[發明專利]六歲兒童乘員的有限元模型的構建方法及系統、兒童約束系統評價方法及系統

在審

• 申請號: 201911146458.7
• 申請日: 2019-11-21
• 公開（公告）號: CN110955992A
• 公開（公告）日: 2020-04-03
• 發明（設計）人: 李海巖;呂文樂;李健;賀麗娟;崔世海;阮世捷
• 申請（專利權）人: 天津科技大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23
• 代理公司: 上海德禾翰通律師事務所 31319
• 代理人: 陳艷娟

本發明提出了一種六歲兒童乘員的有限元模型的構建方法，及其坐姿調整方法。本發明還提出了一種基于六歲兒童乘員的有限元模型來評價兒童約束系統有效性的方法，通過帶有力學屬性的單元和節點來計算人體在特定狀態下頭頸部、胸腹部、四肢等部位的運動學參數以及其應力應變分布情況，準確判斷出人體不同部位及內部組織器官的變形以及損傷情況，以此來判斷兒童約束系統對兒童乘員的保護效果，以便對不同類型的約束系統進行更加細致的評價。并期望更深入的研究六歲兒童乘員在汽車碰撞事故中的損傷機理，以此來對約束系統進行改進及優化，使其達到最優的保護效果。

技術領域

本發明涉及計算機數值模型技術領域和人體損傷生物力學研究方法，具體涉及一種六歲兒童乘員的有限元模型的構建方法和系統，以及應用該模型進行兒童約束系統評價的方法。

背景技術

損傷機制是對導致人體機能損傷的機械和生理變化的描述，對損傷機制的研究是了解和學習損傷生物力學學科的基礎。為充分了解人體損傷過程，找到減少或者消除沖擊環境中可能對人體組織結構和功能造成損傷的方法，國內外學者對此進行了大量研究，常見的生物力學研究方法主要有尸體實驗、假人模型和有限元模型等。由于社會倫理道德和法律法規的約束，對于尸體實驗樣本的獲得十分困難，而且多數為一些成年人尸體，兒童標本則少之又少，單個的尸體實驗數據并不具備普遍性，且尸體各器官組織的力學特性取決于保存技術和死亡后存放時間，使得尸體實驗存在一些局限性。假人模型是進行實車碰撞實驗中不可缺少的部分，雖然其形狀、尺寸和質量分布與人體高度一致，但只能在安裝傳感器的特定部位輸出一些動力學參數，對于研究人體在交通事故中的損傷機理十分有限。隨著計算機技術和有限元理論的不斷發展，計算機仿真模型在汽車碰撞安全領域得到了廣泛的應用，通過計算機模型來模擬碰撞過程，可以更好的理解人體響應和發生損傷的過程。現階段構建的一些兒童有限元模型，大多是通過對成人有限元模型進行縮放獲得，但由于兒童和成人在解剖學結構上的差異，通過縮放獲得的模型在幾何仿真度上存在著較大的局限性，并不能準確的模擬出兒童在事故中的損傷機理。

六歲兒童處于生長發育的分水嶺，其頭骨骨縫逐漸骨化消失，胸骨和髖骨的軟骨部分也逐漸骨化形成整骨，是一個比較特殊的年齡階段。而且從兒童在交通事故中的損傷比例可以看出，這個年齡段的兒童也最容易受到損傷。因此，選擇六歲兒童作為研究對象，并基于一個真實的六歲兒童志愿者CT數據進行坐姿有限元模型的構建，以此對兒童的損傷機理進行研究。

相較于成年人，兒童的骨骼還未完全發育成熟，社會認知能力有限，而且遇到突發事件時不能夠及時做出有效的反應和判斷，因此，在交通事故中處于弱勢群體，面臨著很大的受傷風險。兒童約束系統作為一種保護裝置，能夠限制兒童在汽車碰撞過程中身體的偏移，有效地減輕佩戴者在交通事故受到的傷害，因此，對兒童約束系統保護效果的研究十分有必要。現階段，對兒童約束系統的評價主要是通過動態試驗實施，即按照兒童約束系統的產品分組分別搭乘相應的假人進行滑車實驗，通過測量兒童假人運動姿態以及傷害指標，考核兒童約束系統對兒童乘員的保護效果。雖然假人模型在約束系統評價方面發揮著重要的作用，但僅通過在假人特定部位安裝的傳感器，只能輸出一些加速度、作用力等動力學參數，這對于兒童損傷情況的表征十分有限，而通過兒童有限元模型，不僅可以最大限度地還原碰撞過程中人體的生物力學響應，還可以根據不同部位的應力應變分布情況，精確地判斷出損傷情況。通過對兒童損傷情況更詳細的輸出，也就可以更準確地評價約束系統的保護效果。

發明內容

本發明為了克服現有技術的缺陷，提出了一種六歲兒童乘員的有限元模型的構建方法，包括：

步驟A：通過幾何重構構建六歲兒童模型；