乘员股骨在轴向压力--弯矩下的损伤生物力学机理研究

汽车前碰撞事故中在冲击力作用下乘员股骨经常产生骨折创伤.为研究乘员股骨在不同的轴向压力--弯矩作用下的损伤机理及其耐受限度值,首先建立了一个较为精细的50百分位乘员的坐姿下肢有限元模型,并通过模拟股骨动态三点弯曲及下肢的轴向膝部冲击实验对模型的有效性进行了验证.在此基础上,针对股骨在轴向压力--弯矩载荷下的断裂失效分别进行了曲梁力学模型分析及有限元虚拟实验研究.结果表明:股骨骨折位置依赖于膝部轴向压力及弯矩的载荷大小的变化,在预加载弯矩从0增加到676Nm时,股骨失效部位由股骨颈部转移到股骨干末端区域;失效部位发生在颈部及股骨干时的最大力矩分别为285～296Nm和381～443Nm.股骨损伤机理的分析结果阐释了在膝部轴向冲击实验中失效部位位于股骨颈部,而在汽车前碰撞事故中仍有大量的股骨干骨折出现的原因.     

垂向冲击下穿戴装备对乘员损伤影响研究

军事人员在战斗中需要穿戴装备,穿戴装备后对车内乘员承受车辆底部爆炸垂向冲击时的损伤有影响。通过垂向冲击试验与仿真模拟的方法,研究了穿戴装备在身上的分布对于乘员损伤的影响。根据AEP55乘员伤害准则,以盆骨z向加速度和腰椎轴向力为乘员损伤的参考目标,首先通过垂向冲击试验的进行,研究了不同穿戴装备质量对于乘员损伤的影响;接着通过有限元模型对试验进行验证和优化,进而研究穿戴装备位置与松紧度对于垂向冲击下乘员损伤的影响。结果表明随着穿戴装备质量的增加,乘员腰椎损伤加重,脊柱损伤概率减小;装备分布在躯干位置越靠近上部,与身体接触松紧度越紧,乘员腰椎与脊柱的负荷越小,越不易受伤。     

前交叉韧带损伤的继发性生物力学影响

前交叉韧带(anterior cruciate ligament, ACL)损伤往往会导致半月板及周边韧带的继发性损伤. 由于离体实验和临床研究的局限性,损伤的机理仍未得到清晰的认识. 基于核磁共振断层扫面图像重建了一个比较完整和精确的膝关节三维有限元模型. 采用文献报道的解剖测量数据对关节的解剖尺寸进行了检验,证明模型在几何上比较准确. 并且对文献报道的膝关节实验作了模拟,得出的计算结果与实验比较吻合,证明模型能够在一定程度上再现膝关节真实的运动情况. 然后利用该模型对ACL损伤前后的膝关节进行模拟,分别在屈膝0$^\circ$和30$^\circ$的姿态下对胫骨施加前后方向和竖直方向的载荷. 结果表明, ACL的损伤改变了关节组织上的应力分布:内侧半月板后段的应力显著增加;外侧半月板、后交叉韧带以及侧副韧带上的应力改变程度则取决于载荷的类型和屈膝的角度. 该研究有助于认识ACL损伤之后周边组织的继发性损伤现象,并对容易诱发损伤的高危动作进行分析和预防,对研究ACL的损伤和治疗具有重要的意义.      

双波护栏-汽车碰撞动力响应与吸能机理研究

我国西部山岭重丘区山高谷深,高速公路跨线天桥、弯道及坡道较多,这些特殊路段的防撞设施多采用立柱加密的双波护栏.通过ANSYS/LS-DYNA有限元数值仿真,对加密立柱双波护栏在汽车碰撞作用下的动力响应进行了研究,分析了双波护栏的碰撞能量转换与吸能机理,结果表明加密立柱的双波护栏对车辆碰撞具有良好的吸能、导向作用.     

载人空投着陆冲击下不同乘员姿态的损伤影响

针对某军用车辆在1 m高度进行无缓冲平台空投实验,并建立座椅与乘员的模拟模型。利用实验获取的座椅安装点冲击信号作为模拟模型的输入数据,并通过实验结果与模拟结果的对比验证了该模型的可靠性。借鉴航空工程相关研究,提出了一种将各关键损伤指标加以归一化的权重评价指标—加权损伤准则(weighted injury criteria,WIC)。研究了乘员仰卧角度和大小腿夹角两个姿态参数对乘员损伤的影响,并以WIC为优化目标,利用遗传算法完成参数优化工作。研究发现:对乘员小腿运动进行约束能降低乘员整体损伤响应,乘员对抗着陆冲击的最佳姿态为仰卧角47°～56°、大小腿夹角62°～68°。     

