（车辆工程专业论文）hybrid+Ⅲ50th头部有限元模型建立及应用研究.pdf

硕l - 学位论文 摘要 目前，欧美、日本及中国各自实施的正面碰撞法规试验以及新车评价体系中 都规定使用h y b r i di i l 5 0 t h 正面碰撞假人作为汽车前排乘员替代物。随着汽车整车 碰撞的有限元计算机仿真技术的逐渐成熟，汽车碰撞研究中也要求建立碰撞假人 仿真模型。国外对h y b r i di i i 正面碰撞假人的有限元模型建立与运用方面已经有一 定的经验积累，而我国对假人有限元模型的研究还较少。 本文通过研究大量参考文献及前人工作，发现已公开的h y b r i dl l l 5 0 t h 有限元 模型头部模型整体过于简陋，网格单元尺寸过大，没有好的细节表现；且头部模 型中重要部件头部皮肤与头盖骨之间没有定义接触，与实际不相符。本文主要研 究网格密度对模型响应的影响及头部皮肤与头盖骨之间是否定义接触特性时的仿 真模拟响应差别。 本文根据n h t s a 的碰撞假人图纸及利用三坐标测量仪测得的点云数据，建立 了h y b r i di i l 5 0 t h 的头部几何模型。根据几何模型，建立了五种不同网格密度的头 部有限元模型，并比较了模型的质量、质心及转动惯量，从而确认五种模型除网 格密度外是一致的。通过模型有效性验证比较发现，h y b r i di i l 5 0 t h 头部皮肤是头 部有限元模型的关键部分，当网格单元尺寸大于l0 m m 时，由于沙漏能过大而导 致模型仿真失效；大于4 m m 时模型可能仿真失效；达n 2 m m 时( d 型) 模型沙漏能得 到了较好的控制并且整体的头部模型有很好的细节表现，研究结果表明，该网格 密度的头部模型是较适用于碰撞仿真的，并且可以推广到整体碰撞假人的有限元 建模中。 根据本文所建立的d 型头部有限元模型，建立了d 1 型头部皮肤与头盖骨之间 无定义接触的头部有限元模型。在同一跌落试验的仿真条件下发现，头部皮肤部 件与头盖骨部件之间是否定义接触特性对头部模型跌落仿真h i c 值有2 0 左右的 影响。 本文将d 型、d 1 型头部模型与l s t c 公司所建立的h y b r i di i l 5 0 t h 整体有限元模 型进行了耦合，并建立了无安全气囊及有安全气囊的前碰撞模型，对模型的响应 进行了对比研究。研究结果表明，头部皮肤部件与头盖骨部件之间是否定义接触 特性对仿真结果的影响与跌落试验仿真研究的结果一致；本文建立的h y b r i di i i 5 0 t h 头部有限元模型能够准确地反映碰撞假人的头部响应，可以广泛用于汽车前 碰撞的仿真研究。 关键词：h y b r i di i l 5 0 t h ：头部；网格密度；有限元模型；接触 i i a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h ev e h i c l ef r o n t a li m p a c tr e g u l a t i o nw a sf o r c e dt op r a c t i c ei nt h e o c c i d e n t ，j a p a na n dc h i n a h y b r i di i i5 0 t hp e r c e n t i l ed u m m y ，w h i c hw a sa d o p t e di n t h ev e h i c l ef r o n t a li m p a c tt e s ta n dt h er e l a t i v e l ys t u d i e s ，w a su s e da st h es u b s t i t u t eo f t h ef r o n t a ld r i v e ri na l lt h e s er e g u l a t i o n s b a s eo nt h ea d v a n c eo ft h ev e h i c l ec r a s h s i m u l a t i o nt e c h n o l o g y ，t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo fi m p a c td u m m i e sw e r ea l s o r e q u i r e dt ob eu s e di nt h es t u d yo ft h ev e h i c l es a f e t y ag r e a tn u m b e ro fr e f e r e n c e sa n dp r e d e c e s s o r s a c h i e v e m e n t sh a v eb e e n r e v i e w e da n ds u m m a r i z e d t h ea v a i l a b l ef i n i t ee l e m e n tm o d e l so ft h eh y b r i di i i 5 0 t h sh e a da r et o os i