（光学工程专业论文）正面碰撞时轿车后排乘员的伤害研究.pdf

t f 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密函。 学位论文作者签名昃云肫 7 年彳月侈日 雪 易 爻棚氰年 签y 彩溯声 正面碰撞时轿车后排乘员的伤害研究 t h er e a rs e a tp a s s e n g e r i n j u r yr e s e a r c h u n d e rc a rf r o n tc r a s hc o n d i t i o n 专业名称奎塑王猩 指导教师姓名 蔓如渔教撞 研究生 昱云腾 江苏大学 二零一一年六月 一苓一一，半六月 我国车辆后排座位的使用率相当高。随之而来的问题是，在我国每年1 0 万人 左右的道路交通事故死亡人数中，后排乘员的死亡人数占据一定的比例，据估算 在1 万人左右。后排乘员的安全问题更需要进行深入研究。 本文结合汽车被动安全的研究现状，通过m a d y m o 软件建立轿车后排约束系 统正面碰撞仿真模型，对乘员伤害进行研究，得到一些改善乘员约束系统保护性能 的方法。本文主要研究的内容有以下几个方面： 1 在阅读大量国内外相关文献资料后，对汽车被动安全性的研究内容和研究 方法进行归纳和总结。介绍了国内外后排乘员保护的研究现状及发展趋势。 2 介绍汽车碰撞和人体受伤部位的关系，受伤机理及乘员约束系统的评价准 则：阐述了一些国家汽车正面碰撞的相关技术法规，介绍了轿车后排正面碰撞保 护的技术法规。 3 介绍了多刚体系统动力学理论和m a d y m o 软件的基础知识。建立包含5 h v b r i di i i 假人的轿车后排正面碰撞约束系统仿真模型，得到乘员伤害值h i c 及 t 3 m s 、t h p c 、左右大腿力和头部加速度曲线。介绍建立约束系统模型所需的实车 碰撞试验和零部件数据及整车数据；将仿真结果与实车碰撞试验结果进行对比， 仿真分析结果与碰撞试验结果大致吻合，误差在1 5 之内。 4 利用验证后的模型对乘员约束系统设计参数进行研究：包括安全带形式、 坐垫角度、坐垫刚度、安全带刚度和卷收器锁止特性等进行研究。得出了要佩戴 三点式安全带；把安全带织带刚度增大7 1 0 ；坐垫刚度减d , 1 1 1 7 n m m ，安全带 卷收器锁止特性较原设计值减d , 1 0 - - 1 5 m m 有利于后排乘员保护的结论。 5 对约束系统参数进行灵敏度分析，选取对系统灵敏的参数，采用正交试验 设计方法对约束系统设计参数进行优化，应用极差分析方法处理数据，获得一组 最优参数组合，在m a d y m o 中对优化后的模型进行模拟，与原模型进行比较。 6 把轿车后排乘员和驾驶员以及前排乘员的伤害情况进行对比，找出造成后 排乘员h i c 值偏高的原因在于安全气囊的影响以及后排安全带没有预紧器。对预紧 器的作用进行分析。并提出在后排加装预紧器的建议。 关键词：轿车后排；正面碰撞；乘员伤害；m a d y m o 正面碰撞时轿车后排乘员的伤害研究 兰茎垄兰塑主翌壅生垒查 a b s t r a c t t h eu s i n gf e q u e n c yo fv e h i c l e sr e a rs e a ti no u rc o n u n t r yi sv e r yh i g h a t t e n d a n t p r o b l e m si s ：t h er e a rp a s s e n g e r sa c c o u n tf o ral a r g ep r o p o r t i o no fd e a t h si n1 0m i l l i o n p e o p l ee a c hy e a ri nc h i n a sr o a dd e a t ht o l l ，i ti se s t i m a t e dt h a t1m i l l i o np e o p l e t h e s a f e t yo fr e a rs e a tp a s s e n g e r sn e e dm o r ef u r t h e rr e s e a r c h i nt h i sp a p e r ，w i t ht h er e s e a r c hs t a t u sa n dt r e n do fr e a rs e a tp a s s e n g e r sp a s s i v e s a f e t y , t h es i m u l a t i o nm o d e lo fc a rf r o n t a lc r a s hw a se s