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；

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