车辆碰撞过程中,颈部是最容易受伤的部位之一。利用有限元方法建立颈部有限元模型,进而利用实验所得数据对模型进行有效性验证,并利用验证后的模型进行颈部损伤机理的探索已经成为目前颈部损伤研究最常用的方法。国内外学者已经建立了多个人体颈部有限元力学模型并开展了颈部损伤机理的探究。但由于颈部结构复杂,现有模型网格划分时,通常进行了大量的简化,使得模型不够精细;模型一般只开展颈部无肌肉模型的跌落实验及有肌肉模型的志愿者后碰撞台车试验验证,而很少开展轴向拉伸及屈伸、侧弯及扭转实验的验证,模型的仿真验证相对较少;现有模型用实体单元或壳单元连接相邻椎骨实现对关节的模拟,虽然可以较准确的模拟颈椎整体的运动模式,但在局部组织的应力/应变方面以及伴有头部旋转的分析工况时存在不足,不能真实的表达由关节软骨面、囊韧带和关节腔组成的关节的生理功能,其仿生度还存在较大的提升空间。针对以上问题,本文开展了如下工作:(1)人体颈部高仿生度有限元模型的建立。基于50百分位中国男性成年志愿者的CT扫描数据,获取了椎骨三维几何模型,并对其进行六面体网格划分。接着根据解剖结构对关节、韧带等组织进行了建模,并根据国内外相关文献定义各组织材料参数,得到最终的人体颈部有限元模型。该模型包括颈椎椎骨(C1-C7)及一节胸椎椎骨(T1)、韧带、椎间盘、小关节和肌肉,以及颅骨与C1和C1与C2之间的可以模拟头部点头、后仰及旋转的寰枕关节和寰枢关节。本文将所建立的颈部模型与之前的头部模型进行连接,最终得到一个具有比以往模型更高仿生度的头颈部模型。(2)基于文献的颈部实验仿真验证。基于Panjabi等人进行的颈椎前屈/后伸/侧屈/旋转实验,开展模型的仿真验证,考核韧带、椎间盘、关节等对椎骨活动度的影响;基于Van等人进行的椎骨轴向拉伸实验,开展颈椎拉伸仿真验证,考核头部约束条件和偏心拉伸载荷对颈部响应的影响;基于Nightingale等人进行的头/颈部模型跌落试验,开展了无肌肉头颈部模型的仿真验证,考核颈部屈曲模式与实验的一致性;基于Davidson等人进行的志愿者低速后碰撞台车试验,开展了包含肌肉的颈部模型的仿真验证,考核颈部模型整体运动模式与真实人体运动模式的一致性。(3)后碰撞头颈部生物力学响应研究。以低速后碰撞为例,利用本文验证后的头/颈部模型进行仿真分析,给出了后面碰撞上颈椎韧带、关节囊韧带、椎间盘及椎骨响应参数,并评估了颈部各组织可能发生的损伤及颈部损伤的机理。本文所建立的颈部模型较以往模型仿生度更好,可用于交通事故中颈部损伤机理的研究,并为汽车碰撞中乘员伤害评价研究提供参考。