基于试验和有限元仿真的儿童乘员正面和侧面碰撞安全研究

论文摘要

儿童乘员安全是汽车碰撞安全领域的重要研究课题之一。国际上关于儿童乘员安全的研究早在上世纪60年代就开始了;美国和欧洲等国分别于70和80年代相继建立了儿童乘员安全法规。随着我国家用汽车保有量的逐年增加,儿童乘员安全问题越来越突出。儿童乘员约束系统(Child Restraint System,CRS)是防止交通事故中儿童乘员伤亡的乘车保护装置,开展这方面的研究工作具有重大的社会意义,尤其在我国实现现有的计划生育政策情况下。本文应用Hybrid III 3岁儿童假人有限元模型和3岁儿童人体有限元模型建立了四种典型的前向式CRS(着衣型、护板型、普通的5点式背带型和ISOFIX CRS)的正面碰撞台车试验的有限元仿真模型。将Hybrid III假人有限元模型仿真的乘员动态响应与试验对照,以校验有限元模型。对比分析了试验和仿真中这四种典型CRS约束下的乘员伤害值及儿童人体有限元模型的应力分布以比较这四种CRS的正面碰撞安全性的优劣。对使用三点式安全带固定的护板型和普通的5点式背带型CRS的安全带有100 mm松弛的误使用情形及普通的5点式背带型CRS和ISOFIX CRS的背带有100 mm松弛的误使用情形进行了有限元仿真分析。结果表明,ISOFIX CRS的正面碰撞安全性最好。ISOFIX CRS是一种国际通用型CRS,实现了与车体简单、牢固和标准化的连接。因此本研究着重对ISOFIX CRS的正面碰撞安全性进行了分析。考虑到对使用前向式CRS的4岁以下儿童乘员,颈部保护非常重要,因此着重对颈部响应进行了深入分析。儿童人体有限元模型的上颈部受力是基于头部的运动力学方程式计算求得的。假人模型与儿童人体有限元模型在仿真中的体幹姿态及下颌与胸部的接触方式有较大差异。假人和儿童人体有限元模型的下颌与胸部的不同的接触力及头部惯性力使得两模型的上颈部受力不同。假人模型的上颈部所受剪力和拉力均较大,而儿童人体有限元模型的上颈部剪力较小,拉力较大。为减小ISOFIX CRS约束下的儿童乘员头部、颈部和胸部受力,考虑给ISOFIX CRS的顶部拉带加限力计。用有限元模型仿真分析了ISOFIX CRS正确使用情形和CRS背带有100 mm松弛的误使用情形下顶部拉带限力计的效果。结果表明限力计有效地降低了头部和胸部加速度及上颈部受力。通过计算假人和儿童人体有限元模型的缓冲能量密度和约束能量密度,及约束能量密度中被CRS背带吸收的能量密度和耗散到CRS安装系统的能量密度,得到了能量密度和效率与胸部加速度之间的关系。结果表明,胸部加速度并不完全由缓冲能量效率决定,而是由被CRS背带吸收的能量效率决定。被CRS背带吸收的能量效率越高,胸部加速度越高。由于关于儿童乘员的侧面碰撞台车试验在国际上还没有统一方案,本研究对侧面碰撞实车试验进行了分析。比较了三种类型CRS(前向式、后向式和婴儿床式CRS)约束下的Q3s 3岁侧面碰撞儿童假人和CRABI 6个月婴儿假人的侧面碰撞实车试验结果,为侧面碰撞台车试验方法的确立提供依据。除前向式CRS中的Q3s假人的胸部压缩量(23.3 mm)略高出指标值(23 mm)外,其余伤害值都低于相应的伤害指标值。虽然在前向式和后向式CRS的试验中,车门腰线通过CRS侧护板间接撞击了假人头部,但头部加速度还是很低。其原因是由于CRS侧护板吸收了撞击能量,且假人头部始终处于CRS侧护板内部。建立了简单的前向式CRS的侧面碰撞有限元模型。将Hybrid III 3岁儿童假人和3岁儿童人体有限元模型的仿真结果与试验结果对比,头部、胸部和髋部的合成加速度峰值大小很接近。本研究以试验和有限元仿真为主要研究手段,对儿童乘员在不同类型CRS约束下的正面和侧面碰撞过程中的乘员动态响应和伤害值进行了深入分析和研究。应用Hybrid III 3岁儿童假人有限元模型和3岁儿童人体有限元模型建立了四种典型的前向式CRS的正面碰撞台车试验的有限元仿真模型。