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基于人体有限元模型的公交车乘员碰撞损伤仿真分析

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基于人体有限元模型的公交车乘员碰撞损伤仿真分析

作者：高伟天津科技大学

学位级别：硕士

随着汽车保有量的不断增加,城市道路状况变得越来越差,特别是在上下班高峰和恶劣的天气条件下。公交车因其载客人数多、载客旅程短、上下客频率高等运输特性,在遇到紧急制动或碰撞等情况时,通常会出现大量乘员伤亡。目前仍缺乏客车的安... 详细信息

随着汽车保有量的不断增加,城市道路状况变得越来越差,特别是在上下班高峰和恶劣的天气条件下。公交车因其载客人数多、载客旅程短、上下客频率高等运输特性,在遇到紧急制动或碰撞等情况时,通常会出现大量乘员伤亡。目前仍缺乏客车的安全性能法规,且对于客车尤其是公交车的安全性能研究较少,因此对于公交车内乘员碰撞损伤的研究尤为迫切。基于某款公交车有限元模型,对其扶手栏杆、吊环把手、广告挡板及车载电视机等内部结构进行细化建模,并进行整车有限元模型的有效性验证。在此基础上,采用图斯特6岁儿童走姿有限元模型,对站立姿态的儿童乘员在公交车正面碰撞过程中的损伤进行仿真分析。由于城市道路的复杂性,公交车常发生紧急制动,采用6岁儿童混合有限元模型,选取公交车内儿童乘员典型的四个乘坐位置和两种不同的乘坐姿势(正坐和侧坐)分别对有无AEB紧急制动工况下儿童乘员的颅脑损伤进行仿真分析,研究AEB对儿童乘员颅脑损伤的影响。由于公交车载客量大且旅程短,乘员常站立于公交车内,采用第五十百分位混合有限元模型,建立具有手部抓握力的乘员—公交车耦合模型,对公交车正面碰撞工况下站姿乘员颅脑损伤进行仿真分析,研究不同站立位置,不同乘员面向角度和不同腿部横跨角对颅脑损伤的影响。分析了碰撞过程中乘员的运动学响应以及颅脑损伤,并对乘员颅脑损伤机理和致伤原因进行简要归纳。结果表明:公交车内站姿儿童乘员在公交车发生正面碰撞时,颈部及胸腹部均不会出现明显损伤,但颅脑会受到致命损伤。不同面向角度站立的儿童乘员运动学响应与损伤有所差异,面向车门站立的儿童乘员颅脑损伤最小,但仍有致死风险。公交车配备AEB时儿童乘员头部各损伤指标明显小于无AEB时,AEB能有效降低儿童乘员颅脑损伤风险。手部抓握力对站姿乘员运动姿态有一定影响,当乘员面向或背对公交车行驶方向时,手部抓握力对其运动学响应的影响最小,当乘员垂直于公交车行驶方向站立时,手部抓握力对其运动学响应影响最大。腿部横跨角度增大时,乘员沿垂直于公交车行驶方向的位移越大。脑组织剪切应力与Von-Mises应力的峰值位置与头部撞击位置有关,脑组织剪切应力与Von-Mises应力的峰值大小与BrIc呈线性相关,BrIc越大其对应的脑组织剪切应力与Von-Mises应力越大。

关键词：公交车有限元模型人体有限元模型乘员保护颅脑生物力学响应

基于高效高稳定性人体有限元模型的骑车人头部响应与损伤防护研究

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基于高效高稳定性人体有限元模型的骑车人头部响应与损伤防护研究

作者：孟恒帅湖南科技大学

学位级别：硕士

目前,头盔被认为是针对两轮车骑车人头部损伤最有效的防护手段,但现实事故中头盔防护下的骑车人头部高损伤风险表明,现有头盔设计仍有待进一步提升。同时,人体数值模型成为车辆碰撞中骑车人损伤和防护研究的重要工具,但现有人体有限元... 详细信息

