和残余应力大于齿顶与外壁面的应力;过大的残余应力容易造成材料脆化,进而产生裂纹等缺陷.     

高强度U肋加劲钢板残余应力测试及模拟分析

为研究Q420级高强度U肋加劲钢板纵向焊接残余应力分布特点及影响因素,利用切割法对U肋加劲钢板进行了纵向残余应力测试,通过三维实体热弹塑性有限元模型和单元生死技术模拟了焊缝填充和焊接过程,比较分析了高强度钢和普通强度钢的残余应力分布特点,探讨了母板厚度及U肋的厚度、间距、宽度、高度对加劲板焊接残余应力的影响.研究结果表明,U肋两侧的焊接先后顺序并不影响加劲板的残余应力分布;非焊接区域残余压应力峰值和分布特点与板件材料的屈服强度基本不相关;板件厚度、U肋顶宽和U肋高度是影响高强度U肋加劲钢板焊接残余应力的主要因素.     

国产结构用铝合金断裂韧性参数校准

为了将空穴增长模型(VGM)和应力修正临界应变模型(SMCS)应用于国产结构用铝合金的韧性断裂预测,完成了国产6061-T6、6082-T6和7020-T6 3种牌号的铝合金标准圆棒试件和缺口圆棒试件的单轴拉伸试验,并结合有限元分析,校准了3种牌号铝合金的VGM和SMCS模型断裂韧性参数.研究结果表明:槽口半径大小对各牌号铝合金试件的断裂韧性参数校准值影响较小,离散系数均在20%以内;断裂韧性参数是铝合金材料固有属性,可用于国产结构用铝合金在不同应力状态下的韧性断裂预测;与SMCS模型相比,VGM模型能够更为精确地预测铝合金材料的韧性断裂.