m p l ea n dh a v el o w - l y i n gm e s hd e n s i t y a d d i t i o n a l l y , t h ec o n t a c t b e t w e e nt h eh e a ds k i na n ds k u l lh a v e n tb e e nd e f i n e dw i t he a c ho t h e r t h i si s f a l l s h o r tt h ef a c t i nt h i sp a p e r ，t h ei n f l u e n c e so ft h em e s hd e n s i t yo nt h es i m u l a t i o n r e s p o n s e so ft h eh e a df i n i t ee l e m e n tm o d e lw e r es t u d i e d b e s i d e s ，t h ed i f f e r e n c e so f t h ei n f l u e n c e so fw h e t h e rt h ec o n t a c tw a sd e f i n e do rn o tb e t w e e nt h eh e a ds k i na n d s k u l lo ns i m u l a t i o nr e s p o n s e sw e r ea l s os t u d i e d b a s eo nt h en h t s a sd u m m i e s c a dd a t aa n dp o i n tc l o u do ft h eh e a d c o m p o n e n t s ，t h eg e o m e t r ym o d e lo ft h eh y b r i di i i5 0 t h sh e a dw a sd e v e l o p e d i n o r d e rt of i n do u tt h eb e t t e rm e s hd e n s i t y , f i v ef i n i t ee l e m e n tm o d e l so fh y b r i d i i l 50 t h sh e a dw e r ed e v e l o p e da c c o r d i n gt ot h es a m eg e o m e t r ym o d e l t h e s em o d e l s a r ec o n s i s t e n te x c e p tm e s hd e n s i t yb yc o m p a r i n gw i t ht h em a s s ，c e n t e ro fg r a v i t ya n d m o m e n to fi n e r t i a t h ec o m p a r i s o n sb e t w e e nt e s tr e s u l t sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t s i n d i c a t et h a th e a ds k i ni st h ek e yp a r to ft h e s em o d e l s t h es i m u l a t i o nw i l lb ei n v a l i d d u et ot h ea b n o r m i t yo ft h eh o u r g l a s se n e r g yw h e nt h ee l e m e n ts i z ei sl a r g e rt h a n 10 m m ，a n di tm a yb ei n v a l i dw h e nt h ee l e m e n ts i z ei sl a r g e rt h a n4 m m t h eh o u r g l a s s e n e r g yc a nb ec o n t r o l l e dv e r yw e l la n dt h ew h o l em o d e lo fh e a dh a sg o o df i g u r e d e t a i l sw h e nt h ee l e m e n ts i z ei sa b o u t2 m mo rl e s s t h er e s u l t ss h o wt h a t2 m mm e s h d e n s i t yo ft h eh e a dm o d e ls u i t st h es i m u l a t i o no ft h ec r a s h ，a n dc a nb eu s e dt om e s h t h ee n t i r ed u m m y t y p ed 1h e a df i n i t ee l e m e n tm o d e lw h i c hw