人体颈部动力学响应分析有限元模型的建立和验证

根据汽车碰撞事故中人体颈部损伤防护技术研究的需要。建立了一个人体颈部三维有限元模型。该模型参照人体解剖结构模拟了颈椎骨、椎间盘、小关节、韧带、肌肉和软骨等组织，共由15811个单元构成。各组织的材料特性采用了弹性、粘弹性、和刚性材料模型来描述．模型用前碰撞志愿者实验数据进行了验证。其头部的加速度、位移曲线与实验数据得到了较好的吻合。本文初步研究了软组织特性参数对于颈部运动的影响。该模型具有较高的生物逼真度，可对头颈部在汽车碰撞载荷条件下的加速度、速度、位移等动力学响应参数进行分析研究。     

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.     

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.     

基于颗粒法的安全气囊仿真及应用分析

基于颗粒法理论对压力容器试验和气囊静态离位摆锤试验进行模拟,验证了颗粒法模拟气囊展开过程的有效性.将颗粒法应用于乘员约束系统中气囊的展开模拟,建立正面碰撞台车有限元模型.通过假人头部响应的仿真与试验对比分析,进一步表明颗粒法能够用于气囊展开过程的准确模拟,为乘员约束系统开发与仿真等工程应用提供可借鉴的方法.     

儿童约束系统模型建立及其损伤的初步研究

文章运用多刚体动力学和有限元耦合的方法建立了儿童约束系统(CRS)仿真模型,对整个仿真模型的有效性进行了验证;应用MADYMO软件模拟了侧碰撞中在不同的碰撞速度下车门侵入量、儿童乘员的乘坐位置对3岁儿童乘员损伤的影响.仿真结果表明:在侧碰撞中与碰撞速度有一定比例关系的车门侵入量对儿童乘员头部及胸部的损伤影响非常大,后排座椅靠近碰撞侧位置比非碰撞侧儿童乘员受损伤的风险要高.     

基于本构模型参数的肌肉主动力响应有限元分析

研究了肌肉主动力有限元模型的力学性能与稳定性,使其适用于头颈部动力学响应的仿真研究.运用准线性黏弹性被动单元与Hill主动单元相耦合的方法,建立了兔子胫前肌的有限元仿真模型.对比Myers实验数据验证了该模型在不同应变率下离心收缩的应力应变特性.同时研究了等长收缩与轴向压缩模式下的肌肉的力学特性.仿真结果表明,仿真模型与实验输出应力应变曲线具有较好的一致性,在相同应变情况下,最大应力误差仅为0.07MPa.该模型具有较好的计算稳定性与生物逼真度,能够满足人体颈部肌肉建模的需求.     

轿车-自行车碰撞事故再现及仿真试验

通过数值模拟方法对某一真实车-自行车碰撞事故案例建立车辆及人员的数值模型,人体损伤仿真结果与法医勘验结果吻合,验证了该模型的可靠性.以该模型为基础,对不同速度及不同撞击位置情况下的车-自行车碰撞虚拟试验进行计算,探讨了不同情况下人体抛距、头部最大加速度及小腿最大受力等信息的规律性.数值模拟技术与法医勘验工作相结合将为交通事故鉴定提供科学的理论依据和数值参考.     

客车侧翻碰撞中安全带对乘员损伤的影响分析

参照欧洲ECE R66法规要求,建立客车侧翻仿真模型及其乘员约束系统模型。利用LS_DYNA软件对客车侧翻碰撞试验和客车座椅动态试验进行模拟分析,并与试验结果进行对比,结果表明,有限元模型具有较高的精度。将4个HybridⅢ50%男性假人模型放置在客车最薄弱的车身段座椅上。对客车侧翻过程中,3种约束条件(无安全带、两点式安全带和三点式安全带)的乘员损伤情况进行分析。研究结果表明:无安全带约束时,假人头部和颈部将受到严重损害;两点式安全带和三点式安全带对于所有假人颈部及胸部的保护效果相近;两点式安全带能有效降低大部分假人的头部损伤风险,但碰撞侧外侧假人头部损伤值仍较高。     