目前,头盔被认为是针对两轮车骑车人头部损伤最有效的防护手段,但现实事故中头盔防护下的骑车人头部高损伤风险表明,现有头盔设计仍有待进一步提升。同时,人体数值模型成为车辆碰撞中骑车人损伤和防护研究的重要工具,但现有人体有限元模型面临计算时效性、仿真稳定性和生物逼真度难以兼得的困难,从而制约了骑车人头部损伤和防护研究的进一步深入发展。因此,本文以建立兼具计算时效性、仿真稳定性和生物逼真度的人体有限元模型为基础,深入研究车辆碰撞中的两轮车骑车人头部响应特征,进而提出满足防护性能和轻量化需求的新型头盔设计,为两轮车骑车人安全防护提供理论依据和技术支撑。第一步,建立并验证高效高稳定性人体有限元模型:首先,提出并证明采用镂空化结构模拟人体实体组织冲击力学性能的可行性;然后,采用该建模方法对精细化的THUMS模型进行简化处理,建立具有镂空化皮下组织的整人有限元模型(命名为THUMS-HS模型),并通过尸体实验数据和真实事故人体损伤验证THUMS-HS模型的生物逼真度;最后,对比原始THUMS模型证明THUMS-HS模型的高计算时效性和仿真稳定性。结果表明:THUMS-HS模型各身体部位和整人动力学响应与尸体实验数据接近,能较准确预测真实车辆碰撞事故中的人体损伤风险,计算时效性比原始THUMS模型提高了近2/3,且在高能量碰撞中具有高仿真稳定性。第二步,研究车辆碰撞中的骑车人头部响应:首先,建立两轮车和EPS头盔有限元模型,基于上述建立的人体有限元模型,开展有无头盔防护下的车辆-两轮车-骑车人碰撞仿真分析;研究车辆碰撞中的两轮车骑车人整体运动学响应、头部动力学响应和生物力学响应特征,并分析车辆碰撞载荷下的骑车人头部潜在致伤因素和传统EPS头盔的防护性能。结果表明:骑车人头部与车辆接触碰撞可引起脑组织高应变和颅内压,佩戴传统EPS头盔虽能降低脑组织最大应变,但有可能增加骑车人头部碰撞速度,增大头部颅内压力。第三步,研究气囊式骑车人头盔设计及其防护性能:首先,提出气囊式头盔设计方法,建立气囊式头盔有限元模型,基于头盔内衬压缩形变确定气囊压力;然后,结合法规跌落冲击试验工况和车辆-骑车人碰撞工况,采用头部损伤动力学和生物力学评价指标,评价气囊式头盔的防护性能,并对比分析气囊式头盔相较于传统EPS头盔防护性能差异,揭示气囊式头盔防护机制。结果表明:本文设计的气囊式头盔相较原始EPS头盔质量约可减小30%,同时具有良好的防护性能,骑车人颅骨骨折和中度脑损伤风险分别控制在25%和35%以下。

关键词：高效高稳定性人体有限元模型骑车人头部损伤防护头盔设计

基于网格自动变形技术的肥胖儿童有限元模型建立和碰撞损伤研究

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基于网格自动变形技术的肥胖儿童有限元模型建立和碰撞损伤研究

作者：舒雅静重庆大学

学位级别：硕士

随着汽车安全技术的发展,儿童乘车安全性问题逐渐受到重视,儿童乘员的损伤防护技术取得了很大的进展。由于物质生活水平和现代医疗技术的提高,近年来全球肥胖率逐渐增长。然而和一般体型儿童相比,肥胖儿童在汽车碰撞事故中更易遭受伤害... 详细信息

