无网格与有限元耦合的人体头部在车辆翻滚中的损伤机理研究

Head injury is the most common damage type that results in the extremely high fatality risks for the non-ejected passengers in vehicle rollover accidents. An argument exists whether the theory of ‘roof crush’ or ‘diving’ accounts for the injury mechanism of passenger head in rollover. This study mainly focuses on the kinematic response and injury characteristics of human head in rollover accidents and JRS experiments. Tensile and compression test are conducted based on swine brain tissues under varying rate, further the relevant material constitutive parameters are optimized using experimental design method the multi-objective genetic algorithm. The model of brain tissues is constructed via a meshless local Petrov Galerkin method and then coupled with the finite element human model of THUMS. The coupled head model is then improved against rollover accidents and injury reconstructions and meanwhile to represent the damage event. A combined model of car and coupled human body is developed to investigate the correlations between roof crush, head kinematic response and head injury risks to reveal the injury mechanisms of head in rollover. This program could provide a reliable basis of head injury criteria and mechanisms, meanwhile it could provide theory basis for the application of meshless method in the field of biomechanics including high-speed, low-speed impact as well sports trauma research.

头部损伤是车辆翻滚事故中未抛出乘员的主要损伤类型，也是引发事故高伤亡率的首要原因。车辆翻滚中乘员头部的损伤机理一直存在着以“顶盖侵入”或“头部惯性与速度”为主因的争议，亟待深入研究。本项目围绕人体头部在车辆翻滚事故和JRS翻滚试验中的运动学响应和损伤特性进行研究。采用动物试验研究不同速率下脑组织材料的拉伸和压缩力学特性，结合拉丁方设计及多目标遗传算法NSGA-II优化基于粘弹性本构模型的脑组织材料参数；采用无网格伽辽金法构建脑组织模型，并与THUMS有限元人体模型进行耦合。通过典型翻滚案例的事故重建及损伤重建，完善头部模型的逼真度以精确再现损伤过程。基于JRS翻滚系统，建立轿车-耦合人体的数学模型，结合正交设计方法评估车辆顶盖侵入、头部运动学响应与颅脑损伤的风险关系，进而阐明翻滚车辆中乘员头部损伤机理。预期成果将为人体颅脑在高速冲击伤、低速钝性交通冲击伤及运动医学研究提供可靠的理论参考及应用基础。

车辆翻滚是伤亡风险极高的一种事故形态，也是全球交通安全面临的共同难题。头颈部损伤是车辆翻滚事故中未抛出乘员的主要损伤类型，也是引起高伤亡率的首要原因，翻滚中乘员头部的损伤机理一直存在着较大的争议。此外，车辆事故中存在大量的乘员被抛出车外的情况，如何防止车辆翻滚事故中乘员被抛出车外亟待深入研究。本项目首先研究了人体头部在车辆翻滚事故和JRS翻滚试验中的运动学响应和损伤特性，在动物脑组织的试验数据分析以及大量文献研究的基础上，结合试验设计方法及多目标遗传算法NSGA-II优化基于粘弹性本构模型完善了脑组织材料参数。通过典型翻滚案例的事故重建及损伤重建，完善头部模型逼真度并再现损伤过程建立了车辆翻滚的仿真模型，基于真实交通事故数据对仿真模型进行了验证。基于JRS系统，建立了车辆的翻滚仿真模型，研究了不同道路类型包括：水泥、沥青、沙土以及冰面等形式下车辆顶部的侵入特性，结合试验设计方法评估不同道路形式下车辆顶盖侵入与人体头损伤的风险关系。研究乘用车翻滚事故中安全气帘防抛出的效力，根据法规FMVSS226要求设计试验方案，针对气帘展开1.5s碰撞仿真试验。提出了一种防止乘员头部抛出的新型设计方法，采用气体发生器重复Tank试验得到P-T曲线，利用实验和仿真对比的方法对气帘进行跌落塔试验，验证气帘模型的有效性，基于FMVSS226开展气帘防止乘员抛出的动态仿真。结合实验设计和二阶响应面法对影响气帘防护性能的关键因素进行优化设计，利用遗传算法获得设计变量的最优组合，进而获得最优的车辆翻滚防护方法。预期成果将为车辆翻滚中乘员的防护提供理论参考及应用基础。