兒童頸部在汽車碰撞中的損傷研究.pdf

1、汽車碰撞是造成兒童頸部損傷的重要因素，大約60％-80％的兒童脊椎損傷發(fā)生在頸部，而且兒童頸部損傷與成人相比有更高的死亡率。這歸因于兒童特殊的生理結(jié)構(gòu)，比如松弛的韌帶、平的關(guān)節(jié)面、未成熟的椎骨及相對較重的頭部等，這些導(dǎo)致兒童頸部損傷與成人有很大的不同。但是由于道德及法律等原因，目前對兒童的損傷研究嚴重不足。為了提高兒童在汽車事故中的安全性，迫切需要對兒童頸部損傷進行研究。
　　本文使用有限元方法分析10歲兒童頸部在碰撞中的損傷，提

2、出獲得兒童數(shù)據(jù)的方法和建立有限元頸部模型的方法，并通過模擬提出兒童頸部損傷特點及機理。本文方法可幫助研究者建立更加精確的兒童有限元模型，研究兒童頸部在汽車碰撞中的損傷特點和機理，從而幫助設(shè)計和評估防護措施，提高兒童在汽車碰撞中的安全性。本文的主要內(nèi)容和創(chuàng)新點包括:
　　(1)提出獲得兒童頸椎材料數(shù)據(jù)的方法。由于缺少兒童實驗樣本，很難通過實驗獲得兒童材料數(shù)據(jù)，而現(xiàn)有兒童頸椎模型缺少獲得材料數(shù)據(jù)的方法，限制了對兒童頸部損傷的研究。本文

3、提出將縮放方法和Pareto及主效應(yīng)分析相結(jié)合的方法，該方法通過數(shù)據(jù)縮放初步得到兒童的材料數(shù)據(jù)，之后使用Pareto及主效應(yīng)分析確定材料參數(shù)值。該方法既考慮了兒童與成人幾何的差異，又考慮了兒童材料特性較弱的特點。通過與兒童實驗數(shù)據(jù)對比證明了該方法的可靠性，為研究者開發(fā)兒童頸椎模型掃除了障礙。
　　(2)提出建立10歲兒童頸椎有限元模型的方法，提高兒童頸椎模型預(yù)測損傷的精度。目前兒童頸椎模型多縮放自成人模型，材料模型使用線性材料，建

4、模方法上也存在局限性。本文通過測量24個兒童頸椎尺寸，得到10歲兒童椎骨平均尺寸，通過數(shù)據(jù)對比證明選定幾何數(shù)據(jù)的正確性。根據(jù)幾何建立包括兒童特有結(jié)構(gòu)的頸椎有限元模型，實現(xiàn)兒童頸椎模型和解剖結(jié)構(gòu)的一致性。為了提高模擬材料力學(xué)特性的準確性，各部件使用非線性材料本構(gòu)模型，使用本文得到的兒童數(shù)據(jù)獲得各本構(gòu)模型的參數(shù)值，并實現(xiàn)對軟組織撕裂的模擬。使用三段頸椎(C0-C2，C4-C5，C6-C7)及整體(C0-T1)的兒童實驗數(shù)據(jù)驗證了模型，證明了

5、該建模方法的可靠性。本文預(yù)測的軟組織失效位置及順序，可為兒童頸椎實驗提供數(shù)據(jù)支持。
　　(3)提出建立一種新的頸部肌肉有限元模型的方法，提高肌肉模型精度;提出基于徑向基函數(shù)的代理模型方法對主動收縮肌肉激勵曲線進行優(yōu)化，解決肌肉激勵信號尋優(yōu)問題;提出使用敏感性分析方法研究主動收縮肌肉對頭部響應(yīng)的影響?，F(xiàn)有肌肉模型在幾何上進行了簡化，并且目前的研究仍無法確定各主動收縮肌肉激勵曲線的形式，目前也缺少各肌肉在碰撞中對響應(yīng)影響的了解。本文建

6、立了三種肌肉模型來分析幾何對響應(yīng)的影響，通過與兒童低速正面碰撞實驗數(shù)據(jù)對比，顯示幾何顯著地影響頭部響應(yīng)，本文提出的新的肌肉模型能更好的預(yù)測頭頸部的響應(yīng)。使用基于徑向基函數(shù)的響應(yīng)面法，對新肌肉模型的肌肉激勵曲線進行優(yōu)化，該方法提高了計算效率，得到了優(yōu)化的肌肉激勵曲線。本文提出評價各肌肉對頭頸部響應(yīng)影響的評價方法，通過計算發(fā)現(xiàn)了在正面碰撞中對頭頸部響應(yīng)影響最大的肌肉。
　　(4)針對兒童未發(fā)育完全的結(jié)構(gòu)和材料特點，使用椎骨有限元模型進

7、行幾何和材料的敏感性分析，獲得影響響應(yīng)的關(guān)鍵因素和兒童頸椎響應(yīng)及損傷的特點。目前缺少從幾何和材料角度研究兒童頸椎響應(yīng)及損傷的特點。本文使用開發(fā)的C4-C6椎段模型進行分析，考慮了所有材料的變化及小關(guān)節(jié)面和尺寸的幾何變化，使用方差分析方法計算各參數(shù)對響應(yīng)的影響程度。根據(jù)分析結(jié)果提出了兒童頸椎在彎矩和力載荷下響應(yīng)及損傷的特點，此研究為建立更精確的兒童頸部模型提供了重要的數(shù)據(jù)支持，并可對兒童頸部損傷診治提供幫助。
　　(5)針對兒童頸部

8、在碰撞中的損傷問題，使用10歲兒童頸部有限元模型分析兒童頸部在碰撞中的響應(yīng)，獲得兒童頸部的損傷機理，彌補目前對兒童頸部損傷的研究不足。由于兒童尸體樣本和模型的缺少，目前仍對兒童頸部在碰撞中的損傷機理缺乏了解，特別是在后面碰撞中。本文使用開發(fā)的10歲兒童頸部有限元模型模擬了在正面碰撞和后面碰撞中的兒童頭頸部的響應(yīng)，通過與實驗數(shù)據(jù)的對比證明了模型計算結(jié)果的可靠性，通過分析各韌帶應(yīng)變及骨應(yīng)力分布，獲得了兒童頸部損傷的機理。使用腿骨模型模擬軸向