随着汽车安全技术的发展,儿童乘车安全性问题逐渐受到重视,儿童乘员的损伤防护技术取得了很大的进展。由于物质生活水平和现代医疗技术的提高,近年来全球肥胖率逐渐增长。然而和一般体型儿童相比,肥胖儿童在汽车碰撞事故中更易遭受伤害。而且现有的碰撞测试假人和人体有限元模型等损伤评价工具都没有考虑儿童的肥胖体型特征。因此,肥胖儿童乘员的损伤研究已经成为汽车安全领域需要解决的重要课题。本文以10岁儿童有限元模型为研究对象,对肥胖儿童乘员的碰撞损伤进行了研究。首先研究了肥胖对儿童损伤风险的影响,对比了现有的儿童乘员损伤评价工具,并分析了儿童头部、颈部、胸部和腹部的解剖结构和常用损伤评价准则。其次,由于采用有限元模型研究碰撞过程中的人体响应以评价其损伤时,传统建模过程复杂耗时,因此开发了面向人体有限元建模的两种网格自动变形技术,以一个头部模型实例对比分析两种方法的精度和效率。然后在人体数据生成器(GEBOD)中输入儿童的年龄、身高和体重得到简单的肥胖儿童人体尺寸参数,获得肥胖儿童体表模型,并通过网格变形技术将基准模型整体映射得到一个网格精度合格的肥胖儿童有限元模型。最后通过滑台试验和胸-腹部撞击试验验证了模型的有效性,并对变形后的肥胖儿童模型和基准模型分别进行了高速和低速工况下的碰撞仿真,对儿童各部位损伤和安全带-人体接触响应进行了分析。研究结果表明,网格自动变形方法能够快速、有效的生成肥胖儿童有限元模型;和基准儿童模型相比,肥胖儿童的头部、颈部伤害值有所增加,肋骨腔及内脏器官的应力应变值增大导致胸腹部更易受到伤害,肋骨骨折风险增大;在高速工况下,肥胖儿童模型安全带的肩带力和腰带力峰值时间较基准儿童均有较大延迟,安全带和肥胖儿童模型的配合度明显降低。

关键词：肥胖儿童乘员人体有限元模型网格变形碰撞损伤

特定体征乘员有限元模型开发及其在碰撞安全设计中的应用

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特定体征乘员有限元模型开发及其在碰撞安全设计中的应用

作者：董文祥重庆大学

学位级别：硕士

随着汽车产业的高速发展,道路交通事故已经成为了人类伤亡最重要的原因之一。大量事故统计数据已经表明,相比于正常体型的中年男性乘员,老龄和肥胖乘员在车辆碰撞事故中往往有更高的损伤风险。随着人口老龄化和肥胖率的增加,这类弱势人... 详细信息

随着汽车产业的高速发展,道路交通事故已经成为了人类伤亡最重要的原因之一。大量事故统计数据已经表明,相比于正常体型的中年男性乘员,老龄和肥胖乘员在车辆碰撞事故中往往有更高的损伤风险。随着人口老龄化和肥胖率的增加,这类弱势人群在交通事故中的死伤人数会进一步增加。目前许多先进的安全技术不断地应用于车辆乘员约束系统,旨在提高乘员的碰撞安全性,但是这类约束系统大多是针对正常体型的中年男性乘员开发的,无法对多样化人体体型特征的乘员提供有效地保护。目前国内外也十分缺乏人体损伤评价工具来研究老龄和肥胖乘员的碰撞损伤。基于以上问题,本文主要针对特定体型人体有限元模型开发以及在碰撞安全中的应用展开研究。通过研究径向基插值函数和标志点选择方法,提出一种面向特定体型特征人体有限元建模的高效网格变形技术。以正常体型老年女性人体有限元模型CHARM-70F为基准模型,利用高效的网格变形技术快速得到不同肥胖特征的老年女性人体有限元模型,并结合尸体试验数据对不同肥胖特征的老年女性人体有限元模型进行验证。建立不同肥胖特征的老年女性人体正面碰撞仿真模型,对比分析不同体型特征乘员碰撞损伤,探讨肥胖对老年女性乘员碰撞损伤的影响。基于优化设计方法,针对特定体型特征的乘员开发出对应设计参数的乘员约束系统。最终形成一套集人体有限元模型开发技术、人体模型验证方法、人体碰撞损伤分析方法和乘员约束系统优化设计方法为一体的特定体型特征乘员碰撞安全保护系统,为多样化人体体型特征的乘员保护提供依据。研究结果表明,本文所提出的网格变形技术能够快速地开发特定体型特征人体有限元模型。通过对建立的人体有限元模型进行胸部冲击、腹部冲击、肩部冲击和盆骨冲击等局部试验仿真,能够验证特定体型特征人体有限元模型的有效性。通过分析特定体型特征乘员人体头部、颈部、胸部、下肢以及综合损伤风险,可以得出,相比于正常体型的人体,偏瘦体型、微胖体型和肥胖体型的老年女性人体在碰撞过程中具有更高的综合损伤风险。通过对乘员约束系统设计参数进行优化设计,偏瘦体型老年女性人体综合损伤风险降低6.08%,微胖体型老年女性人体综合损伤风险降低7.77%,肥胖体型老年女性人体综合损伤风险降低10.17%。

