汽车被动安全设计中人体头部流固耦合模型及其伤害评价技术研究

头部伤害是交通事故中最为常见的伤害类型之一。交通事故重伤例中约50%以上是头部伤所致。目前汽车被动安全评价采用碰撞假人进行，以头部伤害值（HIC）作为头部伤害评价的唯一指标。然而，假人头部是由一个铸铝头盖骨和一块具有乙烯树脂皮肤的头盖骨盖构成，伤害表现为质心处的HIC值，这与真人头部由皮肤、颅骨、脑组织构成，伤害表现为骨折、组织损伤和出血等生理现象不同，因此，应用假人将进行被动安全的研究具有不全面性，甚至是错误的。.本项目针对目前碰撞假人评估头部伤害的不足，根据头部大脑"水浴"于脊液这一关系，应用欧拉-拉格朗日法建立包含大脑、脑脊液、脑膜间耦合关系的流固耦合模型，进行汽车被动安全设计中人体头部流固耦合模型及其伤害评价技术的研究，从真人（而非假人）的角度阐明头部碰撞伤害的机理，为汽车被动安全设计提供依据。为克服头部无法进行真人碰撞试验的困难，提出了利用大鼠进行头部打击对照研究的方案。

项目的背景：.交通事头部伤害引起的重伤和死亡都占有较高的比例，在我国，重伤案例中约50%、死亡案例中约95%都是头部受伤所致。目前汽车被动安全评价采用碰撞假人，与真人头部伤害指标为骨折、组织损伤和脑出血等生理现象不同，假人仅以头部伤害值（HIC）作为唯一碰撞伤害评价指标。本项目针对碰撞假人评估头部伤害的不足，基于现代的医学影像手段，建立具有流固耦合关系的国人头部伤害模型，开展汽车被动安全设计伤害评价技术的研究，从真人的角度阐明头部碰撞伤害的机理。本项目研究是对假人应用于汽车被动安全设计的有益补充。.主要研究内容：：.1）头部冲击流固耦合理论与替代模型研究。.2）50 百分位中国人人体头部几何模型与有限元模型建立。.3）头部碰撞分析模型验证。.4）不同颅脑接触界面仿真方法的研究。.5）汽车被动安全设计头部伤害评价方法的研究。.重要结果：.1）.流固耦合理论研究表名，ALE法适合头部建模。.2）.基于某中国成年男性志愿者的CT与MRI数据建立50 百分位头部数学模型，包含909822个单元，质量为4.74kg。.3）.通过颅内压、颅内动态响应及颅脑相对位移实验仿真验证的头部模型具有良好的精度与仿生度，适用于汽车碰撞头部冲击伤的仿真分析。.4）.基于 ALE 方法建立的头部流固耦合模型弥补了以往模型模拟相对位移量偏小的不足，可提供比共节点模型更准确的结果。.5）.采用人体头部模型进行仿真可给出HIC 之外的颅内压、应力、应变值，相比假人模型更全面。.关键数据.1）.本项目模型与共节点模型都能够较好模拟颅内压响应，但模拟头部相对位移时ALE法的结果优于共节点法。.2）.共节点法下颅内压与主应变峰值分别为 20kPa与0.10，ALE模型颅内压与主应变峰值分别为54k Pa与0.36， ALE法预测与实验结果吻合较好。.3）.共节点法模拟颅脑相对位移峰值为 2mm 左右，ALE法的模型位移值约为6mm，与实验结果（约为6mm）更为接近。.4）.头部碰撞颅内压许用限值约为173kPa，头部应变许用限值约为0.1。.科学意义.本项目是车辆工程、力学、医学的交叉研究领域，成果可为车辆被动安全性设计和安全法规的完善提供更详尽的依据外，也可为交通事故急救，法医学事故重现、军事及航天载人工程的生理评估提供有效的工具。