高温环境下纤维复合材料蠕变损伤的细观机理研究

首先利用复合材料纤维断裂单胞模型，编制蠕变损伤子程序，对单胞模型进行蠕变损伤分析。分析了纤维／基体弹性模量比对蠕变变形、蠕变损伤以及应力场的影响。从计算结果发现，蠕变损伤首先在纤维断裂尖端起始，然后沿着一定的角度向基体外围延伸，直至完全损伤，而且纤维／基体模量比对高温环境下的复合材料蠕变损伤产生很大的影响；纤维与基体的模量相差越大，复合材料越容易变形，抵抗蠕变变形的能力就越小，蠕变损伤越严重。经过对不同韧性的基体材料进行研究，发现基体韧性低的复合材料蠕变损伤明显高于高韧性基体复合材料，表明低韧性基体复合材料抵抗蠕变破坏的能力较低。     

粒子法中压力振荡的机理研究

移动粒子半隐式法(moving particle semi-implicit method, MPS)是一种适用于不可压缩流体的无网格方法, MPS方法常应用于自由表面大变形问题.MPS 方法提出至今一直存在着严重的压力振荡问题. 本研究针对MPS 方法中存在的压力振荡现象, 首先将实际的物理问题简化为一维模型, 并从粒子之间相互位置关系的角度说明了MPS 方法中压力波动产生的原因.在采用MPS方法进行模拟时, 加入了粒子碰撞模型, 通过对碰撞系数的选择从而控制粒子之间的相互位置关系.并且对经典的溃坝问题进行了模拟, 结果表明随着碰撞系数的增加, 粒子数密度偏差的波动幅度都会减小, 从而压力振荡的幅度得到了有效的抑制.并且对比了两种不同核函数对压力振荡的影响, 结果表明: 采用高斯核函数时, 压力振荡的幅度更小, 这是因为采用高斯核函数时, 相同的粒子位置波动幅度将会得到较小的粒子数密度偏差的波动.由于在模拟过程中粒子运动的随机性, 这将导致粒子数密度偏差产生随机的波动, 从而产生压力振荡, 因此粒子法中的压力振荡很难彻底消除.      

动物膝关节损伤与破坏机理的力学基本性能研究

为了了解包括人在内等动物膝关节的损伤与破坏机理，对狗膝关节分正常对照、弯月形韧性弹性垫切除和移植三组，每组五个试件进行了弯曲、冲击和压缩的力学基本性能实验。此外还对膝关节铰中的弯月形韧性弹性垫进行了拉伸实验。实验揭示的现象和获得的数据，对动物膝关节的损伤与破坏机理，病理和防治等的进一步研究，以及人工假膝关节的设计提供了有价值的参考。     

匀速轴向压力作用下两边简支直杆的动力屈曲

根据在不同的变形状态下匀速轴向受压的、两边简支的弹性直杆的动力屈曲控制方程,对直杆一阶、二阶形式的动力屈曲利用差分方法和有限元数值模拟方法进行计算和比较,并通过改变加载速度得到相应的数值解。计算结果表明:在保证精度的情况下,加载速度的增加使得两边简支直杆屈曲模态由一阶向二阶发生渐变;在屈曲刚发生阶段,屈曲载荷保持不变,之后屈曲载荷随着加载速度的增加而逐渐增大,且存在临界加载速度使屈曲载荷在该位置发生突变。     

BIOSID Dummy撞击实验的计算机模拟研究

给出了一个BIOSIDdummy侧撞有限元模拟结果 ,和实验结果比较验证后可知该模型是可靠有效的。这一模型不仅可以用于任何侧撞情况下车辆乘员损伤防护模拟的研究 ,而且也可用于dummy本身的改进发展。     

多种冲击载荷条件下的人体肋骨骨折有限元分析

旨在研究不同碰撞载荷条件下基于不同失效模型的人体肋骨骨折机理. 为此采用已验证的人体有限元胸部模型来分析人体肋骨骨折现象. 该模型基于人体解剖学结构,包含了人体胸椎、腰椎、肋骨、胸骨、肋间软骨、胸腹部器官和其他的软组织,定义的生物材料参数都基于已有的文献记载. 基于人体在损伤生物力学领域内一些较为典型的肋骨骨折失效模型,根据已发表文献中的人体标本实验载荷条件模拟了人体肋骨结构在不同冲击载荷下的骨折现象,并与这些实验结果进行了对比分析. 所引用的实验结果包括单根肋骨强度结构实验和人体胸部正面碰撞块冲击实验. 从文中有限元仿真分析的结果来看,针对不同的载荷条件,不同肋骨骨折失效模型的适用性各不相同. 该人体胸部有限元模型可用于车辆交通事故中冲击载荷条件下的人体肋骨损伤生物力学研究.