关键词：人体有限元模型网格变形损伤分析优化设计乘员保护

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底部爆炸条件下车内乘员的腹部损伤

吉林大学学报（工学版） 2021年第3期51卷 792-798页

作者：王波何洋扬聂冰冰许述财张金换清华大学汽车安全与节能国家重点实验室北京100084 中国北方车辆研究所北京100072 中国人民解放军32184部队北京100093

为了解车辆发生底部爆炸时乘员腹部致伤机制及损伤风险,构建了包含乘员、车体结构和爆炸流场的有限元仿真模型,研究了6 kg TNT爆炸当量下乘员胸腹部器官的动力学响应,对比了座椅冲击、地板冲击及安全带约束作用对腹部压力的影响,并基于... 详细信息

为了解车辆发生底部爆炸时乘员腹部致伤机制及损伤风险,构建了包含乘员、车体结构和爆炸流场的有限元仿真模型,研究了6 kg TNT爆炸当量下乘员胸腹部器官的动力学响应,对比了座椅冲击、地板冲击及安全带约束作用对腹部压力的影响,并基于实质性脏器平均应变能密度和腹部血管压力变化率两个指标分析了乘员腹部损伤风险。在冲击过程中,座椅推动乘员向上运动,造成腹部扩张;当乘员与座椅分离后,安全带限制了乘员向上运动,造成腹部收缩。仿真结果表明:座椅冲击对乘员腹部压力影响最大,其次为安全带约束作用;在本文模型中,乘员腹部血管压力变化率峰值为2.1 kPa/ms,腹部脏器发生损伤的风险较低。本文研究结果可为车辆防护设计提供参考。

关键词：车辆工程生物力学腹部损伤底部爆炸人体有限元模型

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基于正面碰撞实验的胸部损伤有限元分析

力学学报 2017年第1期49卷 191-201页

作者：肖森杨济匡肖志 Jeff R.Crandall 湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室长沙410082 弗吉尼亚大学应用生物力学研究中心美国夏洛茨维尔22911 查尔摩斯理工大学应用力学系瑞典哥德堡SE-41296

安全带的逐步使用极大地提高了车内乘员的安全性,但最近的交通事故研究表明,在正面碰撞工况下,乘员胸部损伤的防护效率还需要进一步提升.利用已验证生物逼真度的人体有限元模型和PMHS(post mortem human subjects)实验结果,建立配有安... 详细信息

