基于有限元法汽車乘員膝關(guān)節(jié)的損傷機(jī)理研究.pdf

1、隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車安全性越來(lái)越受到重視。安全帶與安全氣囊的普遍應(yīng)用改變了碰撞損傷的分布與嚴(yán)重程度，頭部與胸部得到了更好的保護(hù)，但是并沒(méi)有阻止其他部位如下肢損傷的發(fā)生。下肢損傷雖然不會(huì)致命，但是需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行治療及恢復(fù)，而且常常會(huì)造成人的終生殘疾。隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，有限元模型逐漸成為研究汽車乘員下肢損傷的重要工具。
　　為了進(jìn)一步提高有限元模型的生物仿真度，本研究將在骨骼模型的基礎(chǔ)上增加軟組織模型，軟組織模型嚴(yán)格按照

2、解剖學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行提取和劃分，共包括23塊肌肉以及脂肪。肌肉之間使用實(shí)體單元將其連接成整體，肌肉與骨骼之間的肌腱采用單元過(guò)渡的方法進(jìn)行模擬，完成皮膚網(wǎng)格的劃分。構(gòu)建了完整的中國(guó)50百分位女性下肢有限元模型。
　　本研究基于下肢有限元模型，通過(guò)對(duì)建立的下肢有限元模型進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)施加前后方向撞擊力的膝關(guān)節(jié)進(jìn)行仿真模擬分析，其中韌帶采用了更能體現(xiàn)其特性并經(jīng)過(guò)有效驗(yàn)證的和考慮應(yīng)變率的塑性材料，并結(jié)合我國(guó)人體韌帶的厚度重新設(shè)定。在膝關(guān)節(jié)彎曲90

3、°情況下，分別探討了不同的加載高度和加載角度對(duì)膝關(guān)節(jié)損傷的影響。結(jié)果表明，軸向載荷小于8kN，能避免股骨的骨折;加載角度大于8°時(shí)，不會(huì)對(duì)PCL造成拉伸，避免損傷。
　　借助完整的下肢有限元模型，模擬真實(shí)的汽車環(huán)境下，不同外翻角度對(duì)膝關(guān)節(jié)損傷的影響。隨著外翻角度的增加，股骨軸向力的峰值逐漸減小。95°時(shí)并未發(fā)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)的損傷，主要是由于撞錘與股骨的中軸線垂直，在撞擊過(guò)程中緩沖物質(zhì)會(huì)將膝關(guān)節(jié)包裹住，撞擊力會(huì)分散給股骨髁;而在90°、1