中国人体上肢碰撞损伤有限元模型的开发

针对中国人体特征进行损伤生物力学研究的重要目的是为完善中国汽车安全法规提供科学依据.为了深入探讨中国人体损伤生物力学机理和损伤响应,根据中国人体解剖学结构,建立了具有较高精度的中国50百分位成年男性乘员的上肢有限元模型,包括上肢骨骼及关节、韧带、肌肉和皮肤等软组织.针对长骨骨干断面几何不均匀的特征,建立皮质骨不等断面厚度和形状连续变化的长骨数值模型.筛选并汇总国内外尸体实验数据,在准静态和动态加载下验证长骨和上肢模型的可靠性,以及肩关节侧面碰撞响应.结果表明,该模型能准确反映人体上肢损伤特性.     

汽车座椅有限元建模与计算

采用“壳 -体单元相结合”的方法建立座椅计算机辅助分析 (CAE)模型 .利用Ansys软件计算了座垫弹性 ,与座椅试验的力 -变形曲线对比 ,以验证建模与材料定义的正确性 .另外还利用正面模拟碰撞中乘员的运动响应 ,分析了座椅材料的软硬程度对乘员伤害指标的影响 .     

研究汽车碰撞中头颈部动态响应的有限元模型的建立和验证

建立并验证了一个基于人体解剖学结构的头颈部三维有限元模型．该模型由颅骨、脑、颈椎骨、椎间盘、肌肉、韧带和小关节组成,总节点数为17758,单元数21803,模型生物材料特性分别用弹性和粘弹性模型描述．整个头颈部模型应用关国海军生物力学实验室前碰撞志愿者实验及查尔摩斯大学后碰撞滑车实验的数据进行了验证．采用该模型计算了头颈部的加速度、角速度等运动曲线及HIC值．验证结果显示该模型具有较好的生物逼真度,可用于研究在汽车碰撞事故中头颈部损伤生物力学问题和开发损伤防护装置．     

人体下肢有限元动力学分析模型的建立和验证

为了研究行人碰撞事故中人体下肢的生物力学响应和损伤机理,建立了一个人体下肢有限元模型．模型按人体解剖学结构建立,由髋骨、股骨、胫骨、腓骨、膑骨、足骨、韧带、腱、关节囊以及髋关节、膝关节和踝关节构成．采用了壳单元和线性弹簧-阻尼单元来模拟骨骼和软组织．模型的边界和载荷条件根据汽车行人侧碰撞实验条件确定．通过比较仿真和实验在横向碰撞载荷条件下的剪切、弯曲响应结果,验证了模型的生物逼真度．分析了在不同加载条件下有限元模型的生物力学响应和应力分布,以及与下肢损伤风险的关系．     

行人下肢有限元模型的建立与验证研究

下肢损伤是行人与车辆碰撞事故中的主要损伤形式之一,建立具有较高生物逼真度的行人下肢有限元模型,可以为下肢保护提供有效的研究手段.在下肢长骨(股骨、胫骨、腓骨)、韧带(ACL,PCL,MCL,LCL)及膝关节得到全面验证的基础上,建立了包含骨骼、韧带、肌肉及皮肤等详细解剖学结构的行人下肢有限元模型,并定义了各组织间的接触.利用行人下肢弯曲的生物力学实验,对下肢有限元模型进行了整体弯曲验证.结果显示,下肢有限元模型的损伤形式、损伤发生时刻、膝关节弯矩和弯曲角度均与实验结果吻合较好,能够较真实地反映行人下肢的损伤和生物力学响应,具有较好的生物逼真度.     