安全带的逐步使用极大地提高了车内乘员的安全性,但最近的交通事故研究表明,在正面碰撞工况下,乘员胸部损伤的防护效率还需要进一步提升.利用已验证生物逼真度的人体有限元模型和PMHS(post mortem human subjects)实验结果,建立配有安全带的乘员有限元分析模型,研究在不同碰撞工况下安全带定位设计参数对胸部变形量和肋骨应力应变响应等损伤相关物理参数的影响,并提出在安全设计中为改进防护效率,有效减少胸部损伤风险的一种虚拟试验方法.参考PMHS实验,基于全球人体有限元模型建立了一个基准佩带有限元人体模型,结合实验中测试的运动学响应、安全带的拉伸力和胸部变形量指标验证其生物逼真度.通过参数分析研究正面碰撞中安全带高度位置、安全带角度和碰撞速度对乘员胸部损伤的影响.结果表明胸廓应力应变分布及胸部变形量对安全带的高度位置更加敏感,基于安全带设计参数变化预测的胸部变形量宏观指标和应力应变的微观指标的变化趋势一致.对乘员安全带相关的胸部损伤研究提供虚拟设计分析方法,相关胸部损伤机理的研究结果可为今后约束系统的优化设计提供参考.

关键词：安全带胸部变形量人体有限元模型正面碰撞应力/应变分布

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爆炸冲击波作用下人体肺部的损伤

爆炸与冲击 2022年第12期42卷 11-19页

作者：王波杨剑波姚李刚何洋扬吕华溢唐吉思许述财张金换清华大学汽车安全与节能国家重点实验室北京100084 中国人民解放军32184部队北京100093

为探究肺部爆炸伤的致伤机制与评价指标,构建了人体-爆炸流场有限元模型,通过与爆炸事故中人员损伤情况比对,验证了模型的有效性。共进行39个爆炸工况的数值模拟,通过改变爆炸当量与距离,使得胸部受到不同量级爆炸载荷作用,肺部损伤等... 详细信息

为探究肺部爆炸伤的致伤机制与评价指标,构建了人体-爆炸流场有限元模型,通过与爆炸事故中人员损伤情况比对,验证了模型的有效性。共进行39个爆炸工况的数值模拟,通过改变爆炸当量与距离,使得胸部受到不同量级爆炸载荷作用,肺部损伤等级从无损伤到严重损伤。通过分析爆炸流场分布、胸腔动力学响应、肺部应力分布等阐明肺部爆炸伤的力学机制。基于人体有限元模型输出的损伤响应,提出肺部爆炸伤的评价指标。研究结果表明:在爆炸载荷作用下,胸前壁高速撞击胸腔脏器,导致肺部产生应力波。随后在惯性作用下,胸前壁持续挤压胸腔脏器,并造成胸腔变形。应力波是造成肺部损伤的主要原因,胸腔变形挤压肺部造成的损伤风险较低。肺部损伤集中在靠近胸前壁及心脏的区域。胸骨速度峰值和胸骨加速度峰值可作为肺部爆炸伤的评价指标。胸部压缩量及黏性响应系数不能反映应力波对肺部造成的损伤,不适合评价肺部爆炸伤。

关键词：冲击波生物损伤力学肺损伤人体有限元模型

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底部爆炸条件下车内乘员损伤风险仿真评估

清华大学学报（自然科学版） 2020年第11期60卷 902-909页

作者：王波何洋扬聂冰冰许述财张金换清华大学汽车安全与节能国家重点实验室北京100084 中国人民解放军32184部队北京100093

在近年来发生的几场局部战争中,地雷及简易爆炸物造成了大量人员伤亡。为了解车辆底部爆炸条件下车内乘员的损伤特点,构建了包含乘员、车体结构及爆炸流场的仿真模型,研究了车辆乘员身体主要部位损伤风险。利用LS-DYNA的流固耦合算法求... 详细信息