t a b l i s h e db yt h em a d y m o s o f t w a r e ，as t u d yo np a s s e n g e ri n j u r yw a sc o n d u c t e di no r d e rt oo b t a i ns o m ev a l u a b l e r e s u l t s ，a n dt h ew a yw a sf o u n do fi m p r o v i n gp a s s e n g e rr e s t r a i n ts y s t e mt op r o t e c t p a s s e n g e r s b e t t e ra n dm o r ee f f e c t i v e l y t h es u n lt o t a lo fs t u d yo nt h es u b j e c ti s c o n t a i n e da sf o l l o w s ： 1 b yal o to fl i t e r a t u r ed a t a , t h er e s e a r c hc o n t e n ta n dm e t h o do fc a rp a s s i v es a f e t y w a ss u m m a r i z e d ，f o c u s i n go nr e a rs e a tp a s s e n g e rs a f e t yr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t 2 i n t r o d u c t i o nt h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e na u t o m o t i v ec o l l i s i o na n d b o d y i n j u r y , i n j u r y m e c h a n i s ma n de v a l u a t i o nc r i t e r i ao fo c c u p a n tr e s t r a i n t s y s t e m ，t h e o c c u p a n ti n j u r ya s s e s s m e n tg u i d e l i n e sa n dr e l a t e dt e c h n i c a lr e g u l a t i o n sw e r ed e s c r i b e d o ff o n t a l i m p a c to fs o m em a j o rc o u n t r i e s ，a n d t h ea s s e s s m e n tc r i t e r i aa n dt h e c o r r e s p o n d i n gt e c h n i c a lr e g u l a t i o n so fc a rr e a rs e a to nf r o n t a li m p a c tp a s s e n g e r si n j u r y w a sp r o p o s e d 3 i n t r o d u c e dt h ev e h i c l ec r a s ht e s td a t aa n dv e h i c l ep a r t sd a t at oe s t a b l i s ht h e r e s t r a i n ts y s t e mm o d e l t h ep a s s e n g e rr e s t r a i n ts y s t e ms i m u l a t i o nm o d e lo ff o n t a l i m p a c ti n c l u d i n g5 h y b r i di i id u m m yw a se s t a b l i s h e db ym a d y m o t h ei n j u r y v a l u es u c ha sh i c ，t 3 m s ，t h p c ，a x i a lf e m u rf o r c ea n d i n j u r yc u r v e so fh e a d ，c h e s ta n d f e m u r w e r eg o ta f t e rs i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n ，a n dt