18129

18129

تحليل بيومكانيكي آسيب سر فضانورد در فازهاي شتاب‌گيري و فرود

دكتري

ديناميك و ارتعاشات

آبان ماه 1396

دكتر محمد حق پناهي

دكتر رضا كلانتري نژاد

مكانيك

درحالي‌كه مجموعه¬اي از مطالعات قبلي، خطر ضربه به سر فضانورد را به كمك معيار آسيب سر (HIC) در فضانورد تحليل كرده‌اند، اما تعداد نسبتا كمي از اين مطالعات، خطر آسيب بافت نرم سر را در فضانورد مورد مطالعه قرار داده‌اند كه اطلاعات آن نيز در دسترس نمي‌باشد. هدف از مطالعه حاضر، تحليل بيومكانيكي آسيب‌هاي وارد به سر فضانورد به كمك مدل‌سازي المان محدود سر انسان و همچنين بهبود معيارهاي آسيب به سر موجود مي‌باشد. به اين منظور، ابتدا مدل سه‌بعدي المان محدود از سر انسان شامل قسمت‌هاي مختلف آناتوميكي ايجاد شده و به كمك نتايج آزمايش‌هاي ناهوم و تورسيل صحه‌گذاري شده است. در ادامه طراحي موقعيت نشيمنگاه، جهت حفظ ايمني سرنشين فضاپيما در موقعيت‌هاي شتاب‌گيري و بارهاي ضربه‌اي فرود صورت پذيرفته است. به اين منظور، ابتدا با استفاده ديناميك چندجسمي فضانورد، پاسخ ديناميكي فضانورد به بارهاي وارده در هنگام ضربه فرود و شتاب گيري تعيين شده است و با اعمال آن به مدل المان محدود سه‌بعدي سر، پاسخ ديناميكي سر به بار اعمالي تعيين شده است. همچنين، آناليز حساسيت براي ارزيابي حساسيت آسيب‌ها به تغييرات زواياي نشيمنگاه صورت پذيرفته است. درنهايت با جمع‌بندي نتايج به دست آمده موقعيت بهينه قرارگيري جهت تقليل آسيب‌هاي وارد به سر و آسيب به گردن سرنشين ارائه شده است. در ادامه اين مطالعه با توجه به نواقص موجود در معيارهاي آسيب به سر پيشين، توسعه معيار آسيب به سر جهت پيش‌بيني پاسخ درون جمجمه‌اي مدل المان محدود سر ارائه شده است. بنابراين ابتدا با شبيه‌سازي المان محدود سر بوسيله اعمال شتاب‌هاي انتقالي با اندازه و جهات مختلف، پاسخ درون جمجمه‌اي استخراج شده است. سپس با تحليل آماري و برازش منحني، معيارهاي آسيب جديد جهت پيش‌بيني تنش ون مايسز، فشار مثبت و فشار منفي مغز استخراج شده است. همچنين معيارهاي جديد براي پيش‌بيني آسيب سر جهت بهبود معيارهاي آسيب سر پيشين در بارهاي دوراني وارد به سر ارائه گرديد. به اين منظور به كمك مدل المان محدود سر سايمون تأثير بارهاي دوراني بر پاسخ‌هاي درون جمجمه‌اي در صفحات مختلف مورد تحليل و بررسي قرار گرفت. سپس با استفاده از تحليل آماري معيارهاي آسيب جديد ارائه گرديد كه دربردارنده اندازه و جهت اعمال بار جهت تخمين ريسك آسيب در بارهاي دوراني مي‌باشند.

1396/09/13

12/4/2017 12:00:00 AM

While some studies have investigated astronaut head injury risks using head injury criteria (HIC), but a little research has been done to assess TBI risks using finite element astronaut head models which there are not available. The objective of this study is to analysis head injury risks in the astronaut using finite element human head model. For this purpose, first 3D finite element head model has been created in full details. The results of brain pressure in Nahum and Trosseille experiments have been used to validate FE head model. Next, Designing astronaut seat position has been done to preserve the safety of occupants under acceleration and impact loads of landing condition. So, initially, the astronaut’s dynamic response to the sustained loads while landing impact is at work were determined using astronaut multi-body dynamics. Next, the dynamic response of head to sustained loads was determined by applying the sustained loads to three-dimensional finite element model of the head. Subsequently, the probability of occupants’ being injured was assessed by changing seat angles and using neck injury index and head tissue injury criteria. Furthermore, a sensitivity analysis was carried out in order to eva​luate the sensitivity of injuries to changed seat angles. Subsequently, comparing neck and head tissue injuries by changing occupant seat angle, an optimal seat location is proposed. Next, new head injury criteria have been developed to predict brain responses because of the limitation previous head injury index. For this purpose, head impacts were simulated for different magnitudes and directions of translational impact using finite element head model. Simulations were performed in order to eva​luate pressure and stress responses by brain tissues due to changing the impact direction. Also, the effect of impact loads has been investigated on the brain responses in the sagittal, transverse, and frontal planes. Next, statistical analysis was used to develop new head injury criteria for predicting brain coup pressure, contrecoup pressure, and von Miss stress. Also, new head injury criteria have been proposed to predict rotational head injury. For this purpose, effect of rotational impact direction and magnitude on the brain injury have been eva​luated using the SIMon model. Next, statistical analysis was used to develop new head injury criteria for predicting brain injury risk in rotational head impact.