基于有限元法的头颈部模型的动态特性分析开题报告

1. 研究目的与意义

建立并验证一个基于人体解剖学结构的头颈部三维有限元模型。该模型由颅骨、脑、颈椎骨、椎间盘、肌肉、韧带和小关节组成，模型生物材料特性分别用弹性和粘弹性模型描述。采用该模型计算头颈部的模态反应，探索阻尼因子参数对降低峰值频率的影响。验证该模型具有较好的生物逼真度，可用于研究在汽车碰撞事故中头颈部损伤生物力学问题和开发损伤防护装置。

2. 国内外研究现状分析

研究现状

颅骨-脑相对位移模拟方面，ward和thompson认为颅骨与脑组织的相对运动可以解释多种类型的脑组织损伤，如何描述这种效果一直是颅脑有限元模型研究的重点。既往的有限元模型在模拟颅脑交界面时主要有三种方式，较多模型用相同节点代表颅骨和脑两种结构，即将颅骨与脑粘连起来，不允许出现相对位移，这种方法能较好的模拟压力梯度分布，但是难以描述颅脑界面的相对运动；大部分有限元模型将脑脊液层定义为低剪切模量的薄层材料，但此方法易出现计算不能完成的情况；第三种方式采用接触算法模拟颅骨与脑之间的运动，接触算法又分为滑动不分离和滑动可分离两种情况，前者相对滑动的摩擦基本可以忽略不计，根据这种思路建立的模型，颅脑间没有相对的剪切作用力，导致无法较好的模拟旋转加速度载荷，因此相关模型均定义了相对界面的滑动摩擦系数，后者得到的碰撞侧的正压力比共享节点法获得的压力值小，而在碰撞对侧，无法模拟负压力的形成效果，且由于分离导致间隙的出现，当两者再次接触，可能造成局部的压力过大；我国李海岩等利用二维的颅脑弹簧-质量系统和二维颅脑有限元模型来模拟颅脑在受到撞击时所产生的相对位移，对本课题的研究有相当借鉴意义。

以上研究多从脑表面脊液层的角度模拟颅骨与脑的相对位移，但申请者通过组织学和解剖学角度分析，认为颅骨-脑相对位移的发生部位应在硬脑膜与蛛网膜之间，即硬膜下腔，而非脑表面的脑脊液层，在有限元模拟中应当对发生在硬膜下腔的颅骨（颅骨-硬膜符合体）与脑（软-蛛网-脑符合体）之间的接触进行模拟。本课题拟采用弹簧单元模拟硬膜下腔，在有限元模拟的实质上，仍然是将颅骨与脑组织直接连接，冲击应力仍可由颅骨向脑组织传递。由于弹簧单元的特性，在模拟实效上造成颅骨与脑组织的相对位移，起到模拟颅骨-脑之间相对位移的效果。

3. 研究的基本内容与计划

使用Abaqus有限元软件，以人体头颈部研究对象，通过建立基于人体解剖学结构的人体颅-脑三维有限元模型，分析头部各种物理参数与损伤风险的关系，探索进行乘员或者行人头部损伤防护的方法。

4. 研究创新点

通过研究合适阻尼因子参数来减少发生汽车碰撞时人头颈收到的伤害