《汽车工程师》汽车安全中的损伤生物力学专刊征稿通知

安全是汽车设计中的核心要素,也是汽车发展的永恒主题。随着汽车碰撞安全技术的发展进步,道路交通事故导致的人员伤亡已经得到有效控制。然而,在当前我国汽车保有量迅猛增长的背景下,汽车安全形势依然严峻。汽车碰撞安全作为守护乘员和行人生命安全的最后一道屏障,其重要性不言而喻。人体损伤生物力学是汽车碰撞安全研究的理论基石,在被动安全技术的发展中发挥着不可替代的作用。人体损伤生物力学的研究内容广泛而深入,涵盖了交通损伤流行病学分析、人体生物力学测试、损伤机理研究、损伤准则制定、耐受限度分析以及人体数字模型构建等多个方面。这些研究不仅为汽车碰撞安全提供了坚实的理论基础,也为降低交通事故对人体的伤害提供了科学依据。

排球运动员前交叉韧带损伤生物力学研究现状

目的排球扣球动作所带来的高损伤风险值得引起关注。通过搜集整理国内外近年来相关研究文献,厘清当下排球扣球动作损伤生物力学研究现状,为后续损伤机制、预防措施等相关研究的更好开展提供帮助。方法运用中国知网、Web of Science等数据库,通过排球运动员、前交叉韧带、生物力学、volleyball player、Anterior Cruciate Ligament、Biomechanics等关键词进行文献的搜集整理,时间范围为2010~2024年。结果(1)排球运动员不正确的落地动作是导致前交叉韧带出现损伤的主要原因,且大多数的损伤发生在非接触情况下,因此运动员下肢关节的角度变化影响前交叉韧带受力大小的主要因素;(2)女子运动员出现前交叉韧带损伤的概率是男子运动员的3倍甚至更高,这可能与女性运动员落地时膝关节更大的外翻力矩以及更小的屈曲角度有关;(3)新手动作模式的不稳定是导致其损伤几率高于高水平运动员的主要原因。结论前交叉韧带损伤是排球运动员常见的膝关节损伤,损伤的主要机制在于不正确的落地动作且表现出明显的性别以及水平差异;损伤风险因素的确定、正确动作模型的构建以及不同群体损伤预防措施的选择是后续研究的关注重点。

《汽车工程师》汽车安全中的损伤生物力学专刊征稿通知

安全是汽车设计中的核心要素,也是汽车发展的永恒主题。随着汽车碰撞安全技术的发展进步,道路交通事故导致的人员伤亡已经得到有效控制。然而,在当前我国汽车保有量迅猛增长的背景下,汽车安全形势依然严峻。汽车碰撞安全作为守护乘员和行人生命安全的最后一道屏障,其重要性不言而喻。人体损伤生物力学是汽车碰撞安全研究的理论基石,在被动安全技术的发展中发挥着不可替代的作用。人体损伤生物力学的研究内容广泛而深入,涵盖了交通损伤流行病学分析、人体生物力学测试、损伤机理研究、损伤准则制定、耐受限度分析以及人体数字模型构建等多个方面。这些研究不仅为汽车碰撞安全提供了坚实的理论基础,也为降低交通事故对人体的伤害提供了科学依据。

应用于头部损伤生物力学研究的三维有限元模型发展概况

在交通事故中,头部损伤因其高发率和高致命率成为最严重的损伤。为了研究头部损伤,出现了一系列诸如物理试验、动物试验及尸体试验等研究方法。近年来,随着计算生物力学的发展,人体头部的有限元模型逐渐成为研究头部损伤生物力学的重要工具,文中就头部有限元模型的发展过程及最新进展进行了较为全面的综述,并探讨了该领域未来需要研究的问题。

汽车安全与人体损伤生物力学的有限元模拟研究

汽车安全是汽车产品研发中必须首先考虑的一个重要因素.新汽车产品不但需要满足或超过各国制定的安全法规,也要满足使用者对安全性能的期望和要求.市场调查表明:约有78%的美国新车购买者愿意多付钱来购买额外的汽车安全性能.汽车安全技术与人体损伤生物力学有着依赖关系,对汽车安全性能研发的成功与否,很大程度上取决于是否能通过人体损伤生物力学的损伤标准.文中就汽车安全与人体损伤生物力学的因果关系进行深入浅出的分析和讨论,对人体损伤生物力学与汽车安全的未来研究趋势提出笔者的新见解.