h em o d e lw a sv e r i f i e da c c o r d i n gt ot h e t e s tr e s u l t s s i m u l a t i o nr e s u l t sa n di m p a c tt e s tr e s u l t sa r eg e n e r a l l yc o n s i s t e n t ，e r r o r w i t l l i i l1 5 4 u s i n g t h ev a l i d a t e dm o d e l ，t h ei n f l u e n c eo fp a s s e n g e rr e s t r a i n ts y s t e m p a r a m e t e r so nt h ep a s s e n g e ri n j u r i e sw a sr e s e a r c h e d ，i n c l u d i n gs e a tb e l t s ，b e l ts t i f f n e s s ； b e l tr e t r a c t o r ；c u s h i o na n g l ea n dc u s h i o ns t i f f n e s s p r o p o s e dt ou s et h r e e - p o i n t ss e a t b e l t ；t h es t i f f n e s so fs e a tb e l t b e l t si n c r e a s e 7 一1 0 ，a n dh i c v a l u ec a nb ed r o p p e d b e l t r e t r a c t o rd e c r e a s e1 5 m m ，e f f e c t i v e l yi m p r o v et h es a f e t y 5 a n a l y s i st h es e n s i t i v ed e g r e eo ft h ep a r a m e t e r so ft h er e s t r a i n ts y s t e m ，c h o o s e n l 正面碰撞时轿车后排乘员的伤害研究 t h es e n s i t i v ep a r a m e t e r sa n do p t i m i z et h e s ep a r a m e t e r st h r o u g ho r t h o g o n a le x p e r i m e n t d e s i g n ，d i s p o s et h ed a t e su s eb a l l yd i f f e r e n c ea n a l y t i c a lm e t h o d ，g e tt h eo p t i m i z e dg r o u p ， s i m u l a t et h eo p t i m i z e dm o d e li nm a d y m o ，t h ee f f e c ti sg o o dc o m p a r e dw i t ht h e o r i g i n a lm o d e l 6 c o m p a r i s o nt h ec a rd r i v e ra n dr e a rs e a tp a s s e n g e ra n df r o n tp a s s e n g e r si n j u r y s i t u a t i o n t of i n dt h eh i l g hh i cv a l u e sc a u s e db e c a u s eo fh a v en oi m p a c ta i r b a g sa n d b e l tp r e t e n s i o n e r si nr e a rs e a t s a n a l y s i st h er o l eo fp r e - t e n s i o n e r s a n dp r o p o s e d i n s t a l l a t i o no fp r e t e n s i o n e r si nt h er e a rs e a t s k e y w o r d s ：r e a rs e a t ；f r o n ti m p a c t ；p a s s e n g e ri n j u r y ；m a d y m o i v 江苏大学硕士研究生论文 目录 第一章绪论。