a sd e f i n e dc o n t a c tw a sd e v e l o p e d b a s eo nt h em o d e lt y p ed t h eh i cv a l u eh a s2 1 3 i d i f f e r e n c ed u et oi ft h ec o n t a c t c h a r a c t e r i s t i cb e t w e e nt h es k i na n dt h es k u l li sd e f i n e di n t h eh e a d d r o pt e s t s i m u l a t i o n s t h em o d e lt y p eda n dm o d e lt y p ed 1w e r ec o u p l e dw i t ht h eh y b r i di i i50 t h i i i 硕上学位论文 f i n i t ee l e m e n tm o d e lw h i c hw a sd e v e l o p e db yc o l s t cs e p a r a t e l y t h ef r o n t a l i m p a c tm o d e l so ft h ec o u p l e dm o d e l sw e r ed e v e l o p e dt os t u d yt h ed i f f e r e n tr e s p o n s e s b e t w e e ne a c ho t h e r t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed i f f e r e n tr e s p o n s e sb e t w e e nt h ef r o n t a l i m p a c tm o d e l s a r et h es a m ea st h eh e a dd r o pt e s ts i m u l a t i o n s h y b r i di i l5 0 t h sh e a d f i n i t ee l e m e n tm o d e l sw h i c hc a n e x a c t l yd e s c r i b et h er e s p o n s e so ft h ed u m m y sh e a d w e r ed e v e l o p e di nt h i sa r t i c l e t h e s em o d e l sc a nb eu s e dt os t u d yt h ev e h i c l ef r o n t a l i m p a c ts a f e t yw i d e l y k e yw o r d s ：h y b r i di i l 5 0 t h ；h e a d ；f i n i t ee l e m e n tm o d e l ；m e s hd e n s i t y ；c o n t a c t 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者躲丧守吻 醐：叶年月哆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者虢尊守穆日期押夕年u 月) 弓日 刷磴各常讪乒醐：舢乡年归、归 硕士学位论文 第1 章绪论 本章旨在介绍本课题的背景、研究意义及h y b r i di i i5 0 t h 头部有限元模型的 研究方法和主要研究内容。 1 1h y b r i di i l 5 0 t h 有限元模型研究背景及意义 在交通事故中，人体是很容易受到伤害的对象。根据世界卫生组织统计，全 世界每年有1 2 0 多万人死于交通事故，数百万人受伤或致残。近年来，我国汽车 工业随着国内经济的高速发展也在迅速发展，国内汽车保有量在大幅度增加，从 2 0 0 0 年起到2 0 0 4 年我国交通事故死亡人数就一直高达1 0 万人，交通事故死亡人 数占全世界的1 1 2 n 1 。随着国内对汽车安全研究的逐渐重视和碰撞法规的强制施 行，2 0 0 5 年起我国交通事故伤亡人数有所下降，根据交通部统计，2 0 0 7 年全国共 发生道路交通事故3 2 7 2 0 9 起，造成8 1 6 4 9 人死亡、3 8 0 4 4 2 人受伤。与2 0 0 6 年相 比，交通事故起数减少5 1 5 7 2 起，下降1 3 6 ；死亡人数减少7 8 0 6 人，下降8 7 ；受伤人数减少5 0 6 9 7 人，下降1 1 8 。道路交通事故万车死亡率为5 1 ，同 比减少1 1 心1 。近年来，我国道路交通伤亡数目虽然有所下降，但伤亡总数仍然 巨大，情况还不容乐观，汽车安全问题仍然非常严重。 