颅脑有限元模型演化规律及其生物力学研究进展

交通事故中头颈部损伤因其较高的致命性,已成为最严重的损伤类型。有限元模型在创伤性脑损伤生物力学机理研究中得到日益广泛应用。回顾头颈部有限元模型的生物力学研究历史和现状,并阐述车辆碰撞交通事故中人体颅脑典型交通伤演化规律和生物力学研究进展,探索头颈部损伤安全防护的方法,以期为车辆碰撞事故中人体颅脑损伤生物力学研究和相应的汽车安全防护装置研制提供理论依据。

面部碰撞对行人创伤性脑损伤影响的生物力学研究

为预测和评判行人面部碰撞对创伤性脑损伤机理及生物力学响应,结合计算机断层扫描(CT)和磁共振(MRI)医学成像技术,建立符合中国人体特征的50百分位头颈部几何模型和有限元模型。有限元模型中颅骨与脑之间的相对运动采用切向滑动边界条件,摩擦系数定义为0.2,模拟鼻骨斜碰撞、鼻外侧软骨正面碰撞、牙齿正面碰撞、下颌骨碰撞和颧骨外侧斜碰撞等5种典型面部碰撞交通事故场景,探讨应力波在颅骨和脑内传播路径,得到颅内压力、von Mises等效应力和剪切应力等生物力学响应参数分布规律。结果显示,鼻骨斜碰撞颅内压力峰值为236.7 k Pa,von Mises应力为25.97 k Pa,超过了大脑耐受阈值;颧骨外侧斜碰撞最大横向剪切应力分别为14.56 k Pa和-18.07 k Pa,促使脑组织产生了较大的剪切变形,存在严重脑损伤风险。结论表明:面部碰撞的位置和方向是导致面部骨折严重程度的关键因素,面骨骨折的位置决定创伤性脑损伤的部位,面骨骨折都带有一定程度的创伤性脑损伤;头部受到冲击时,面部结构能够吸收大量的冲击能量来保护大脑,降低颅脑损伤的风险。

基于代理模型的汽车乘员约束系统性能优化

针对汽车碰撞乘员约束系统优化设计中多参数和非线性问题,提出了基于径向基函数代理模型的优化设计方法,通过LS-DYNA分析软件建立正面碰撞乘员约束系统的仿真模型并对其进行验证.基于该模型选取对响应影响较大的设计变量作为优化变量,在LS-OPT中选择径向基函数构建代理模型,采用空间填充试验方法进行试验设计,运用自适应模拟退火算法进行优化求解.优化结果表明:人体综合损伤WIC值相比初始设计值降低了28.2%,实现了对设计目标的优化.

非均匀温度场下涡旋压缩机涡旋盘数值仿真研究

基于热应力场耦合建立了汽车涡旋压缩机涡旋盘有限元模型,涡旋齿载荷边界条件设置为流场离散,在气体压力载荷单独作用、温度场载荷单独作用以及两者耦合作用这三种情况下,对涡旋盘进行受力分析和变形分析,讨论不同主轴转角的涡旋齿的刚度和强度,最后得到涡旋齿的变形规律和应力分布。分析结果表明:当涡旋盘压缩腔运动到排气孔位置时,涡旋盘处于变形与应力最大的状态,热变形是影响涡旋盘整体变形的主要因素。

汽车碰撞事故中人体头部损伤有限元模型的研究

在某文献建立的头部碰撞损伤有限元模型的基础上,增加颅骨和脑组织之间的脑脊液层,采用表面流体建模方法模拟其静液压流体腔,赋予头部各组织黏弹性材料特性,建立了改进模型,并与基准模型进行对比仿真。结果表明,修正后的改进模型具有较好的生物逼真度,在汽车碰撞事故模拟中有更好的压力响应,与修正前的基准模型相比,颅骨最大主应力增加了44%,主要与脑组织材料特性的改变有关;脑组织的最大von Mises应力增加了18%,主要与脑脊液材料特性的改变有关。通过与另一文献实验结果的对比,验证了研究结果的正确性。

汽车与行人碰撞中头部有限元模型关键参数研究

改进并验证一个基于人体解剖学结构的头颈部碰撞损伤有限元模型,探讨有限元模型的关键参数,增加颅骨和脑组织之间的脑脊液层(CSF),采用表面流体建模方法模拟其静液压流体腔,改变其余头部各组织的材料属性为粘弹性材料,采用该模型计算颅内压力、最大von Mises应力和颅骨最大主应力。结果表明,修正后的模型具有更高的生物逼真度,在汽车碰撞事故模拟中有更好的压力响应,可用于研究在汽车碰撞事故中头颈部损伤生物力学问题。

