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生物组织粘弹性动力学分析的有限元新方法
应用线性粘弹性模型和电网络模型间的两个重要结论，以及滤波方法，推导得出一种适用于生物组织粘弹性动力学分析的有限元新方法。粘弹性材料的复杂性可简单地视为各向同性，亦可将其逐步趋于复杂而直至极端各向异性，描述生物组织力学特性的线性粘弹性模型可以是两种不同的元件和三种不同的基本模型的任意组合。多方法、多角度地证实本文推导得出了一般的、系统的和高精度的快速有限元分析法，该分析法可用于分析以线性粘弹性为模型的生物组织和工程材料的动力学响应。
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佩戴头盔时头颈对-Gx加速度的动力学响应
目的 模拟-Gx作用下头颈的运动,并进行力学测量,对-Gx冲击加速度作用下佩戴头盔时头颈的动力学响应和头盔的稳定性进行评价.方法 设计了一个由HYBRID III假人头颈组成的头型摆.头型摆向前运动,颈下端的碰撞体与波形发生器碰撞.测量碰撞加速度 、头部响应加速度 、颈下端的力和力矩以及头盔位移.比较假人头型佩戴头盔与佩戴瞄准具头盔两种状态下头颈动力学响应和头盔位移的差异.结果 试验中,假人头型的头部和颈下端的力 、力矩对碰撞加速度的作用时间大幅延长.佩戴头盔时,-Gx冲击加速度峰值(6.82±0.27)G、脉宽(42.63±1.04)ms,头部响应加速度峰值(5.66±0.16)G、脉宽(173.91±2.31)ms,颈下端力和力矩的峰值 、脉宽分别(390.37±10.98)N、(183.51±6.26)ms和(79.64±2.70)N·m、(164.17±1.53)ms,头盔相对头型的角位移和线位移分别为(13.16° ±4.61°)和(21.51±10.58)mm.佩戴头盔与佩戴瞄准具头盔两种状态,头部响应加速度 、颈下端力和力矩的脉宽差异有统计学意义(t=12.947、3.105、17.871,P<0.05),佩戴瞄准具头盔的位移增大.无论是佩戴头盔还是佩戴瞄准具头盔,碰撞加速度与头部响应加速度的峰值和脉宽差异均有统计学意义(t=20.48~485.26,P<0.01).结论 头型摆的冲击试验方法基本反映了-Gx作用下人体头颈的运动和受力,研究结果对-Gx作用下佩戴头盔时头颈的安全和头盔的稳定性评价有重要意义.
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车-人碰撞事故中行人胫骨撞击响应的二维数值分析
目的 基于两相多孔弹性胫骨模型,建立一种车-人碰撞事故中行人胫骨撞击响应的二维数值分析方法.方法 选用健康成年男性胫骨行CT分层扫描.结合数值插值方法获得胫骨的结构参数;在两相饱和多孔弹性理论的框架内,建立胫骨动力学控制方程组;采用自行开发的流-固耦合两相多孔介质有限元数值分析程序,数值模拟小汽车车头从侧向撞击行人下肢的动力学过程,并计算撞击载荷作用下0～200 ms内行人胫骨的动力学响应.结果 胫骨的弯曲变形主要集中在撞击载荷作用的区域;胫骨骨干上节点107处的侧向位移响应,约在75 ms时刻出现峰值位移(-6mm),对撞击载荷有明显的时间滞后;胫骨骨干上单元E77中心处的轴向应力响应,约在30 ms时刻出现峰值应力(140 MPa),对撞击载荷也有明显的时间滞后.结论 本研究所建立的对车-人碰撞事故中行人胫骨撞击响应的二维数值分析方法,能够近似地模拟胫骨撞击区的弯曲变形、侧向位移响应和轴向应力响应以及胫骨中骨髓流体组分对骨架固体组分动力学特性的影响.下一步研究将在现有初步结果的基础上提高胫骨动力学模型的生物仿真性.