在汽车正面碰撞事故中，为了能更有效地保护乘员，美国于1 9 8 6 年率先颁布 了f m v s s2 0 8 法规乘员碰撞保护，欧洲、日本也随后出台了各自的汽车正面 碰撞法规，我国也出台了g b1 1 5 1 - 2 0 0 3 法规乘用车正面碰撞的乘员保护n 1 ， 这些法规中都规定使用h y b r i di i l 5 0 t h 正面碰撞假人作为汽车前排乘员替代物用 于汽车正面碰撞试验及其研究。h y b r i di i i 被认为是第一个具有较好生物逼真性的 汽车碰撞试验用假人，从设计开发到现今为止h y b r i di i i 仍被全世界各大汽车生 产厂商和汽车安全研究机构用于新车型开发及汽车正面碰撞安全性的研究h 1 。 汽车整车碰撞的有限元计算机仿真技术已成为一个必不可少的工具整合在汽 车产品的设计开发当中嗨1 。现今，汽车碰撞假人也要求建立有限元仿真模型用于 整车的碰撞仿真中并能直接得到碰撞假人的碰撞损伤参数3 。国外对h y b r i di i i 碰撞假人的有限元模型建立与运用方面已经有一定的经验积累，美国f t s s ( f i r s t t e c h n o l o g ys a f e l ys y s t e m s ) 公司及德国d y n a m o r e 公司都建立了h y b r i di i i 的有 限元模型，并在各大汽车公司中有着广泛的运用；美国乔治华盛顿大学的c i n g - d a o ( s t e v e ) k a n 等人也于2 0 0 6 年建立了一个h y b r i di i l 5 0 t h 的有限元模型h 8 】。 但是，现有的h y b r i di i l 5 0 t h 有限元模型中，头部模型的网格单元尺寸基本上都处 于5 1 0 m m ，单元尺寸大；头部模型的重要部件头部皮肤部件的实体单元层数都 h 3 ，b r i dl l l 5 0 t h 三l 部有限元模型建萨及应用研究 是只有1 或者2 层；而且细小部件都没进行网格划分，头部模型整体过于简陋， 没有好的细节表现。 在计算机硬件技术飞速发展的基础上，计算机的计算能力呈几何增长，计算 上百万单元的有限元模型已是常事，于是工业界和学术界对有限元模型的细致程 度也要求越来越高，研究h y b r i di i l 5 0 t h 有限元模型的建模和模型应用对汽车安全 性研究有重要的帮助作用，具有明显的经济和社会意义。 1 2 汽车前碰撞安全研究方法 目前汽车前碰撞安全研究主要采用两种方法：试验法和计算机仿真法。下面 对两种方法进行简单的介绍。 1 2 1 试验法 对汽车前碰撞安全性进行试验研究，主要包括三种方法：零部件碰撞试验、 台车前碰撞试验和实车前碰撞试验。其中台车前碰撞试验和实车前碰撞试验都 是使用h y b r i dl l l 5 0 t h 前碰撞假人替代真人进行试验。 利用试验法进行汽车前碰撞安全研究，虽然周期长、费用高，但由于试验的 直观性和真实性，且一切最终的产品都必须经过试验的检验，试验法在汽车前碰 撞安全研究中具有不可替代的作用和地位。 1 2 2 计算机仿真法 与试验法相比，计算机仿真法具有费用低、周期短、可重复、无时间地点限 制等优点，目前主要仿真方法有多体系统动力学法和有限元法呻1 。 ( 1 ) 多体系统动力学法：一般用来模拟人体动力学响应，即模拟碰撞事故 中乘员与环境的相互作用。其通过把人体的各个部分，如：头、上躯干、手臂、 大腿、小腿等抽象为多体系统中的“体”建立人体的多体系统进行仿真分析。多体 系统动力学法又分为多刚体动力学法和柔性多体系统动力学法。目前该方面的代 表软件为荷兰国家科学研究院( t n o ) 研究开发的m a d y m o 软件。 ( 2 ) 有限元法：一般用于建立汽车结构模型以及人体结构的生物力学模型 进行模拟碰撞分析。求解的内容可包括车身、车架等的撞击变形、动态响应以及 人体的碰撞响应等多种未知量。分析流程如图1 1 所示口3 。 目前该方面的代表软件有美国l s t c 公司的l s d y n a 软件以及法国e s i 公 司p a m c r a s h 软件。 尽管计算机仿真不能完全取代昂贵的碰撞试验，但在产品开发中，计算机仿 真的应用可以使样车试制、试验次数减少到最低限度，从而节省开发费用，缩短 开发周期，是汽车安全研究的重要辅助工具。 2 硕士学位论文 图1 i 有限元分析一般流程 1 3 汽车前碰撞假人及有限元模型 汽车前碰撞假人( d u m m y ) 是研究人员根据志愿者和尸体生物力学试验得到 的有关数据设计出来替代真人用于汽车前碰撞试验用的替代物，其又称为拟人试 验装置a t d ( a n t h r o p o m o r p h i ct e s td e v i c e ) ，是汽车前碰撞安全性评价的关键试 验设备。其设计时遵循三个原则n “1 1 1 ： ( 1 ) 假人身体结构的拟人性，即假人的外形尺寸、质量分布、部件转动惯量 必须与相近的人群类似： ( 2 ) 假人力学性能的拟人性，即假人在汽车前碰撞中，身体各主要部位机械 响应特性必须与人体相同部位在碰撞中的生物力学响应相似； ( 3 ) 假人的重复使用性好，由于假人制造成本很高( h y b r i di i i5 0 t h 汽车前 碰撞试验假人不包括传感器的成本为4 0 万人民币左右) ，而且汽车碰撞试验为破 坏性试验，为了使试验结果便于分析比较，碰撞试验假人必须要具有一定的抗毁 性、部件替换性以及可调整性。 