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。

汽车正面碰撞中后排不同坐姿乘员损伤生物力学分析

为了研究后排乘员不同坐姿的正面碰撞损伤生物力学特征,采用有限元仿真分析的研究方法,对THUMS AM50乘员在50 km/h正面碰撞时标准坐姿、左倾15°以及右倾15°这3种坐姿下的损伤生物力学进行了分析。并针对左倾15°坐姿,使用3+2点式安全带以及后排正向安全气囊对乘员进行了碰撞保护策略研究。结果表明:乘员左倾15°坐姿损伤最为严重,为此使用3+2点式安全带能有效减轻乘员头部损伤;使用后排正向安全气囊很大程度上对乘员头部以及胸部起到保护作用,并且对左右倾斜坐姿的乘员也具有好的保护效果。未来需要加强对后排乘员的保护研究,以适应不同的碰撞工况以及复杂多变的乘员坐姿。

关注碰撞中易受伤害人群:用于损伤生物力学研究的有限元人体模型最新进展(英文)

在汽车碰撞中,相对于平均身高的年轻男性,儿童、矮小女性、老人和肥胖者是易受伤害的人群,因而会有较高的死亡率和重伤率。但包括碰撞假人和人体有限元模型在内的现有伤害评价工具,一般未考虑人群中体型和身材组成的多样性。参数化人体有限元模型能够代表广泛人体属性,最大地拓宽碰撞安全所保护的人群。本综述发现:关于人体测量学、人体有限元模型、网格变换、人体材料试验和尸体试验的最新研究,为建立参数化人体有限元模型奠定了基础。本文提出了建立这样一个参数化的人体有限元模型的方案。该模型可模拟不同人群,对汽车进行安全优化设计,这是现有伤害评价工具所无法做到的。

碰撞位置对行人头部生物力学模型损伤影响

利用人体头部生物力学模型研究了行人与车辆前端碰撞时头部损伤。结果表明,在同一目标点进行碰撞时,由于颅骨碰撞位置不同,产生的颅骨损伤也不同,当碰撞位置为额骨和颞骨时存在骨折风险;对于颅脑损伤,随着碰撞位置不同,存在不同脑挫裂伤及脑振荡风险;与EEVC头部碰撞模型对比头部合成加速度曲线趋势一致,发动机罩外板变形接近,HIC15值随着碰撞位置不同,存在较大差异。

儿童损伤生物力学实验研究综述:结构响应测试

在儿童安全的研究中,由于受到伦理道德等方面的限制,无法开展有效的儿童结构响应实验了解其损伤机理、确定损伤容忍限度,导致现有儿童假人的开发和相应损伤容忍限度的建立都是通过缩放成人结构响应实验数据而得到的。然而,缩放方法的准确性目前仍未得到证实。同样,儿童结构响应数据的缺乏,使得儿童数学模型的验证存在很大的困难。为此,详细回顾与分析现有文献中儿童头部、颈椎、胸腹部、骨盆与四肢结构响应实验方法与数据。此外,还回顾儿童尸体台车试验及志愿者台车试验。最后,对未来急需开展的儿童各部位结构响应实验提出建议。

基于人—车碰撞事故重建的行人下肢动力学响应与损伤生物力学分析

为了深入研究人—车碰撞事故中行人的下肢运动响应和生物力学损伤规律,基于国家车辆事故深度调查体系中真实的交通事故案例,建立了人-车碰撞有限元模型并进行了模型有效性的验证。利用THUMS人体模型模拟了行人站立、步行、跑步3种姿态,针对车辆前部横向结构特征选取了3个碰撞位置,分析了行人下肢在碰撞位置的生物力学响应和损伤特点。结果表明:在40 km/h的碰撞初速度下,车辆前部横向结构特征对行人左、右腿的运动响应和损伤有较大影响;行人股骨高风险区域为股骨头和股骨骨干,其最大应力值达到124.9 MPa,而胫骨高风险区域为胫骨骨干,其最大应力值达到157.2 MPa;行人左腿膝关节最大横向弯曲角37.1°,最大剪切位移12.5 mm,其损伤风险相对于右腿膝关节更高;在车灯碰撞区,行人下肢受到的损伤比车辆其他碰撞区的损伤更低。

人体胸腰椎体几何学测量及生物力学特性实验研究

研究水下爆炸产生的舰船冲击载荷导致舰船人员脊柱损伤的生物力学特性。分别从10具健康成年男性尸体上截取完整的胸腰椎,然后剔除不需要的软组织,并从胸、腰椎上仔细分离出各个自由椎体,对每个椎体上下两个端面处理后进行静态和动态压缩试验研究。从胸椎T1至腰椎L5,随着椎体在脊柱位置上的下降,椎体的横截面积和体积逐渐增加,每个椎体所承受的动态和静态压缩破坏载荷也逐渐增加。计算动态应力强度与静态应力强度的比值,胸椎平均为1.51,腰椎平均为1.46。胸腰椎体面积和体积与其所本身所能承受的载荷变化趋势与人体承载能力的规律相一致,它反映了舰船冲击载荷造成船员胸腰椎损伤的机制及其损伤特性。

爆炸冲击波作用下人体肺部的损伤

为探究肺部爆炸伤的致伤机制与评价指标,构建了人体-爆炸流场有限元模型,通过与爆炸事故中人员损伤情况比对,验证了模型的有效性。共进行39个爆炸工况的数值模拟,通过改变爆炸当量与距离,使得胸部受到不同量级爆炸载荷作用,肺部损伤等级从无损伤到严重损伤。通过分析爆炸流场分布、胸腔动力学响应、肺部应力分布等阐明肺部爆炸伤的力学机制。基于人体有限元模型输出的损伤响应,提出肺部爆炸伤的评价指标。研究结果表明:在爆炸载荷作用下,胸前壁高速撞击胸腔脏器,导致肺部产生应力波。随后在惯性作用下,胸前壁持续挤压胸腔脏器,并造成胸腔变形。应力波是造成肺部损伤的主要原因,胸腔变形挤压肺部造成的损伤风险较低。肺部损伤集中在靠近胸前壁及心脏的区域。胸骨速度峰值和胸骨加速度峰值可作为肺部爆炸伤的评价指标。胸部压缩量及黏性响应系数不能反映应力波对肺部造成的损伤,不适合评价肺部爆炸伤。

