基于體征的參數化乘員有限元模型建立方法及應用研究.pdf

1、世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計表明，每年約124萬人死于道路交通事故，還有2000萬至5000萬人遭受非致命傷害。道路交通傷害會對受害者、其家庭以及整個國家造成很大的經濟損失，預計至2020年道路交通傷害將成為全球疾病與傷害負擔的第三大因素。因此，汽車碰撞過程中的乘員安全問題成為汽車設計中的重要研究方向。但是，目前所涉及的碰撞假人以及人體有限元模型等乘員傷害評價工具，一般側重于50百分位男性乘員的保護，并未考慮人群中乘員體型和身材組成的多樣性。而在汽

2、車碰撞事故中，相對于50百分位的成年男性，老人、肥胖者、兒童、以及矮小女性均是易受傷害的人群。大量的事故統(tǒng)計數據表明，人體特征參數的變化，包括年齡、性別、身高以及BMI（Body Mass Index，身體質量指數）對乘員的碰撞損傷具有重要的影響。例如隨著年齡的增加，乘員身體各部位受到MAIS3+的傷害均會增加，特別是胸部、頭部、下肢以及脊柱等部位。在汽車正面碰撞事故中，肥胖乘員胸部受到AIS2+和AIS3+傷害的幾率比正常體重乘員高出

3、26％和33％，而當保持其它碰撞條件不變的情況下，女性受到MAIS3+和MAIS2+傷害的幾率比男性分別高出了47％和71％。如果考慮到不同參數之間的相互作用，例如肥胖的老年乘員、肥胖的兒童乘員以及老年的女性乘員，其傷害程度會更加嚴重。但是，目前所有的乘員損傷評價工具均無法對上述乘員類型的損傷進行研究。因此，為研究不同體征參數對乘員損傷的影響機理，本文利用幾何形狀統(tǒng)計分析技術以及網格變換技術，設計了基于年齡、身高、性別以及BMI的參數化

4、乘員有限元模型建模方法，并將所建立的參數化模型應用于汽車前后排座椅約束系統(tǒng)中，開展了不同體征乘員的損傷機理以及防護研究，具體的研究重點與創(chuàng)新點如下:
　　1、建立了基于年齡、身高、性別以及BMI等體征的參數化骨骼有限元模型。通過不同人體的CT掃描數據，基于形狀統(tǒng)計分析技術，包括圖像閾值分割、標志點選取、空間位置匹配、主成分分析以及線性回歸分析，建立了胸腔骨骼、盆骨、股骨以及脛骨的參數化有限元模型。該模型可根據任意合理的年齡、身高、

5、性別以及BMI的參數組合預測該個體特征的骨骼有限元模型。
　　2、建立了基于年齡、身高、性別以及BMI等體征的參數化人體體表有限元模型。通過網格變換技術將基礎體表網格經過兩次網格變換映射到目標人體體表幾何點云上，然后根據模型特性對網格進行調整，獲得左右對稱的人體體表幾何模型，同樣基于形狀統(tǒng)計分析技術建立參數化的人體體表有限元模型。分析結果表明:隨著BMI和身高的增加，乘員所有體表尺寸都有所增加，其中胸腔厚度以及腰部厚度隨著BMI變

6、化明顯，坐高隨著身高尺寸的增加而快速增加。年齡對乘員的胸腔厚度和臀部寬度沒有影響，但老年人腰圍尺寸增加且發(fā)生駝背現象。
　　3、提出了基于年齡、身高、性別以及BMI的參數化乘員有限元模型建模方法，并根據尸體試驗對所建立的模型進行驗證?；谒⒌膮祷趋烙邢拊Ｐ停ㄐ厍?、骨盆，股骨以及脛骨）以及參數化體表有限元模型，利用最小二乘法并根據相應的關節(jié)點位置信息將產生的骨骼放置到人體體表內，獲得融合體表與骨骼的目標人體幾何統(tǒng)計模型，然

7、后通過分區(qū)域的網格變換方法，將基礎人體有限元模型映射到目標人體幾何模型上，該方法可快速生成基于個體特征的乘員有限元模型，且生成的模型具有較好的網格質量。通過對比生成的模型與尸體樣本之間的骨骼形狀差異、乘員動態(tài)響應以及乘員損傷數據發(fā)現，該參數化乘員有限元模型可較為準確地模擬尸體在碰撞事故中的響應。
　　4、基于所建立的參數化乘員有限元模型對不同BMI水平的后排乘員進行損傷機理研究并對乘員約束系統(tǒng)進行優(yōu)化設計?；谒⒌膮祷藛T有

8、限元模型，產生了四個不同BMI水平(25/30/35/40kg/m2)的人體有限元模型，通過建立并獲得驗證的后排座椅模型進行了參數化研究，分析了BMI、限力器限力水平、固定點預緊器以及安全帶放置位置對乘員損傷的影響。仿真結果表明:后排乘員頭部或者下肢的損傷與胸部的損傷成反比，通過優(yōu)化的安全帶限力器以及固定點預緊器可減少由肥胖所造成的乘員損傷。
　　5、基于所建立的參數化乘員有限元模型對不同性別、年齡以及身高的前排乘員進行損傷機理研

9、究?；谒⒌膮祷藛T有限元模型產生了四個不同性別、年齡以及身高的乘員有限元模型，根據文獻中關于不同體征的人體材料參數數據，分別為四個乘員有限元模型選取相應的材料參數，然后將不同乘員有限元模型在前排約束系統(tǒng)中進行定位以及參數匹配，通過仿真分析獲得不同性別、年齡的乘員在前排約束系統(tǒng)下的損傷機理。研究結果表明:隨著年齡的增長，人體胸腔骨骼以及下肢骨骼發(fā)生骨折的幾率明顯增加，女性乘員的損傷程度要高于男性乘員，并且年齡對女性乘員損傷的影響要