3 哪b r i d 1 1 5 0 1 h 头目柯限 耩型建m j * 用日院 1 3 1 汽车前碰撞假人发展历程 在汽车发明与运用的1 0 0 多年来，汽车安全一直是个严重的问题。从2 0 世纪 3 0 年代开始汽车的设计者们开始重视汽车的安全问题。1 9 4 9 年a r l 公司和s i e r r a 工程公司开发了一个命名为“s i e r r as a m ”的机械假人：2 0 世纪5 0 年代早期，c o r n e l l 航空实验室为了研究汽车的安全性能。由g r u m m a n a l d e r s o n 开发了一个命名为 “g a r dd u m m y ”的研究用假人，该假人部件的不少工艺仍沿用至今；1 9 5 0 年由a r l 公司和s i e r r a 工程公司开发，名为v i p 的5 0 t h 假人开始运用于航空方面的实验； 1 9 5 0 1 9 7 0 年问，基于航空试验假人，设计工程师们开发了汽车碰撞试验用假人， 其中包括了5 0 t h 、9 5 t h 的男性假人及5 t h 的女性假人；1 9 7 1 年h y b r i d1 5 0 t h 假人 由a r l 公司和s i e r r a 工程公司进行细化调整；1 9 7 2 年，美国汽车工业界与美国 第一安全系统公司( f t s s ) 合作，基于h y b r i di 。开发制造了h y b r i d1 1 ，主要对 h y b r i di 的肩部、脊椎和膝盖进行的升级改进；1 9 7 3 年，美国道路交通安全局 ( n h t s a - - n a t i o n a lh i g h w a yt r a f f i cs a l t ya d m i n i s t r a t i o n ) 与美国通用汽车公司 ( g m ) 合作研究改进了h y b r i d1 1 的头部、颈部、关节、肋骨、膝盖、拟人姿态 和全新设计了脊椎开发研制了标准的h y b r i di i s 0 t h 假人，h y b r i d1 1 5 0 t h 是第一 个标准化的汽车碰撞假人，并已具备了一定的生物逼真性；1 9 7 6 年，美国通用汽 车公司开发设计了h y b r i d i l l 假人，h y b r i d i i i 比h y b r i d i i 装配了更多的传感器， 可以提供更多的实验数据，并且具有更精确的生物逼真性；1 9 8 8 1 9 8 9 年，美国 通用汽车公司基于h y b r i di i l 5 0 t h 假人开发设计了h y b r i di i l 5 t h 和h y b r i d1 1 1 9 5 t h 假人“”1 。图1 2 所示为h y b r i dl l l 5 0 t h 假人。 硕1 ：学位论文 1 3 2h y b r i di i l 5 0 t h 前碰撞假人主要参数 本文是研究建立与运用h y b r i di i l 5 0 t h 假人的头部有限元模型，所以必须要先 了解h y b r i di i l 5 0 t h 的主要结构参数和各总成的质量参数。h y b r i di i l 5 0 t h 前碰撞试 验假人以图1 3 所示的坐姿方式放置时，各部位主要尺寸参数如表1 1 所示，各总 成质量分布如表1 2 所示口鲥。 嘞 l 图1 3h y b r i d i i l 5 0 t h 坐姿图 表1 1 h y b r i di i i5 0 t h 前碰撞假人外形尺寸表 5 h y b r i d1 1 1 5 0 t h 头部有限元模型建立及府用研究 部件 质量( k g ) 头部总成 颈部总成 上躯干总成( 包括躯干夹克、下颈部托架) 上腿总成 下腿总成( 包括脚) 上臂总成 下臂总成( 包括手) 总质量 4 5 4 士0 0 5 1 5 4 士0 0 5 1 7 1 9 士0 3 6 5 9 9 士0 9 9 5 4 4 士0 1 4 2 0 0 士0 5 5 2 2 7 士o 0 9 7 7 7 0 士1 1 8 1 3 3h y b r i di i l 5 0 t h 前碰撞假人有限元模型介绍 从7 0 年代起，汽车碰撞假人的计算机仿真技术就已经开始在汽车工业中被广 泛应用n 朝。从8 0 年代起，工业界及学术界所建立的典型的h y b r i di i l 5 0 t h 有限元 模型汇总如表1 3 所示。 现今学术界中应用较广的h y b r i di i l 5 0 t h 有限元模型是美国l s t c 公司建立的 模型和荷兰t n o 公司建立的模型。l s t c 公司的模型是基于l s d y n a 有限元 求解软件的免费有限元模型；t n o 公司的模型是m a d y m o 软件汽车碰撞假人库 里面自带的模型；但这两个模型都存在不少缺点，l s t c 公司模型是较早开发的 h y b r i di i l 5 0 t h 有限元模型，整个模型的实体单元数量只有5 7 0 0 个左右，网格划 分很粗糙、细节表现差；t n o 公司的模型是表面有限元网格化的刚体模型，并不 是真正的实体有限元模型。