[发明专利]一种预测振动下人体生物力学响应的人体有限元建模方法

说明书

本发明公开一种预测振动下人体生物力学响应的人体有限元建模方法，步骤包括：1)建立坐姿人体有限元模型；2)建立坐姿人体腰椎L1‑骨盆有限元模型；3)建立包含腰椎建模的坐姿人体有限元模型；4)利用包含腰椎建模的坐姿人体有限元模型对垂向振动条件下坐姿人体的椎间盘压缩力、椎间盘内压、纤维环应力和软骨终板应力进行预测。本发明对人体的振动响应和腰椎生物动力学响应进行预测，在人体生物力学建模、人体‑座椅系统舒适性研究、生物医学等领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及汽车乘员-座椅系统领域，具体是一种预测振动下人体生物力学响应的人体有限元建模方法。

背景技术

人体长期处于全身振动环境之中，特别是专业驾驶员容易引起腰椎脊柱系统疾病，而通过实验的方法对腰椎生物力学特性进行研究往往比较困难，借助人体有限元建模的方法可以有效地帮助我们理解腰椎脊柱系统疾病的发病机理。因此，建立能与人体真实解剖结构相联系的生物力学模型，同时对人体的振动响应和腰椎生物动力学响应进行预测，有助于理解和改善振动对人体健康、舒适度的影响。

现有技术中对于人体振动响应和腰椎动力学响应的研究思路有两种。一种是建立坐姿人体有限元模型，对振动条件下的动态等效质量、腰椎或者头部传递函数进行预测。另一种是建立人体腰椎局部或整体有限元模型，将人体上身的质量简化为一个质量点施加在腰椎上表面，对振动条件下的腰椎生物力学响应进行研究。前者主要反映人体宏观的振动响应，建模过程中没有考虑腰椎的建模细节，因此无法对腰椎的生物动力学响应进行研究。后者往往只建立局部或者整体腰椎进行研究，忽略了包裹在腰椎周围的软组织对腰椎受力的影响，不能够很好的反映腰椎真实的生物力学响应特性，也无法反映人体宏观的振动响应。

发明内容

本发明的目的是提供一种预测振动下人体生物力学响应的人体有限元建模方法，包括以下步骤：

1)基于人体的解剖结构，建立坐姿人体有限元模型。

所述坐姿人体有限元模型包括人体头部、上躯干、下躯干、臀部、大腿、小腿和脚。

所述大腿骨采用圆管进行模拟，臀部和大腿为光滑的一体结构。所述坐姿人体有限元模型各部分采用人体矢状面内的关节进行连接。所述关节包括带有刚度和阻尼的铰链。

建立有限元模型的工具包括HYPERWORKS软件。

2)建立坐姿人体腰椎L1-骨盆有限元模型、座椅与踏板有限元模型。

建立L1-骨盆有限元模型的步骤包括：

2.1)基于POSER软件提供的人体解剖学和人体测量学数据库，导出腰椎L1-L5模型.obj几何文件。

2.2)将腰椎L1-L5模型.obj几何文件导入HYPERWORKS中进行网格划分，并与骨盆有限元模型结合建立L1-骨盆有限元模型。

2.3)赋予腰椎L1-骨盆模型的材料属性。

3)基于坐姿人体有限元模型、坐姿人体腰椎L1-骨盆有限元模型和座椅与踏板有限元模型，建立包含腰椎建模的坐姿人体有限元模型。

建立包含腰椎建模的坐姿人体有限元模型的步骤包括：

3.1)将坐姿人体有限元模型、坐姿人体腰椎L1-骨盆有限元模型、座椅与踏板有限元模型结合，得到包含腰椎建模的坐姿人体有限元模型。

3.2)赋予包含腰椎建模的坐姿人体有限元模型各部分软组织和关节初始参数，并根据人体各体段质量所占比例确定材料密度。

4)对所述包含腰椎建模的坐姿人体有限元模型进行优化，得到坐姿人体有限元优化模型。

对包含腰椎建模的坐姿人体有限元模型进行优化的步骤包括：