基于有限元模型的6岁儿童乘员骨盆碰撞损伤分析

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儿童正处于生长发育期间,儿童骨盆的弹性和韧性较成年人高,因此儿童骨盆的损伤多由高能量撞击引起。虽然儿童骨盆骨折与成人相比不易发生,但一旦发生,其致死率和由其导致的致死率与其他损伤相比,非常高。准确掌握儿童骨盆在碰撞时的生物力学响应特性是降低儿童骨盆损伤和进行儿童骨盆损伤防护设计的重要基础。由于儿童尸体实验的缺乏,通过构建儿童骨盆有限元模型就成为了研究其损伤生物力学机制的重要手段。  本文基于无骨盆损伤的正常6岁男性儿童(身高1.135m,体重20.0kg)骨盆的医学CT扫描图像。参照儿童解剖学结构特征,采用Mimics软件将骨盆几何结构提取出来,利用逆向工程软件Geomagic生成骨盆的几何模型,接着采用有限元前处理软件HyperMesh完成有限元网格的划分及处理,构建骨盆有限元模型。在Pam-Crash软件中对模型相应组织赋予合适的材料参数和设定相应的边界条件以及约束载荷,利用该模型重构了Ouyang等儿童尸体骨盆侧面碰撞实验,仿真计算得到的力位移曲线位于尸体实验数据通道内,吻合较好;仿真得到的V*C曲线与6岁儿童尸体实验曲线趋势一致,说明了该模型的有效性。结合Lvarsson和Crandal给出的6岁儿童骨盆侧碰时的损伤标准分析了骨盆损伤情况,与实验结果相符合,骨盆均未发生损伤。  在尸体仿真实验基础上,改变缓冲材料聚氨酯橡胶的厚度,进一步研究了不同厚度缓冲材料对骨盆损伤的影响,发现撞击力和变形位移随缓冲材料厚度增大有利于降低骨盆损伤的概率。研究撞击块在不同撞击速度下对骨盆损伤的影响,随着速度的增大,其接触力与变形显著增大,骨盆损伤程度会越严重。利用该6岁儿童完整有限元模型与验证过的轿车有限元模型,研究侧面刚性柱碰撞对骨盆的损伤情况。按照同样的验证方法,说明了实验室课题组三岁儿童骨盆模型的有效性,并研究对比3岁和6岁儿童骨盆损伤差异。  本文构建的模型能较好地反映儿童骨盆在侧面碰撞条件下的生物力学响应。具有较高的生物仿真度,为进一步研究儿童交通碰撞事故中的骨盆损伤提供数据支持。
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