工业界中应用最广的h y b r i di i l 5 0 t h 有限元模型是 f t s s 公司开发的有限元模型，已经经过了1 0 多年的开发改进和应用，随着现今 各界对汽车碰撞假人有限元模型要求的不断提高，德国p d b ( p a r t n e r s h i pf o r d u m m yt e c h n o l o g ya n db i o m e c h a n i c s ) 机构于2 0 0 8 年7 月起与f t s s 公司合作着 手提高该模型的细节表现及响应精度乜们。 6 稚i 副 辎 要彝 鼋 o 制 。 ll 廿 口 ；i n 窟j 言； 副 d 翠 i 驾 苫 赢 ! 辐 旧 1 b c 书 廿 0 心 o 蛙 置 = 旧 州 h 墙 柱 ! 辐 剥 霹 塔 屠 喁 o 碘 臼 1 1 卜 h h 制m 旨 皿 j 卜j 粼 n 当 副 ! 帮 旧 。喁 蛙 蕊 矗 * 至 匠 u o 廿 i 酬 o 璺 端 圃 蘸 = | | ( _ i 卓( 静 、 蛙 甚 飞拶 i 墓 皇 蟛 席 醛 奄 廿 ，刮 n 刮罄 曼羔 轼 哑 基 龄 燃 制 营 箍星 ， 址悄 番 ， 枉 蟹 型 群蘸 栅巾 擎 稚 粼 垃 豫剥 裁 嚣 世 鼠 鼎 似 鞯 i r 晕 泳 岳 剥攀噼睦忙专02h_名dhz酬球c_骷 性错单朴匿 h y b r i dl l l 5 0 t h 、大部仃限元模犁建妒及j 澎用研究 1 4 本课题研究特点、方法及拟解决的问题 1 4 1 本课题研究特点 本课题的研究特点表现在h y b r i di i l 5 0 t h 头部有限元模型不同网格密度模型 的建模、不同网格密度模型的比较、头部皮肤部件与头盖骨部件存在与不存在接 触关系的模型的比较及模型验证等方面。汽车碰撞假人是汽车安全研究的重要辅 助工具，并已进行了很多硬件方面的研究和开发制造，但是对汽车碰撞假人有限 元模型的研究是从2 0 世纪7 0 年代末才开始，而且主要集中于如f t s s 公司这样 的专业研究机构。学术界、工业界及政府对高精度、好的细节表现和具有精确仿 真响应的汽车碰撞假人有限元模型的需求不断在提高，以求碰撞假人有限元模型 的仿真模拟响应及模型细节能更精确地符合实际的碰撞假人乜。对于汽车碰撞假 人有限元模型的网格密度达到什么程度是较适合仿真模拟的，工业界和学术界仍 在研究探讨中。本文一个主要研究目的就是通过不同网格密度模型的比较及模型 验证提出符合h y b r i di i l 5 0 t h 头部有限元建模的网格参数。 观察研究现有模型的头部总成发现( 由表1 3 ) ，头部模型中头部皮肤和头盖 骨是分为不同部分并赋予不同材料属性的，但是模型中头部皮肤部件和头盖骨部 件是有连通性的，即头部皮肤内表面网格与头盖骨外表面网格是使用共同节点， 而实际上h y b r i di i l 5 0 t h 头部总成中头部皮肤部件与头盖骨部件是分离的并在碰 撞中存在接触。本文也将比较头部皮肤部件与头盖骨部件之间是否定义接触特性 时头部碰撞响应的差别。 1 4 2 本课题研究方法 ( 1 ) 对头部损伤机理进行文献研究，了解头部损伤机理，介绍目前的头部 损伤评价标准；研究h y b r i di i l 5 0 t h 头部总成结构、头部标定方法及头部标定所需 要采集的数据，确定头部有限元模型后处理所需要输出的数据。 ( 2 ) 根据美国道路交通安全局( n h t s a ) 的图纸建立h y b r i di i l 5 0 t h 头部总 成几何模型。头部皮肤、头盖骨、后头盖骨皮肤和后头盖骨部件由于几何不规则 大曲面的存在，不能直接依据图纸进行几何建模，将另外通过三坐标测量仪测取 点云数据作为几何建模的基础数据，再利用c a t i a 软件对点云数据作几何重建， 以获取精确的几何模型。 ( 3 ) 根据本文建立的h y b r i di i l 5 0 t h 头部几何模型，建立五种不同网格密度的 h y b r i di i l 5 0 t h 头部有限元模型，五种模型的头部皮肤部件与头盖骨部件之间定义 接触特性。通过比较五种模型的质量、质心及相对质心的转动惯量，确定五种模 型除网格密度不一样外，各模型所具备的条件是一致的。 ( 4 ) 对五种不同网格密度的h y b r i di i l 5 0 t h 头部有限元模型的有效性进行验证 8 硕+ 学位论文 及对比分析。验证方法采用h y b r i di i l 5 0 t h 头部的标准标定方法，各模型的标定仿 真条件一致。对各模型的仿真结果和试验数据进行对比分析。 ( 5 ) 取五种不同网格密度头部模型中的一种，建立头部皮肤部件与头盖骨 部件不定义接触特性的模型。采用h y b r i di i l 5 0 t h 头部的标准标定方法对两种模型 进行仿真模拟，并对结果进行比较分析。 ( 6 ) 将步骤5 中所选取与建立的头部模型分别与l s t c 公司建立的h y b r i d i i l 5 0 t h 有限元可变形假人模型进行耦合并应用于前碰撞研究中，以此说明本文所 建立模型的应用可行性及进行不同模型的应用比较。 