三岁儿童乘员骨盆侧面碰撞损伤仿真研究

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汽车行业的快速发展改变了人们的出行方式,使得交通事故造成的儿童损伤已经成为威胁儿童生命安全的重要因素之一,而骨盆在汽车侧面碰撞中是儿童最容易损伤的部位之一。因此,深入研究和了解儿童骨盆损伤生物力学不仅是重要的现实问题,也是新的学术问题。随着计算机技术的发展和有限元方法的广泛应用,构建具有真实解剖学结构的儿童骨盆有限元模型为儿童骨盆损伤生物力学的研究提供了可靠方法。  本研究基于三岁儿童医用CT扫描数据,获取三岁儿童骨盆的3D几何结构,结合逆向工程和有限元技术,构建了包括皮肤、脂肪、肌肉和韧带等软组织在内的详细三岁儿童骨盆有限元模型,并通过模拟儿童尸体骨盆侧面碰撞试验验证了骨盆模型的有效性。  采用三岁与成人骨盆模型探讨在相同载荷条件下材料属性和几何结构对三岁儿童和成人骨盆的响应差异,对比结果表明,同一冲击条件下,儿童骨盆所受应力大于成人骨盆所受应力,儿童骨盆最大的应变位置在骶髂关节处,然而成人骨盆耻骨联合所受剪切应力大于儿童骨盆耻骨联合所受的剪切应力。  借助三岁儿童骨盆模型分析不同密质骨厚度和撞击速度对儿童骨盆损伤的响应。通过对骨盆损伤相关性的分析,结果显示密质骨厚度对接触力、骨盆应力和最大塑性应变有响应影响。儿童骨盆密质骨厚度越小,骨盆越容易损伤。碰撞速度对骨盆应力应变、接触力、变形量和粘性指标的响应有显著影响,借此讨论了儿童骨盆损伤阈值,更能准确的研究骨盆损伤。  应用有限元模型模拟三岁儿童乘员在汽车侧碰刚性柱时,研究使用儿童安全座椅约束系统的儿童骨盆损伤情况;并且,基于可变形移动壁障侧面碰撞工况,建立两种设计方案来分析儿童安全座椅约束系统对儿童骨盆的损伤响应:(1)无约束系统状态下的儿童有限元模型;(2)使用儿童安全座椅约束系统的有限元模型。研究表明,在侧面刚性柱碰撞仿真实验中儿童骨盆Y形软骨吸收能量最多,最先损伤。在可变形移动壁障侧面碰撞中儿童安全座椅约束系统对儿童有一定的保护作用,但是儿童骨盆部分部位损伤更严重。
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