基于乘员伤害分析的颅脑精细建模与损伤机理研究

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1、———————————————————————————————基于乘员伤害分析的颅脑精细建模与损伤机理研究———————————————————————————————ResearchonDevelopmentandInjuryMechanismofaDetailedFEModelBasedonOccupantDamageAnalysis作者姓名：王聪专业名称：机械工程（车身工程）指导教师：宋学伟教授学位类别：工学硕士答辩日期：2015年5月30日摘要基于乘员伤害分析的颅脑精细建模与损伤机理研究创伤性颅脑损伤（TBI）是在交通事故中导致永久伤残乃至死亡的主要原因之

2、一，造成了巨大的社会经济损失。据统计，在全球范围内平均每天约有3000人死于交通事故，并花费了大量的治疗费用。近年来，伴随着国内经济的高速发展，我国汽车总量和交通事故死亡人数已越居世界首位。仅2010年，国内由交通事故造成的死亡人数就高达65225，直接经济损失达900亿元人民币。尽管约束系统，如安全带、安全气囊，被广泛地应用到车辆中以避免乘员受到伤害，但是颅脑损伤仍然存在于车辆碰撞中。颅脑损伤不仅给人体健康造成危害，给家庭形成负担，对社会和经济也造成了极大的损失。在真实交通事故中存在骨折、脑出血、脑挫伤等许多形式的脑损伤，开展头部碰撞生物力学研究对颅脑损伤、优化

3、安全系统提供了理论支持。本论文首先采用成年男性的头部CT和MRI扫描数据，分别建立了有、无沟回的二维头部有限元模型，并且进行材料属性的定义。模型包括大脑、小脑、胼胝体、脑干、脑脊液和颅骨等结构，而且区分了大脑组织中的白质和灰质。通过两个模型的仿真对比研究，结果表明沟回对颅脑相对位移的影响较小。然而二维模型的材料参数偏高，为了更能说明沟回对颅脑响应的影响，在二维模型的基础上建立了有、无沟回的切片模型，仿真结果表明虽然大脑沟回对颅内压力的影响较小，但改变了应力的大小和应变的分布，从而建议在人体头部模型建模过程中需要考虑到沟回结构。本文基于头部CT和MRI扫描数据，建立

4、了一个三维头部有限元模型。模型包括了大脑沟回在内的人体头部必要的解剖学结构。三维头部有限元模型一共包含695，947个实体单元和128，043个壳单元，模型总质量约为4.6kg。根据相关文献，对材料属性进行了定义。采用Nahum颅内压实验，Trosseille颅内动力学响应实验以及Hardy颅脑相对位移实验数据对三维颅脑有限元模型进行有效性验证。同时根据Yoganandan的实验数据对模型的侧面碰撞进行验证。结果表明所建立的三维头部有限元模型稳定性较好，可以进行颅脑损伤的研究。采用三种不同的高度将三维头部模型跌落，以前额和颞叶两种不同的部位撞击泡I沫和木质两种材料

5、的地面上，从而对大脑响应进行对比分析。结果表明在撞击位置不变，地面材料相同时，颅内压力、大脑最大vonMises应力均随着跌落高度的增加而增大；在撞击位置不变，跌落高度相同时，颅内压力、大脑最大vonMises应力随着地面材料从泡沫改变到木板而增大；在跌落高度不变，地面材料相同时，撞击颞叶部位会造成更大的颅内响应，从而导致更严重的损伤。综上所述，虽然二维头部有限元模型可以作为研究颅脑响应的一种方法，但是材料参数的偏高导致了其应用的局限性。而本文中切片模型的应用克服了这种问题，能够更好地观察大脑局部的损伤，具有很好的研究利用价值。论文中所建立的三维头部有限元模型包括

6、了复杂的大脑沟回结构，更精细地重现了人体头部结构，通过仿真对颅脑损伤研究提供了借鉴意义。关键词：有限元模型，颅脑损伤，大脑沟回，损伤机理IIABSTRACTResearchonDevelopmentandInjuryMechanismofaDetailedFEModelBasedonOccupantDamageAnalysisBraininjuryistheleadingcauseofmorbidityandmortalityinroadaccidents,andbringsalotofsocialandeconomicproblems.Accordingtost

7、atistics,about3,000peopledieintrafficaccidentseveryday,andspendalotoftreatmentcosts.Inrecentyears,withtherapiddevelopmentofthedomesticeconomy,trafficfatalitieshaverankedfirstintheworld.In2010,thenumberofdeathscausedbytrafficaccidentswasupto65,225,whichresultedinthedirecteconomiclosses

8、of90b