1 4 3 本课题拟解决的问题 ( 1 ) 研究h y b r i di i l 5 0 t h 头部有限元网格划分密度对模型仿真的影响，并探讨 h y b r i di i l 5 0 t h 头部有限元网格密度达到什么范围后模型是较适用于仿真模拟并具 有好的细节表现的，提出符合现今要求的网格划分密度。 ( 2 ) 研究获得h y b r i di i l 5 0 t h 头部有限元模型中头部皮肤与头盖骨部件在定义 与不定义接触特性时的仿真模拟差别程度。 ( 3 ) 研究解决不同模型之间的耦合问题及分析对比不同模型的响应差别。 9 h y b 州1 1 1 5 0 t 5 头部有月横型建立及应用研究 第2 章头部解剖结构及其损伤机理 2 1 头部解剖结构 人体头部( 头颅) 是由多层结构构成的，其屉外层是头皮( s c a l p ) ，紧接着 是头盖骨( s k u l l ) ，然后是脑膜( m e n i n g e s ) ，最后是代表最内层组织的中枢神经 系统( b r a i n ) 。 头皮一般是5 7 r a m 厚，由生长毛发的皮肤层、皮下结缔组织层和肌肉筋膜 层组成。假如作用一个拉力到头皮上，这些层将作为一个整体移动。头皮下面是 松散的结缔组织和覆盖头骨的骨膜( 一种纤维组成的薄膜) 。 成人的头骨是由几块接合在一起的骨头及连接的骨缝组成的复杂结构，头骨 如图2 1 所示。在面骨中，只有下颌骨是通过可以自由运动的关节与头骨连接的。 骨骼的厚度和曲率差别很大。颅骨的生物力学性能表明颅骨作为人体中最坚硬的 组织之一，亦成为脑的最主要保护组织。 图2 1 人体颅骨结构图 颅腔内表面是由一个不规则的骨板组成基底的凹腔。这个基底板上有几个小 孔，这些孔是让动脉、静脉以及神经穿过的。还有一个大孔( 枕骨大孔) ，脑干通 过这个孔从颅腔进入脊髓。 颅骨里面的脑膜分为三层，从外到里，依次为硬脑膜( d u r a m a t e r ) 、蛛网膜 ( a r a e h n o i d m a t e r ) 和软脑膜( p i a m a t e r ) ，脑膜能够很好地保护和支撑脊髓和大 脑，同时也能够将他们与周围的骨骼隔离开，脑膜如图2 2 所示。其中，硬脑膜 是一种硬的纤维组成的膜，而蛛网膜类似一张蜘蛛网。硬脑膜和蛛网膜之间被一 个狭小的空间一一硬脑膜下腔隔离开。同样，蛛网膜和软脑膜之问被蛛网膜下腔 隔离开。软脑膜覆盖整个大脑表面，并且深入到脑缝中。蛛网膜下腔以及脑室中 颐i 学位论立 间充满了脑脊液( c s f ) ，这些脑脊液在大脑( 和脊髓) 受到震荡时能提供一个缓 冲效果。脑脊液在脑的周围不断地循环，它就像是一个缓冲器，同时帮助支撑着 整个大脑的重量。 图2 2 脑膜结构图 最后，由脑和脊髋组成的中枢神经系统位于头部的中央。如果从结构和功能 上来划分的话脑可以被分成五个部分：大脑( c e r e b r u m ) 、小脑( c e r e b e l l u m ) 、 中脑( d i e n c e p h a l o n ) 、脑桥( p o n s v a r o l i i ) 和延髓( m e d u l l a o b l o n g a t a ) 。如图23 所 示1 。 2 2 损伤生物力学基本理论 图2 3 脑结构圈 损伤生物力学亦称为碰撞生物力学，是汽车被动安全性研究的重要理论基础 之一。汽车碰撞事故中，人体暴露在一个机械冲击载荷的环境中，在惯性力和接 触力的作用下，人体的各部分组织将产生一定的生物力学响应。若生物力学的响 应使人体的组织超过了可以恢复的限度或导致解剖学组织的破坏和正常生理功能 h v b r i d1 1 5 0 t h 头郝肯m “模型建口发心用研究 的变化或丧失，这时就发生了人体损伤。人体组织在碰撞过程中所包含的有关力 学就称之为损伤生物力学。损伤生物力学的研究目的是了解人体在碰撞事故中的 损伤过程并研究人体受到过载荷时的防护方法。从医学的观点出发是就损伤的诊 断、治疗和康复来讨论研究车辆交通事故中的人体组织和器官所受到的破坏。从 工程学观点出发是就损伤的起因和在工程设计中考虑避免和减少事故损伤来讨论 车辆交通事故中的人体损伤。“圳。 在汽车碰撞研究中，损伤生物力学的主要研究内容： ( 1 ) 人体损伤机理的研究； ( 2 ) 人体在冲击载荷条件下的耐受限度； ( 3 ) 损伤评价标准、损伤准则的研究和制定： ( 4 ) 损伤准则在汽车安全开发研究中的应用； ( 5 ) 碰撞试验假人的研制； 损伤生物力学作为一门科学与力学一样古老，然而一直到了二十时间中叶， 损伤生物力学才成为一个系统性的研究学科“。经过半个多世纪的研究发展，研 究者们在损伤生物力学各方面都取得了很多成就。 在损伤机理方面：损伤可分为两种主要形式，包括侵入损伤和非侵入损伤。 侵入损伤一般由高速弹出物或是低速尖锐物体对人体的撞击导致；非侵入损伤一 般指钝的物体与人体有大面积相撞所致“。汽车碰撞环境下发生的人体损伤基本 上是非侵入损伤，非侵入损伤的损伤机理主要有三种：弹性、粘性、惯性( 如图 2 4 所示) ”“。 