1 1 1 汽车被动安全的研究意义1 1 2 汽车被动安全性研究的内容2 1 3 被动安全的研究方法和后排乘员保护的国外研究现状4 1 3 1 乘员约束系统的研究方法。4 1 3 2 后排乘员保护的国内外研究现状5 1 4 本课题的研究意义和目的7 1 5 论文的研究内容。8 第二章约束系统的评价准则及评价方法9 2 1 正面碰撞研究意义与乘员伤害9 2 2 乘员约束系统的评价准则1 0 2 2 1 乘员的伤害准则1 0 2 2 2 完全伤害评价。1 3 2 3正面碰撞法规及评价指标。1 4 2 4 轿车后排乘员伤害评价及技术法规1 6 2 5 本章小结1 7 第三章乘员约束系统仿真理论基础。1 8 3 1 有限元理论1 8 3 2 多体系统概述1 9 3 2 1 多刚体系统动力学理论基础2 0 3 2 2 汽车碰撞模拟理论2 1 3 3 汽车碰撞模拟常用软件2 1 3 4m a d y m o 软件简介2 2 3 5 本章小结。2 5 第四章正面碰撞轿车后排乘员约束系统仿真研究。2 6 4 1 汽车碰撞的模拟研究方法。2 6 4 2 仿真模型的建立。2 6 4 2 1 车体模型的建立2 7 4 2 2 假人模型的建立2 9 4 2 3 安全带模型：3 1 4 2 4 接触算法3 4 正面碰撞时轿车后排乘员的伤害研究 4 2 5 加速度场3 4 4 3 仿真模拟结果3 5 4 4 实车碰撞试验3 8 4 4 1 实车碰撞试验所需设备3 8 4 4 2 假人位置的确定。4 0 4 4 3 试验数据的取得4 1 4 5 仿真模型验证。4 2 4 6 本章小结。4 5 第五章后排乘员约束系统参数影响分析一。一4 6 5 1 约束系统参数对乘员碰撞伤害的影响研究4 6 5 1 1安全带佩戴形式对乘员伤害影响4 6 5 1 2 三点式安全带下约束系统参数的研究4 7 5 1 3 两点式腰带下约束系统参数的研究5 1 5 2 约束系统参数优化设计5 3 5 2 1 正交试验设计法5 3 5 2 2 优化设计5 4 5 3 前后排假人伤害对比及改进措施：。5 7 5 3 1 前后排假人伤害分析5 7 5 3 2 安全带预紧器效果分析5 8 5 4 本章小结。6 1 第六章全文总结与展望6 2 致谢6 4 参考文献。6 5 攻读硕士学位期间发表的论文。6 8 v i 江苏大学硕士研究生论文 第一章绪论 1 1 汽车被动安全的研究意义 汽车工业发展迅速，汽车普及率大幅提高，同时汽车道路交通事故也在逐年 上升，已成为一种十分严重的社会问题。给人们的生活蒙上了阴影。据统计自有 汽车以来全世界死于道路交通事故的人数约3 6 0 0 多万人，多于第二次世界大战死 亡的人数，此外加上几倍于死者的伤者、家属以及各种物质损失，数量非常巨大u 1 。 预计从2 0 0 0 年至2 0 2 0 年，全世界道路交通伤亡的总人数将上升6 5 左右。到2 0 2 0 年，全球每年死于交通事故的人数将达到2 3 4 万人，约占全球年死亡人数的3 4 ， 如表1 1 所示。 表1 12 0 0 0 2 0 2 0 年交通死亡人数预测2 1 t a b l e l 1t h e t r a n s p o r t a t i o nc a s u a l t yf o r e c a s to f2 0 0 0 - 2 0 2 0y e a r 地区变化( 百分比) 南亚 东亚及太平洋 撒哈拉以南非 洲 中东和：i i ：, t p 拉丁美洲和加 勒比 欧洲和中亚 小计 高收入国家 全球总计 根据联合国估算，全球每年大约有1 2 0 万人死于交通事故。绝大多数受害者 来自发展中国家。到2 0 2 0 年，这个数字甚至会翻一番。 我国的交通安全形势也十分严峻。随着国民经济的快速发展，我国汽车保有 量增长十分迅速，汽车产销量已达世界第一。到2 0 0 9 年6 月底，我国机动车保有量 已达1 7 6 亿辆，其中汽车保有量达6 9 6 2 万辆口1 。随着汽车保有量的增长，汽车交通 事故也相当惊人。从上世纪7 0 年代起交通事故增长速度明显加快，至1 j 2 0 0 6 年我国 一直位居世界各国交通事故死亡人数第一位。近年来随着国家大力加强交通安全 耄薯 端 川 踟 鹤 鳃 坞 船 呸 g 正面碰撞时轿车后排乘员的伤害研究 教育和管理，交通事故死亡人数有所下降，但数目依旧巨大。2 0 0 9 年，全国共发 生道路交通事故2 3 8 3 5 1 起，造成6 7 7 5 9 人死亡、2 7 5 1 2 5 人受伤，直接财产损失9 1 亿元。 根据中国汽车工业年鉴及公安部通报统计，2 0 0 5 年至2 0 0 9 年全国道路交通事 故如表1 2 。 