汽车碰撞人体头部流固耦合模型及伤害机理研究

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1、摘要汽车碰撞人体头部流固耦合模型及伤害机理研究头部伤害是交通事故中最为常见的伤害类型之一，是造成重伤和死亡的主要形式。目前汽车安全设计与评价采用碰撞试验假人，这极大提高了汽车的安全性。但与真人头部相比，假人头部结构和功能都十分简单，用其研究头部伤害存在一定的局限性。假人头部由铸铝头盖骨和具有乙烯树脂皮肤的头盖骨盖构成，而真人头部由皮肤、颅骨、脑组织构成。在伤害方面，假人头部表现为质心处的HIC值，真人头部表现为骨折、组织损伤和出血等生理现象。事实上，车辆的安全设计应该从真人出发，从而更好地保护车内乘员。头部伤害问题很早就引起了研究人员的重视。针对于头部伤害的研究起始于

2、上世纪40年代，研究方法包括志愿者试验、尸体试验、动物试验、机械模型试验和应用有限元法的数学模型研究，而利用有限元法的数学模型自1975年至今，已成为目前头部伤害研究的主要工具。本文针对目前国内外头部数学模型中未考虑头部流固耦合关系的不足，依托国家自然科学基金“汽车被动安全设计中人体头部流固耦合模型及其伤害评价技术研究”项目，建立基于50百分位中国人人体头部的流固耦合碰撞分析模型，开展汽车碰撞人体头部模型建模及其伤害机理研究。对“颅骨-脑脊液-脑”接触界面采用任意拉格朗日-欧拉（ALE）流固耦合方法建模，以模拟大脑“水浴”于脑脊液中的耦合工况。本文研究内容如下：（1）

3、头部冲击流固耦合理论与替代模型研究。开展任意拉格朗日-欧拉（ALE）法流固耦合理论研并基于Corina等人的头部物理替代模型的实验数据进行仿真研究，证实了人体头部流固耦合建模的的必要性和有效性。（2）50百分位中国人人体头部几何模型与有限元模型建立。基于某50百分位中国成年男性人体头部志愿者的CT与MRI扫描数据，建立头部的三维几何模型；依据头部几何模型，建立包含头皮、颅骨、面骨、硬脑膜、脑脊液、软脑膜、大脑、小脑、脑干、脑室、胼胝体、大脑镰、小脑幕等详细解剖结构的头部有限元模型。“颅骨-脑脊液-脑”之间的耦合关系通过网格重叠的ALE方法设定，材料参数根据公开发表的文

4、献确定。（3）头部碰撞分析模型验证。利用国际认可的经典尸体实验数据，进行人体头部流固耦合模型生物力学响应的有效性验证。通过对Nahum等人的颅内压、Trosseille等I人的颅内动态响应及Hardy等人的颅脑相对位移实验的仿真验证，调整和修正本文模型，以确保其有效性。（4）不同颅脑接触界面仿真方法的研究。对比研究流固耦合模型与采用共节点方法建立的头部模型采用不同脑脊液材料参数对冲击中颅内响应仿真结果的影响。结果显示，而流固耦合模型可以弥补Lagrange模型预测的颅脑相对位移峰值小于实验值的不足，所得结果与实验结果更为接近。（5）人体头部流固耦合模型应用研究。使用多

5、刚体假人模型进行正面及追尾碰撞模拟，提取碰撞过程中假人头部的六向加速度，加载到人体头部流固耦合有限元模型的刚性颅骨上，对比研究车正面碰撞与追尾碰撞假人与人体头部模型所给出伤害响应的差异。结果表明，正面碰撞时，当假人的头部HIC值小于头部伤害限值时，人体头部流固耦合模型显示乘员头部仍有可能遭受脑挫伤、重度神经损伤和弥散性轴索损伤；而追尾碰撞时，即使在HIC值很小的情况下，仍有可能发生中度神经损伤和弥散性轴索损伤。应用本文流固耦合模型可以给出比假人更全面有效的伤害评价结果。本论文存在以下不足，需要进一步完善和探索：（1）本文旨在探讨颅骨、脑脊液、脑之间的流固耦合关系，简化

6、忽略了蛛网膜小梁、大脑表面沟回对颅脑接触界面的作用，可能会对仿真结果造成影响。（2）本论文集中研究颅内生物力学响应，因此仅进行了颅内压、颅脑相对位移的验证。若以后研究中涉及颅骨伤害，还需对颅骨、面骨发生不同形式的骨折特性进行验证。（3）模型建立及损伤预测中没有考虑血管。因此无法考察碰撞中的血管撕裂及血肿等现象，模型还有待更进一步地细化。本文针对于目前国内外头部碰撞伤害研究中未考虑颅内流固耦合关系的不足，建立了基于中国50百分位成年男性头部医学影像数据、考虑“颅骨-脑脊液-脑”流固耦合关系的详细人体头部有限元模型，该模型能够弥补以往模型颅脑相对位移量偏小的不足，更准确地

7、预测脑组织损伤。将该模型应用于汽车碰撞中头部损伤预测及伤害机理研究，可以弥补碰撞假人仅采用HIC值预测头部伤害的不足，提高汽车安全防护设计手段，更为全面的评价汽车碰撞头部安全性。关键词：汽车碰撞、头部模型、流固耦合、模型验证、损伤预测IIABSTRACTResearchonFluid-structureCouplingModelandInjuryMechanismofHumanHeadduringCarCrashHeadinjuryisoneofthemostcommontypesofinjuriesintrafficaccidents，andoft