瀚懒簿 弹性 粘性惯性 图2 4 三种主耍损伤机理 弹性损伤形式是指人体某部位的在受挤压而超过其弹性承受极限，这种形式 的损伤可由低速的身体变形( 碰撞) 或是高速撞击形成。 粘性损伤形式是指突然的对人体的冲击使得人体内部器官超过其粘性极限。 硕i j 学位论丈 在外部没有明显损伤的情况下，这种形式的损伤仍然存在。例如：在人体胸部受 撞击导致胸腔出现粘性损伤形式。 惯性损伤形式是指由于惯性作用使得人体内部结构组织出现撕裂等现象。例 如：在头部的损伤中，这种形式占有很大比例。 在人体冲击载荷条件下的耐受限度方面：从6 0 年代起，通过大量的尸体、动 物等生物学试验并利用统计学知识得出了人体各部位的损伤耐受度及确定了生物 力学响应区间n 朝。 在损损伤评价标准方面：现今应用最广泛的是a i s ( a b b r e v i a t e di n j u r ys c a l e ) 评价标准。在1 9 7 1 年，a i s 第一次正式出版，后面经过了四次修改( 1 9 7 6 、1 9 8 0 、 1 9 8 5 和1 9 9 0 年) ，最后一次的版本称作“a i s 9 0 ”。a i s 可分成8 个不同等级，如表2 1 所示。 表2 1a i s 分类级别 a i s 等级 s e v e r i t yc o d e ( 损伤程度) n oi n j u r y ( 无损伤) m i n o r ( 轻微伤) m o d e r a t e ( 轻伤) s e r i o u s ( 重伤) s e v e r e ( 严重损伤) c r i t i c a l ( 致命伤) m a x i m u mi n ju r y ( v i r t u a l l yu n s u r v i v a b l e ) ( 死亡或明显不能救活) u n k n o w ( 死因无法辨别) 在碰撞假人方面：依据志愿者和尸体生物力学试验得到的有关数据设计和制 造出了应用于不同碰撞形式的碰撞试验假人，具有十分严格的生物逼真度。 现今，损伤生物力学的研究重点是：脑损伤，颈部挥鞭伤，颈椎骨折、挫伤， 儿童人体的耐受限度，车辆的安全装置等乜3 1 。 2 3 头部损伤机理 头部损伤常见形式是颅骨损伤和脑损伤心引。汽车碰撞事故中人体头部损伤形 式主要有：颅骨骨折、脑挫裂伤( 冲击伤及对侧冲击伤) 、硬膜外血肿、硬膜下血 肿、脑震荡和弥漫性神经轴突损伤( d a i ) 等乜引。头部损伤机理主要分为接触损 伤机理和惯性损伤机理口们。接触损伤机理：定义为损伤是头部直接接触碰撞时受 碰撞力所导致。惯性损伤机理：定义为损伤是由头部受加速度导致，包括线加速 度和角加速度。头部各损伤形式的损伤机理如表2 2 所示乜引。 1 3 h j b r i d1 1 1 5 0 t h 头部有限冗模型建谚及应用研究 颅骨骨折 冲击伤 对侧冲击伤 脑膜外血肿 脑硬膜下血肿 脑震荡 神经轴突损伤 头部与车体碰撞； 碰撞力的作用造成碰撞点一侧的损伤； 线加速度的作用造成碰撞点对侧的损伤 碰撞力的作用造成碰撞区域的损伤 碰撞力、头部线加速度及角加速度 角速度、角加速度及颅骨大脑间的相对运动 角速度及角加速度 注：l 、碰撞力造成的颅骨损伤 2 、动脉或桥静脉断裂造成的颅内血管损伤 3 、脑组织内的神经轴突受到剪切应力造成的脑神经损伤 2 4 头部耐受限度与损伤标准 人体的某一部分对损伤载荷的承受能力称为耐受限度，它定义为导致某种类 型损伤发生或达到某种损伤标准的阀值时的载荷大小，或者是由这种载荷换算来 的量3 。 ( 1 ) w a y n e 州立大学耐受限度曲线一w s t c ( w a y n es t a t et o l e r a n c ec u r v e ) 学术界通过大量的尸体试验研究了人体头部的加速度情况，于1 9 6 0 年，美国 w a y n e ) h 立大学的l i s s n e r 等人最早将头部的耐受限度进行了量化描述，提出了著 名的w s t c ( w a y n e 。 l l 立大学耐受限度曲线) ，其后由g u r d j i a n 和p a t r i c k 等追加数据， w s t c 如图2 4 所示口孔3 引，w s t c 描述了等同于人体头部在接触性损伤条件下 作用对阌( 糙) 图2 5w t s c 曲线 1 4 3鹤缎燎凝枢 硕十学位论文 线性加速度与其作用时间的关系。图2 5 中纵坐标表示作用在人体头部的有 效加速度或者平均加速度，横坐标表示该加速度的作用时间。w s t c 表明， 如果加速度作用时间越短，则头部可以承受越大的加速度；反之，如果加 速度作用时间较长，则头部只能承受较小的加速度；即作用时间越长，产 生头部损伤的机率也越大。该曲线上方的加速度域表示产生人体损伤的危 险区域，表示可能造成头部a i s 3 级或更高级的损伤。 ( 2 ) g a d d 头部伤度指数s i ( s e v e r i t yi d e x ) w s t c 中有效加速度作用时间曲线比较复杂，这使得难于定义有效加 速度。为了解决这个问题，g a d d 于l9 6 6 年根据w s t c 提出了头部