儿童行人在汽车碰撞中头部损伤的防护技术研究

论文摘要

在行人-车辆碰撞事故中,行人因为没有保护措施而成为易受伤害群体,事故发生率极高。15岁以下儿童是行人事故高发群体之一,其数量只占人口总数18%的儿童,却占行人事故损伤人数的三分之一左右。统计数据显示,儿童头部是儿童行人事故中最容易受伤的部位之一,而且经常是导致行人死亡的主要原因。本文的目的在于分析引擎盖各结构和材料参数对儿童头锤HIC值和侵入量的影响,在事故重建的基础上分析在实际的事故中汽车前部结构参数对儿童头部损伤参数的影响,并提出了相应的改进措施。根据EURO-NCAP儿童行人头锤测试法规,在DYNA软件中利用英国Arup公司开发的有限元儿童头锤建立了头锤撞击引擎盖模型,并参考文献资料对该模型进行了验证。在此基础上分析了引擎盖儿童头锤碰撞区域结构参数和材料参数的改变对头锤加速度和头锤侵入量的影响。对三起儿童行人事故进行重建,了解儿童行人在事故碰撞过程中的头部动力学响应,分析了各事故的儿童头部线性加速度、HIC值、头部角速度、头部角加速度及头部相对车体的碰撞速度和角度等与儿童头部损伤密切相关的参数。在事故重建的基础上以其中7岁儿童事故模型为基准模型,参考世界各国汽车前部几何形状统计数据,设定前部结构尺寸主要设计变量范围,运用正交试验设计方法,选择试验点,绘制趋势图和极差分析研究了汽车前部结构对儿童头部损伤参数的影响规律以及影响程度,并与相关的成人头部损伤参数进行对比。研究结果表明:减少引擎盖板的厚度对底下没有硬点的碰撞区域来说能有效改善对头部的防护效果,但对存在硬性点和引擎盖边缘区域来说当厚度减少到一定程度后,再减少厚度会起到相反的效果;铝合金材料对改善头部的防护性能效果较好,对引擎盖边缘区域适当增加易压溃的吸能结构可以有效改善这些区域的防护性能;实际的儿童行人事故中头部的碰撞条件随着儿童身高体重及车型的不同有很大的改变;汽车前部结构各参数对儿童头部损伤的显著性明显大于成人;适当增加引擎盖前端高度对儿童行人和成人行人头部均能起到较好的保护作用。本文为研究儿童行人与汽车碰撞生物力学问题提供了一套有效的工具和仿真分析方法。模拟计算结果可作为车辆安全设计的参考依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究背景
• 1.3 行人保护研究主要工作介绍
• 1.3.1 行人事故统计及其形态分析
• 1.3.2 行人法规
• 1.3.3 损伤机理及生物力学
• 1.3.4 行人事故重建
• 1.3.5 数值假人和冲击器
• 1.3.6 行人保护方法
• 1.4 本文研究目的和主要工作
• 第2章 头部损伤生物力学
• 2.1 人体头部解剖学结构
• 2.2 头部损伤类型及损伤机理
• 2.2.1 颅骨骨折
• 2.2.2 集中脑损伤
• 2.2.3 弥撒脑损伤
• 2.3 头部损伤评价标准
• 2.3.1 韦恩州立大学头部耐受限度曲线 WSTC（Wayne State Tolerance Curve）
• 2.3.2 头部冲击剧烈程度指数SI（Severity Index）
• 2.3.3 头部损伤评价标准 HIC（Head Injury Creteria）
• 2.3.4 简明损伤定级法 AIS（Abbreviated Injury Scale）
• 2.3.5 颅脑耐受极限
• 2.4 本章小结
• 第3章 有限元模型建立及参数分析
• 3.1 显示有限元基本理论
• 3.1.1 基本方程推导
• 3.1.2 中心差分法
• 3.2 有限元模型的建立
• 3.2.1 车体模型的调整与有效性验证
• 3.2.2 儿童有限元头锤模型介绍
• 3.2.3 车辆前部结构的提取
• 3.2.4 仿真模型的验证
• 3.2.5 初始模型风险评估
• 3.3 头部损伤防护技术研究方案
• 3.4 仿真结果分析
• 3.4.1 内、外板厚度的改变对头锤运动的影响
• 3.4.2 内、外板的材料特性改变对头锤运动的影响
• 3.4.3 局部压溃结构设计
• 3.5 其他行人头部防护措施介绍
• 3.6 本章小结
• 第4章 儿童行人事故重建及损伤参数分析
• 4.1 概述
• 4.2 儿童行人事故重建
• 4.2.1 深入的行人交通事故调查及数据采集
• 4.2.2 行人事故描述
• 4.2.3 多刚体动力学基本理论
• 4.2.4 车体模型的建立
• 4.2.5 儿童行人模型
• 4.2.6 儿童行人-汽车碰撞模型
• 4.2.7 仿真结果分析与讨论
• 4.3 本章小结
• 第5章 汽车前部结构参数对儿童头部损伤影响分析
• 5.1 概述
• 5.2 实验设计理论基础
• 5.3 汽车儿童行人多刚体模型建立
• 5.3.1 儿童-车碰撞模型
• 5.3.2 模型参数描述
• 5.4 参数选择及实验设计
• 5.5 试验结果分析
• 5.5.1 参数改变对儿童 HIC 值的影响分析
• 5.5.2 参数改变对儿童3ms 线性加速值的影响分析
• 5.5.3 参数改变对儿童头部角速度的影响分析
• 5.5.4 参数改变对儿童角加速度的影响分析
• 5.6 本章总结
• 总结和展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间发表的学术论文目录