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胸部撞击时胸壁的动力学响应与胸部损伤
目的:探讨胸部准静态撞击时胸壁动力学响应过程及其与损伤的关系.方法:在犬胸壁肋骨、胸骨等部位布放加速度传感器,监测胸壁运动过程,结合撞击物理参数分析胸壁的动力学响应与损伤的关系.结果:胸壁的粘性标准是预测胸部伤情的可靠参数,变形量、压缩响应和变形速度与损伤程度有一定的相关性,当撞击速度较低而变形量较大时,损伤形式演变成"挤压型";当撞击速度高而变形量较低时,则演变为"冲击型"损伤.撞击能量、速度和撞击力对损伤的预测是间接的,机体结构和生物力学特性上的差异影响了它们间的相关性.高速撞击时损伤的防护应以减小变形速度为主,选择一种能降低体壁运动加速度和变形速度的材料对损伤的防护是有益的.结论:胸壁的变形运动过程是影响胸部损傻墓丶?粘性标准是预测胸部伤情的可靠参数.
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基于车人碰撞事故重建的行人头部动力学响应
目的 研究行人交通事故中,不同碰撞速度、不同车型及行人不同受撞击部位与行人头部损伤严重度的关系.方法 通过MADYMO多刚体动力学软件对一起有视频的行人交通事故进行事故重建,获得初始和边界条件,然后通过获得的边界和初始条件进行不同车速(20、30、40、50、60 km/h)、不同车型(轿车、SUV型车、面包车)、行人不同受撞击部位(正面、侧面、背面)的模拟碰撞实验,对模拟碰撞实验中行人头部损伤情况进行分析,并利用两例真实行人交通事故对部分结果进行验证.结果 不仅车辆碰撞速度、车辆前置结构影响行人头部损伤严重度,行人受撞击部位也是影响行人头部损伤严重度的重要原因.在碰撞速度≤30 km/h时,行人与地面接触造成的损伤可能比与车辆造成的损伤严重；碰撞速度≥40 km/h时,行人头部损伤主要是与车辆接触所致.结论 利用监控录像能比较准确地开展行人交通事故重建,从而对行人动力学响应进行分析.在行人交通事故频发路段,对不同车型进行不同限速,能有效减小行人头部损伤的严重程度.
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拦阻着舰过程中飞行员头颈部的动力学响应
目的 分析航母舰载机拦阻着舰过程中飞行员在佩戴和不佩戴头盔时的头颈部动力学响应以及主要肌肉应变量.方法 建立包括头部、7个颈椎和2个胸椎共10个刚体的人体头颈部的多体动力学模型；采用集总参数法描述韧带、椎间盘等软组织的力学特性；应用非线性应力-应变关系描述人体头颈部15组肌肉的力学特性.采用多组汽车碰撞过程人体头颈部动力学响应实验数据对模型进行验证.结果 获取了拦阻着舰过程飞行员头部的过载曲线和15组肌肉的应变,结果表明颈夹肌拉伸程度大,在不佩戴头盔时其应变可达50％,佩戴2.7 kg头盔时其应变可达56％.结论 佩戴防护头盔会增加飞行员在拦阻着舰过程的颈部肌肉拉伸,仿真结果可用于进一步的损伤评估.
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用于冲击动力学响应分析的人体颈部有限元模型建立和验证
根据冲击动力学响应分析要求,建立了中国人C1-C7颈椎及T1胸椎复合体三维有限元模型.该模型以中国50百分位成年健康男性为建模素材,通过螺旋CT扫描生成DICOM格式图像数据;利用Materialisc mimics、逆向软件及Pro-E进行三维重建;运用TrueGrid划分网格,模型由椎骨、椎间盘、小关节、韧带和肌肉等结构组成:共得到15 023个单元和24 916个节点,其中实体单元14 626个、杆单元19个、索单元378个.在LS-DYNA中仿真,所得结果与前碰撞志愿者实验数据基本相符.我们提出了一种快速、逼真建立复杂有限元模型的方法,高质量的八节点六面体单元,提高了计算的速度和稳定性.进行模型的冲击动力学响应分析,对于研究中国人颈部损伤具有重要意义.