基于光传播Monte Carlo模拟的三维模型特征提取方法

在现代工业设计、人工智能、软件设计等领域,三维模型正展现强劲需求与活力,传统三维模型特征提取方法仅能提取模型表面特征,难以满足复杂模型特征提取需求,为提高三维模型的特征提取精度,基于光谱分析以及可见光传播特性,提出一种具有高区分度的三维模型特征提取方法。首先利用光散射系数、吸收系数、各向异性等光学特性参数,量化分析光在不同介质中透射、散射、反射概率,并确定最佳光谱模拟波段;其次采用Monte-Carlo法模拟光子束在三维模型中的传播历程,获得光子束传播轨迹的角度、距离、能量等多种统计量,计算不同统计量权重,经过统计分析后完成特征提取;然后在ESB国际通用三维模型库中,测试不同光子束数量、约束空间形状对特征提取效果影响,从而确定最佳模拟参数;最后使用多种特征提取方法与光传播模拟法进行特征提取效果比较,并采用查准率、查全率以及E测度评价指标对特征提取效果进行定量测试。实验结果表明,三维模型特征提取准确度对光传播约束空间形态较为敏感,光子传播的最佳约束空间为球体;三维特征提取效率随着光子束数量升高而降低,在保证特征提取精度的前提下,10000~25000区间是光子束模拟数量的最佳取值范围;基于光传播模拟的特征提取准确度高于小波变换、距离夹角以及D2分布方法,能够满足三维模型检索需求,更适合复杂三维模型的离线特征提取与应用。结合光谱分析与可见光传播特性的模型特征提取法拓宽了光谱分析的应用范围,能够提取出融合三维模型表面特性与内部形态的有效特征,为高精度特征提取技术研究注入新动力。

薄膜型声学超材料隔声特性研究

为对一种薄膜型声学超材料的设计提供理论指导,对其隔声性能、影响因素和应用展开研究。构建薄膜型声学超材料的声学仿真模型,开展其隔声性能的单一影响因素和多因素正交优化设计研究,探讨方形声学超材料在汽车前围板上的组合应用。研究表明,随着薄膜厚度或预应力的增加,薄膜型声学超材料单胞的传声损失曲线整体向高频区域移动,传声损失峰值及其所对应的频率均明显增大,有效隔声频率范围变宽;质量块厚度的改变可以在某些频率范围内改变传声损失峰值及其所对应的频率;对薄膜型声学超材料单胞隔声性能影响最大的设计参数是薄膜厚度,其次是薄膜预应力;优化设计后的声学超材料单胞的平均传声损失达到30.2 dB,峰值传声损失81.0 dB比优化前的53.8 dB高50.5%;在材料结构与性能参数相同情况下,方形单胞具有比圆形单胞更好的低频隔声性能;组合后应用于前围板的方形声学超材料可以明显提高传统钢前围板的低频隔声性能。

黄麻纤维毡吸声模型构建与试验验证

为更好地指导黄麻纤维毡的产品设计与应用,开展基于JCA吸声模型的黄麻纤维毡声学有限元模型构建与验证研究。利用阻抗管测取黄麻纤维毡吸声系数,并辨识出用JCA吸声模型表征的黄麻纤维毡相关物理特征参数,基于所建立黄麻纤维毡声学有限元模型获取其吸声系数和声压、声能分布。研究表明,黄麻纤维毡在高频率范围内具有较好吸声性能,其在中、低频范围内的吸声系数随频率的增加近似呈线性增加;JCA吸声模型能较好描述黄麻纤维毡吸声性能;基于COMSOL软件所建立黄麻纤维毡声学有限元模型是可靠的,可用于植物纤维材料吸声性能的仿真分析。

含电磁分流阻尼双层准零刚度隔振系统的动力学特性分析

双层准零刚度隔振器(Two-stage quasi-zero-stiffness vibration isolator,TQZS VI)可以有效地抑制低频振动以及迅速衰减高频振动,电磁分流阻尼器(Electromagnetic shunt damping,ESD)也被证明是从振动结构收集能量的可行方式。通过集成TQZS VI和ESD,提出了一种能够实现振动控制和能量收集双功能的新型TQZS VI。所提出装置的准零刚度是通过垂直弹簧与两个并联的横向弹簧实现的,电磁分流阻尼作为上下层之间的黏性耗散元件,由连接到外部谐振电阻-电容-电感(Resistance-capacitance-inductance,RCI)串联电路的ESD提供。首先,建立了含电磁分流阻尼双层准零刚度隔振器(Two-stage quasi-zero-stiffness vibration isolator with electromagnetic shunt damping,ESD-TQZS VI)的力学模型和数学模型。然后,采用谐波平衡方法(Harmonic balance method,HBM)和弧长延拓方法求解了ESD-TQZS VI的幅频响应方程。从力传递率和输出功率的角度,分析了系统参数对振动隔离和能量收集性能的影响,发现大阻尼比有利于衰减谐振峰,同时对能量收集影响较小;大分流电阻不利于衰减谐振峰,而且会使得系统隔振频带变窄。最后,揭示了参数优化后ESD-TQZSVI的分岔及吸引子共存特性。结果表明,ESD-TQZS VI能够显著衰减低频振动的谐振峰值,同时实现振动能量收集。