车辆-行人碰撞中颅脑伤及动力学响应的研究

采用多体动力学软件开发建立的车辆行人碰撞仿真模型,模拟了碰撞事故中行人的动态响应,确定和分析了颅脑损伤相关的主要碰撞生物力学参数以及影响颅脑损伤的汽车前部结构主要设计参数.研究结果表明,限制车辆行驶速度、适当减小汽车前部结构刚度以及适当提高发动机盖缘高度可以很大程度上降低行人的颅脑损伤.     

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     

基于数值方法的预应力状态下复合材料板冲击响应研究

考虑初始拉伸应力或初始压缩应力的影响,对复合材料层合板的高速冲击响应进行研究。基于显式有限元方法,引入三维Hashin失效准则模拟层内纤维和基体的损伤和演化过程,结合Cohesive单元模拟层间分离破坏过程,建立数值模型,分析不同冲击能量下的预应力复合材料层合板的冲击响应。数值计算结果表明：预应力状态对冲击变形、冲击载荷峰值、冲击极限速度、分层损伤模式和损伤耗能分布均有影响;总体来说,压缩预应力降低了复合材料层合板的抗冲击性能,而拉伸预应力效果不能下定论。作为复合材料冲击过程的重要影响因素,预应力状态必须加以考虑。     

Q6儿童假人颈部有限元模型的建立与验证

运用逆向工程方法获得Q6儿童假人颈部几何模型并对其进行合理的网格划分,得到具有良好细节和较高精度的颈部有限元模型.通过参数敏感性分析,确定该颈部模型需要优化的材料参数,以真实假人颈部标定试验结果为基准,采用曲线匹配算法对相关材料参数进行正向和侧向标定试验,在2种工况下,对Q6儿童假人头部角度和力矩进行多目标优化,通过空间缩减序列的响应面优化方法经多次迭代得到优化结果.仿真结果表明,该有限元模型较好地满足了Q6儿童假人颈部的标定要求.     

双钢板混凝土组合板在撞击荷载下的动力响应

为研究双钢板混凝土组合(SC)板的抗撞性能，本文采用ABAQUS建立了SC板在落锤撞击下的有限元模型，并通过已有SC板落锤撞击试验结果验证了数值模型的准确性.基于此，重点研究了构件钢板含钢率、撞击高度、材料强度、边界条件与撞击物形状等参数对该类构件动力响应的影响；最后利用简化能量守恒法计算了SC板跨中最大挠度.结果表明:在本研究参数分析范围内，钢板含钢率、撞击高度、撞击物形状与边界条件对该类构件动力响应影响较大，且当钢板含钢率大于4%时影响更加明显.建议的简化能量守恒法可有效预测SC板在撞击荷载作用下的跨中最大挠度.     

基于CT数据的股骨三维有限元建模方法

实现一种基于计算机断层成像(CT)数据的股骨三维有限元建模方法,用于生物力学研究。可视人计划(VHP)男性标本的冷冻CT序列图像分割后,用移动立方体算法三维重建股骨几何模型并转换为有限元网格,有限元网格设置各向同性和正交各向异性材料特性建立两个有限元模型,有限元模型施加双腿站立情况的边界条件进行有限元分析。结果表明,这两个股骨有限元模型能很好地和股骨解剖结构相符合。基于CT数据的建模方法可以快速并精确地建立各种骨骼的三维有限元模型。     

基于CT数据的股骨三维有限元建模方法

实现一种基于计算机断层成像(CT)数据的股骨三维有限元建模方法,用于生物力学研究。可视人计划(VHP)男性标本的冷冻CT序列图像分割后,用移动立方体算法三维重建股骨几何模型并转换为有限元网格,有限元网格设置各向同性和正交各向异性材料特性建立两个有限元模型,有限元模型施加双腿站立情况的边界条件进行有限元分析。结果表明,这两个股骨有限元模型能很好地和股骨解剖结构相符合。基于CT数据的建模方法可以快速并精确地建立各种骨骼的三维有限元模型。