安全气囊对汽车乘员碰撞损伤防护的研究

概述国内外安全气囊的开发和应用过程中所开展的研究工作。论述的重点包括事故分析 ,与安全气囊相关的损伤 ,损伤生物力学 ,安全气囊防护有效性的评估方法以及新型安全气囊的研究动态和发展趋势。

汽车交通事故中头部损伤评估模型的构建与验证

为预测与评判汽车碰撞事故中头部骨折和旋转加速度引起的脑损伤,对一位中国成年50百分位男性志愿者进行CT扫描,建立了具有中国人体特征的头部几何模型和有限元模型并进行验证。对模型仿真结果的运动学和动力学响应与本文和Nahum与Trosseille等前人的实验结果所进行的比较表明,颅内压力分布均表现出冲击-对冲的压力梯度分布模式,且压力峰值吻合较好,说明模型具有较高的生物逼真度。

中国人体上肢碰撞损伤有限元模型的开发

针对中国人体特征进行损伤生物力学研究的重要目的是为完善中国汽车安全法规提供科学依据.为了深入探讨中国人体损伤生物力学机理和损伤响应,根据中国人体解剖学结构,建立了具有较高精度的中国50百分位成年男性乘员的上肢有限元模型,包括上肢骨骼及关节、韧带、肌肉和皮肤等软组织.针对长骨骨干断面几何不均匀的特征,建立皮质骨不等断面厚度和形状连续变化的长骨数值模型.筛选并汇总国内外尸体实验数据,在准静态和动态加载下验证长骨和上肢模型的可靠性,以及肩关节侧面碰撞响应.结果表明,该模型能准确反映人体上肢损伤特性.

头部撞击损伤的有限元模型建立

根据人体头部的螺旋CT医学影像,利用图像边界分割、各层图像之间的影像配准以及三维重建技术建立了头部几何模型,然后运用NURBS曲面片的构造算法将三角面片转换为四边形面片,最后利用TrueGrid软件对颅脑几何模型进行网格划分,同时进行适当的网格修补,从而建立了人体头部有限元模型。根据碰撞过程中的能量守恒,验证了模型的可靠性。本模型可用于汽车交通事故中头部损伤的生物力学研究以及为开发相应的汽车安全防护装置提供理论依据。

外伤后脑血肿对颅内压分布的力学分析研究

目的根据患者CT和颅内压数据,建立外伤性脑损伤的有限元模型,分析脑血肿对颅内压产生的压力响应。方法采用成人头部有限元模型(GHBMC)与气体分子动力学分析脑血肿膨胀与颅内压增高的关系,提取并折叠血肿,置入有限元模型中相对应的位置,根据CT图像和颅内压值,加入肿胀曲线,进行模拟计算,得到各个部分的脑组织压力分布云图、脑组织应变的分布云图,计算脑疝多发区域的脑组织压力差。结果有限元模型中的压力值、中线偏离量与临床病人脑室型探头压力、CT图像中线的吻合度较好,误差率分别为4%和2%。模拟结果显示,在左侧颞枕叶矢状位上,左侧基底节区血肿病例大脑镰下方、小脑幕切迹后部压力差不显著,分别为1400 Pa和1320 Pa。但幕上颞叶压力明显大于小脑小叶的压力,分别为2504 Pa和1360 Pa。小脑前叶与后环池的压力无明显差异。左侧脑血肿患者小脑幕比右侧脑血肿患者具有更大的等效应变。结论左侧患者额颞基底节区的血肿更有可能导致小脑幕切迹疝。而右侧患者的脑血肿导致的压力被小脑幕的应变代偿,脑疝风险因此下降。通过本研究计算脑疝易形成区域的压力差,可更好地理解血肿造成的颅内压分布对激发脑损伤的影响,为损伤的预后提供力学依据。

行人汽车碰撞损伤研究中的人体头部有限元建模方法

为了研究行人汽车碰撞事故中人体头部的生物力学响应和损伤机理,建立了一种具有详细解剖学特征的人体头部有限元模型,并且基于国外经典尸体模型实验,验证新建模型的生物逼真度。结果表明,该模型能有效地模拟汽车碰撞事故,为车辆碰撞事故中人体头颈部损伤安全防护装置研制提供理论依据。

有限元分析法用于法医损伤学研究的探讨

计算机在病理组织学图像处理等方面的应用，使这门学科获得了一定程度的发展。在法医损伤学方面，计算机技术虽还没有得到更好的应用，但有限元分析方法可为法医损伤学与计算机技术的结合提供桥梁的作用。