在近年来发生的几场局部战争中,地雷及简易爆炸物造成了大量人员伤亡。为了解车辆底部爆炸条件下车内乘员的损伤特点,构建了包含乘员、车体结构及爆炸流场的仿真模型,研究了车辆乘员身体主要部位损伤风险。利用LS-DYNA的流固耦合算法求解爆炸流场与车体结构的相互作用,分析了爆炸冲击的传递路径及乘员典型运动姿态。基于人体有限元模型,以6 kg及8 kg TNT 2个爆炸当量工况为研究对象,对车辆乘员头部、脊椎、骨盆及下肢等身体部位进行损伤风险评估。仿真结果表明:对于佩戴安全带的乘员,其足踝部及胫腓骨损伤的风险最高,其次为骨盆及胸腰椎。研究结果可为车辆防护设计提供参考,从而提高乘员安全性。

关键词：汽车安全生物损伤力学车辆底部爆炸下肢人体有限元模型

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面向腰椎载荷与体压分布的坐姿人体有限元建模

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面向腰椎载荷与体压分布的坐姿人体有限元建模

作者：肖杨重庆大学

学位级别：硕士

由驾驶或乘坐汽车导致的不舒适感、疲劳以及下腰背部病变,已然成为汽车座椅舒适性研究中亟待解决的问题,合理的汽车座椅设计能有效地提高汽车乘坐舒适性。本文旨在建立可以反映人体体压分布、人体腰椎生物力学特性的人体生物力学多源信... 详细信息

由驾驶或乘坐汽车导致的不舒适感、疲劳以及下腰背部病变,已然成为汽车座椅舒适性研究中亟待解决的问题,合理的汽车座椅设计能有效地提高汽车乘坐舒适性。本文旨在建立可以反映人体体压分布、人体腰椎生物力学特性的人体生物力学多源信息统一模型,并利用模型探究了汽车座椅设计参数对座椅舒适性的影响规律。基于Poser软件数据库中的人体腰椎几何模型,使用Hypermesh软件建立了一个包含详细韧带、椎间盘、胶原纤维等结构的腰椎有限元模型,以关节活动度、椎间盘压缩量及椎间盘内压为评价指标,在多种载荷条件下对腰椎有限元模型进行了生理特性验证。结果表明该腰椎有限元模型的关节活动度、椎间盘压缩量及椎间盘内压均与前人实验数据及有限元仿真结果有较高的一致性,能准确反映人体腰椎生物力学特性,具有很好的生物仿真度。在Hybrid Ⅲ假人模型基础上,添加经验证的腰椎有限元模型,并对Hybrid III假人模型的重要部位进行了调节和修改,建立了一个完整的人体有限元模型。通过体压分布实验,同时参考前人实验研究文献对人体有限元模型进行体压分布特性、人体体段质量及人体中腰椎生物力学特性验证。结果表明体压仿真结果与体压实验结果有较好的一致性,人体有限元模型体段质量分布合理,人体中腰椎生物力学特性与前人实验研究结果有较好的一致性,该人体有限元模型具有很好的生物仿真度。运用经良好验证的人体有限元模型探究了汽车座椅靠背角对座椅舒适性的影响机理,通过建立座椅靠背角分别为5、7、10、13、15、17、20、23、25、27、30的人椅系统有限元模型进行仿真分析。结果表明当座椅靠背角在23至30°区间内时,L1-S1各节段椎间盘内压及纤维环应力平均值相较于靠背角在5至20区间时有较大程度降低,且在该区间内变化不大;同时该靠背角区间内表征座椅静态舒适性的平均压强最小,人体与坐垫间体压分布最为均匀,充满神经系统和血管的大腿部位压力最低。结合临床医学研究结果、汽车座椅布置与设计理论以及汽车行业相关企业标准等,23至30区间为汽车座椅靠背角的舒适区间,表明人体腰椎椎间盘内压及纤维环应力可作为座椅舒适性的评价指标,且在合理椎间盘内压或纤维环应力阈值内,其值越低,汽车座椅舒适性越好。

关键词：腰椎有限元模型人体有限元模型体压分布腰椎生物力学座椅舒适性