提出了在ISOFIX CRS的顶部拉带加限力计以减轻头颈部和胸部的受力。运用缓冲及约束能量效率理论提出了能量效率与胸部加速度之间的关系。通过对比分析Hybrid III假人和儿童人体有限元模型的动态响应,发现两者在仿真中的体幹姿态及下颌与胸部的接触方式有较大差异。对侧面碰撞实车试验中3种类型CRS约束下的乘员动态响应及伤害值进行了对比分析,同时建立了侧面碰撞有限元模型,为侧面碰撞儿童乘员安全研究工作的开展奠定了基础。希望本研究能为我国儿童乘员安全研究工作的开展和儿童乘员安全法规的建立和实施提供参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 基于机动车交通事故统计数据的儿童乘员损伤特征分析
• 1.2 儿童乘员安全法规
• 1.2.1 美国的儿童乘员安全法规
• 1.2.2 FMVSS 213 与ECE R44 比较
• 1.2.3 日本JNCAP 对 CRS 的评价试验
• 1.3 CRS 的主要类型和特征及使用状况调查分析
• 1.3.1 CRS 的主要类型和特征
• 1.3.2 CRS 的使用状况调查分析
• 1.4 中国儿童乘员安全问题的现状
• 1.5 儿童乘员安全的国内外研究现状
• 1.6 关于本研究工作
• 第2章 儿童的生理解剖学特征及冲击响应特性
• 2.1 儿童的生理解剖学特征
• 2.1.1 成长
• 2.1.2 头部
• 2.1.3 颈部
• 2.1.4 胸部
• 2.1.5 腹部
• 2.1.6 骨盆
• 2.1.7 四肢
• 2.1.8 材料特性
• 2.2 儿童各身体部位的冲击响应特性和伤害指标值
• 2.2.1 假人缩放法
• 2.2.2 头部
• 2.2.3 颈部
• 2.2.4 胸部
• 2.2.5 腹部
• 2.2.6 碰撞用儿童假人
• 2.3 小结
• 第3章 正面碰撞儿童乘员安全研究
• 3.1 正面碰撞台车试验
• 3.2 正面碰撞台车试验的有限元仿真模型
• 3.2.1 ECE 座椅有限元模型
• 3.2.2 CRS 有限元模型
• 3.2.2.1 着衣型 CRS
• 3.2.2.2 护板型 CRS
• 3.2.2.3 普通的5 点式背带型 CRS
• 3.2.2.4 ISOFIX CRS
• 3.2.3 Hybrid III 3 岁儿童假人有限元模型
• 3.2.4 儿童人体有限元模型
• 3.3 台车试验结果与有限元仿真结果比较
• 3.3.1 着衣型 CRS
• 3.3.2 护板型 CRS
• 3.3.3 普通的5 点式背带型 CRS
• 3.3.4 ISOFIX CRS
• 3.3.5 四种类型CRS 约束下乘员伤害值比较
• 3.3.6 四种类型 CRS 约束下儿童人体有限元模型的应力分布比较
• 3.4 误使用情形之固定 CRS 的安全带松弛的有限元仿真分析
• 3.5 误使用情形之 CRS 背带松弛的有限元仿真分析
• 3.6 小结
• 第4章 ISOFIX CRS 的正面碰撞安全性研究
• 4.1 颈部伤害研究的必要性及上颈部受力分析
• 4.1.1 颈部伤害研究的必要性
• 4.1.2 基于头部运动力学方程计算上颈部受力
• 4.2 儿童人体有限元模型与 Hybrid III 假人模型的动态响应
• 4.3 ISOFIX CRS 顶部拉带限力效果评价
• 4.4 能量效率与胸部加速度关系分析
• 4.4.1 能量效率理论
• 4.4.2 能量密度分析
• 4.4.3 能量效率与胸部加速度关系分析
• 4.5 小结
• 第5章 侧面碰撞儿童乘员安全研究
• 5.1 侧面碰撞实车试验
• 5.2 结果分析
• 5.2.1 试验01 的乘员动态响应及伤害值
• 5.2.2 试验02 的乘员动态响应及伤害值
• 5.2.3 试验03 的乘员动态响应及伤害值
• 5.3 侧面碰撞有限元模型建立及仿真分析
• 5.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