نوع مقاله: مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکترا، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران

2 کارشناس ارشد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران

3 استادیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران

10.22041/ijbme.2009.13385

چکیده

در این مقاله روشی تحلیلی برای پیش بینی پاسخ برخورد مایل یک پوسته کروی حاوی سیال با ضخامت دلخواه با یک جسم چنبره ای الاستیک ارائه می شود که می تواند مدلی برای بررسی تحلیلی ضربه به سر انسان باشد. مدل مبتنی بر ترکیبی از شرایط تماسی هرتز و اثر موضعی خمشی و غشائی به منظور به دست آوردن رابطه ای ضمنی برای تعیین نیروی انتقالی است. با استفاده از پاسخ های حاصل از روابط تحلیلی می توان چنین نتیجه گرفت که در یک سرعت مشخص با افزایش زاویه حمله، نیروی انتقالی کاهش و مدت زمان برخورد افزایش می یابد. همچنین روابط صریح حاصل از حل بسته برای پدیده ضربه ارائه شده تا مشخصات ضربه شامل مدت زمان تماس، حداکثر نیروی انتقالی و حداکثر شتاب پوسته که اهمیت ویژه ای برای محققان دارد، به دست آیند. بنابراین بررسی کمیت های مهم پدیده ضربه به صورت یک حل بسته امکان پذیر می شود. از طرفی در مورد حالات حدی معادلات نیز بحث شده است و اعتبارسنجی مدل پیشنهاد شده به وسیله روش اجزاء محدود انجام شده است. نتایج، انطباق قابل قبولی بین پاسخ های تحلیلی با پاسخ های حاصل از حل عددی نشان می دهد که بیان کننده صحت روابط تحلیلی به دست آمده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

An Analytical Model For Investigation Of Human Head Impact And Study Of Its Governing Equations

نویسندگان [English]

  • Shahab Mansourbaghaei 1
  • Majid Haghayegh 2
  • Seyed Mohammad Rajaei 3

1 PhD Candidate, Mechanical Engineering School, Iran University of Science and Technology

2 M.Sc Graduated, Mechanical Engineering School, Iran University of Science and Technology

3 Assistant Professor, Mechanical Engineering School, Iran University of Science and Technology

چکیده [English]

An analytical method to predict the response of the inclined impact of a fluid filled elastic spherical shell having an arbitrary thickness with an elastic toroid is investigated in this paper which can be a model for analytical evaluation of blunt impact on the human head. The study is performed under a combination of Hertzian contact theory and the local effect of membrane and bending of the shell in order to state the implicit equation to determine the transmitted force. With respect to the analytical responses, it is concluded that transmitted force decreases and contact duration increases by increasing of attack angle in constant initial velocity. In addition, closed form solution is presented to obtain impact parameters including the duration, the maximum transferred load and the maximum acceleration of the shell which particularly important for the researchers. Therefore investigation of the important quantities of the impact problem with closed form solution is possible. On the other hand, limiting cases will be discussed in next step and the concluded results are validated by finite element methods to verify the response of the model. In this step, a good agreement between analytical responses and numerical results is observed that reveals the correctness of analytical equations. In the final step of this research, obtained results are compared with experimental data.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Fluid Filled Spherical Shell
  • Elastic Toroidal Object
  • Impact
  • Hertz Theory
  • Membrane And Bending Effect

[1]     Kleiven S., Finite Element Modeling of the Human Head; Ph.D. dissertation; 2002; Department of Aeronautics, Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden..

[2]     Engin A.E., The axi-symmetric response of a fluidfilled spherical shell to a local radial impulse—a model for head injury; Journal of Biomechanics; 1969; 2: 325– 341.

[3]     Kenner V.H., Goldsmith W, Dynamic loading of a fluid filled spherical shell; International Journal of Mechanical Science; 1972; 14: 557–568.

[4]     Young P.G., An analytical model to predict the response of fluid-filled shells to impact—a model for blunt head impacts; Journal of Sound and Vibration; 2003; 267: 1107–1126.

[5]     Gui-fan Zh., Hui-feng T., Xing-wen D., Method of model analysis for flexible head impacting with elastic plane; Journal of Applied mathematics and mechanics, 2003; 24 (3): 363-372.

[6]     Ruan J.S., Khalil T.B., King A.I., Dynamic responses of the human head to impact by 3D FE analysis; Biomechanical Engineering; 1994; 116: 44–50.

[7]     Al-Bsharat A., Hardy W.N., Yang K.H., Khalil T.B., King A.I., Brain/Skull Relative Displacement Magnitude Due To Blunt Head Impact: New Experimental Data and Model; Proceeding of 43rd Stapp Car Crash Conference; 1999; Technical paper No: 99sc22: 350-360

[8]     Deb A., Ali T., A lumped parameter based approach for simulation of automotive headform impact with countermeasures, International Journal of Impact Engineering 2004; 30: 521-539.

[9]     Johnson E.A.C & Young P.G., The analysis of pressure response in head injury; Stapp car crash Journal; 2006; Paper No: 2006-01-2368.

[10] Johnson E.A.C & Young P.G., On the use of a patient specific rapid-proptotyped model to simulate the response of the human head to impact and comparison with analytical and finite element models; Jounal of Biomechanics; January 2005; 38: (1): 39-45.