基于體征的參數(shù)化乘員有限元模型建立方法及應(yīng)用研究.pdf

1、世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)表明，每年約124萬(wàn)人死于道路交通事故，還有2000萬(wàn)至5000萬(wàn)人遭受非致命傷害。道路交通傷害會(huì)對(duì)受害者、其家庭以及整個(gè)國(guó)家造成很大的經(jīng)濟(jì)損失，預(yù)計(jì)至2020年道路交通傷害將成為全球疾病與傷害負(fù)擔(dān)的第三大因素。因此，汽車碰撞過程中的乘員安全問題成為汽車設(shè)計(jì)中的重要研究方向。但是，目前所涉及的碰撞假人以及人體有限元模型等乘員傷害評(píng)價(jià)工具，一般側(cè)重于50百分位男性乘員的保護(hù)，并未考慮人群中乘員體型和身材組成的多樣性。而在汽

2、車碰撞事故中，相對(duì)于50百分位的成年男性，老人、肥胖者、兒童、以及矮小女性均是易受傷害的人群。大量的事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，人體特征參數(shù)的變化，包括年齡、性別、身高以及BMI（Body Mass Index，身體質(zhì)量指數(shù)）對(duì)乘員的碰撞損傷具有重要的影響。例如隨著年齡的增加，乘員身體各部位受到MAIS3+的傷害均會(huì)增加，特別是胸部、頭部、下肢以及脊柱等部位。在汽車正面碰撞事故中，肥胖乘員胸部受到AIS2+和AIS3+傷害的幾率比正常體重乘員高出

3、26％和33％，而當(dāng)保持其它碰撞條件不變的情況下，女性受到MAIS3+和MAIS2+傷害的幾率比男性分別高出了47％和71％。如果考慮到不同參數(shù)之間的相互作用，例如肥胖的老年乘員、肥胖的兒童乘員以及老年的女性乘員，其傷害程度會(huì)更加嚴(yán)重。但是，目前所有的乘員損傷評(píng)價(jià)工具均無(wú)法對(duì)上述乘員類型的損傷進(jìn)行研究。因此，為研究不同體征參數(shù)對(duì)乘員損傷的影響機(jī)理，本文利用幾何形狀統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)以及網(wǎng)格變換技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于年齡、身高、性別以及BMI的參數(shù)化

4、乘員有限元模型建模方法，并將所建立的參數(shù)化模型應(yīng)用于汽車前后排座椅約束系統(tǒng)中，開展了不同體征乘員的損傷機(jī)理以及防護(hù)研究，具體的研究重點(diǎn)與創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　1、建立了基于年齡、身高、性別以及BMI等體征的參數(shù)化骨骼有限元模型。通過不同人體的CT掃描數(shù)據(jù)，基于形狀統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)，包括圖像閾值分割、標(biāo)志點(diǎn)選取、空間位置匹配、主成分分析以及線性回歸分析，建立了胸腔骨骼、盆骨、股骨以及脛骨的參數(shù)化有限元模型。該模型可根據(jù)任意合理的年齡、身高、

5、性別以及BMI的參數(shù)組合預(yù)測(cè)該個(gè)體特征的骨骼有限元模型。
　　2、建立了基于年齡、身高、性別以及BMI等體征的參數(shù)化人體體表有限元模型。通過網(wǎng)格變換技術(shù)將基礎(chǔ)體表網(wǎng)格經(jīng)過兩次網(wǎng)格變換映射到目標(biāo)人體體表幾何點(diǎn)云上，然后根據(jù)模型特性對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行調(diào)整，獲得左右對(duì)稱的人體體表幾何模型，同樣基于形狀統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)建立參數(shù)化的人體體表有限元模型。分析結(jié)果表明:隨著BMI和身高的增加，乘員所有體表尺寸都有所增加，其中胸腔厚度以及腰部厚度隨著BMI變

6、化明顯，坐高隨著身高尺寸的增加而快速增加。年齡對(duì)乘員的胸腔厚度和臀部寬度沒有影響，但老年人腰圍尺寸增加且發(fā)生駝背現(xiàn)象。
　　3、提出了基于年齡、身高、性別以及BMI的參數(shù)化乘員有限元模型建模方法，并根據(jù)尸體試驗(yàn)對(duì)所建立的模型進(jìn)行驗(yàn)證?；谒⒌膮?shù)化骨骼有限元模型（胸腔、骨盆，股骨以及脛骨）以及參數(shù)化體表有限元模型，利用最小二乘法并根據(jù)相應(yīng)的關(guān)節(jié)點(diǎn)位置信息將產(chǎn)生的骨骼放置到人體體表內(nèi)，獲得融合體表與骨骼的目標(biāo)人體幾何統(tǒng)計(jì)模型，然

7、后通過分區(qū)域的網(wǎng)格變換方法，將基礎(chǔ)人體有限元模型映射到目標(biāo)人體幾何模型上，該方法可快速生成基于個(gè)體特征的乘員有限元模型，且生成的模型具有較好的網(wǎng)格質(zhì)量。通過對(duì)比生成的模型與尸體樣本之間的骨骼形狀差異、乘員動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及乘員損傷數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，該參數(shù)化乘員有限元模型可較為準(zhǔn)確地模擬尸體在碰撞事故中的響應(yīng)。
　　4、基于所建立的參數(shù)化乘員有限元模型對(duì)不同BMI水平的后排乘員進(jìn)行損傷機(jī)理研究并對(duì)乘員約束系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)?；谒⒌膮?shù)化乘員有

8、限元模型，產(chǎn)生了四個(gè)不同BMI水平(25/30/35/40kg/m2)的人體有限元模型，通過建立并獲得驗(yàn)證的后排座椅模型進(jìn)行了參數(shù)化研究，分析了BMI、限力器限力水平、固定點(diǎn)預(yù)緊器以及安全帶放置位置對(duì)乘員損傷的影響。仿真結(jié)果表明:后排乘員頭部或者下肢的損傷與胸部的損傷成反比，通過優(yōu)化的安全帶限力器以及固定點(diǎn)預(yù)緊器可減少由肥胖所造成的乘員損傷。
　　5、基于所建立的參數(shù)化乘員有限元模型對(duì)不同性別、年齡以及身高的前排乘員進(jìn)行損傷機(jī)理研

9、究?；谒⒌膮?shù)化乘員有限元模型產(chǎn)生了四個(gè)不同性別、年齡以及身高的乘員有限元模型，根據(jù)文獻(xiàn)中關(guān)于不同體征的人體材料參數(shù)數(shù)據(jù)，分別為四個(gè)乘員有限元模型選取相應(yīng)的材料參數(shù)，然后將不同乘員有限元模型在前排約束系統(tǒng)中進(jìn)行定位以及參數(shù)匹配，通過仿真分析獲得不同性別、年齡的乘員在前排約束系統(tǒng)下的損傷機(jī)理。研究結(jié)果表明:隨著年齡的增長(zhǎng)，人體胸腔骨骼以及下肢骨骼發(fā)生骨折的幾率明顯增加，女性乘員的損傷程度要高于男性乘員，并且年齡對(duì)女性乘員損傷的影響要