表1 2 近五年年全国道路交通事故统计 t a n e1 2 t h en a t i o n a lm a du a f f i ca c c i d e n ts m t i s t i c so fl a s tf i v ey e a r s 随着高速公路的不断推广，世界汽车工业不断发展和壮大，人们已经意识到 由于驾驶员本身条件、气候、道路环境、车辆技术状况等各种意外因素的作用， 交通事故不能完全的避免，如何能保证碰撞时乘员的安全，减少事故造成的伤亡， 提高汽车的安全性，具有重要的现实意义。汽车安全己成为汽车技术的重要发展 方向。因此如何提高汽车在碰撞过程中的被动安全性能，最大程度地避免及减轻 乘员在汽车碰撞中的损伤成为汽车被动安全性研究的重要内容。 1 2 汽车被动安全性研究的内容 汽车被动安全性的研究内容主要有车体结构抗撞性、碰撞生物力学、乘员约 束系统及行人碰撞保护的研究等方面障1 。 1 车身结构抗撞性研究： 主要研究汽车，特别是轿车车身结构对碰撞能量的吸收特性，探寻改善车身 结构抗撞性的方法，在保证乘员安全空间的前提下，最大吸收车身变形的碰撞能 量，使传递给车内乘员的碰撞能量降到最小。车体结构的耐撞性研究主要包含两 部分，即利用车身的前部、后部、侧面结构有效地吸收碰撞能量和乘员乘坐区的 坚固可靠以确保乘员的有效生存空间旧1 。早期的研究完全依赖试验的方法进行，计 算机的出现使人们采用数学模拟的方法研究车身结构抗撞性成为了可能。伴随着 计算机技术和多体系统动力学建模理论的发展，n i k r a v e s h 等人将塑性铰概念引入 2 江苏大学硕士研究生论文 多体系统中，用来模拟结构中大的部件变形，并且用多体系统力学软件来模拟车 身结构抗撞性。随着c r a y 等巨型计算机的出现，基于显式积分的有限元方法在8 0 年代初有了巨大发展，使得人们可以对大型结构进行动态有限单元分析，有力的 促进了车身结构的抗撞性研究。 2 碰撞生物力学研究： 侧重于对人伤害的研究。主要研究人体不同部位于不同形式碰撞下的伤害机 理、人体各部位对碰撞载荷的机械响应特性、人体各部位的伤害极限，以及碰撞 实验用人体替代物。人们已经进行了头部和颈部在正面碰撞、侧碰中的伤害机理 与忍受极限的研究，并对胸部、肩部以及骨盆在侧面碰撞中的伤害进行了研究。 人们依据死尸和志愿者的生物力学试特征得到有关数据，设计出了人体试验装置 彻m 一即假人用来进行碰撞试验。目前前碰试验中用的最普遍的假人是福特公司 于7 0 年代开发出的h y b r i di i 型假人和h v b r i d 型假人。欧美各国相继又开发出 了系n j l , 童假人、侧碰s i d 假人和e u r o sd 假人。在不同的碰撞方向中，人体的 生物力学响应和伤害特性各不相同；受制于制造技术，人们还没开发出来能够对 不同方向的碰撞伤害进行评价的假人。 3 乘员约束系统： 汽车的乘员约束系统，是指当汽车发生碰撞的时候车内能限制乘员运动的所 有部件的总称，包括安全气囊、车门、风窗玻璃、安全带、座椅、方向盘、仪表 板、内饰等部件。这里面座椅和安全带是在汽车行驶过程中始终能够对乘员约束 的部件。乘员约束系统研究的目的就是在汽车发生碰撞时，尽量减小乘员与车内 约束系统发生二次碰撞所受伤害。这方面的研究主要集中在安全带和安全气囊的 机械特性方面，避免人体与驾驶室内饰件发生二次碰撞；此外研究吸能式转向器、 安全座椅、安全仪表板、内饰组件的吸能材料，是使得人体与之发生二次碰撞时， 所受到的伤害最小口3 。单一的优化安全带系统或者安全气囊系统的特性能在一定程 度上提高乘员约束系统的性能，但幅度较小；而从系统概念出发，协调安全气囊、 安全带、座椅的特性则能够大大提高乘员约束系统的性能。 4 行人碰撞保护研究： 大部分行人碰撞事故是行人和车身前部发生碰撞而造成的。大多数严重的伤 害是由于行人和风窗、车辆发动机罩以及车顶发生碰撞造成的。行人的头部、骨 盆和腿部则是最容易受到严重伤害部位。 3 正面碰撞时轿车后排乘员的伤害研究 头部和下肢足行人容易频繁受伤害的位置，下肢膝盖可能导致人员长期的残 疾，故它的伤害通常被认为是最为严重的伤害；而头部的伤害则会引起被撞行人 的死亡，由韩国和日本的统计可知，大约6 0 行人碰撞死亡是由头部伤害引起陋儿9 j 。 车身前部区域碰撞中，风挡及框架导致了1 5 6 的行人伤害，发动机罩造成了1 3 3 的伤害，而保险杠与发动机罩斜边( l e a d i n ge d g e ) 造成的伤害则分别占到了15 3 和6 9 ，而剩下的3 1 9 是由于行人在发生碰撞后被抛到路面而引起的伤害。对行 人身体各个部位的伤害原因分析表明，3 6 4 的行人头部伤害是跟车身风挡碰撞引 起的，1 7 3 是和发动机罩碰撞导致的，而行人臀部的伤害中则有4 0 1 是因其与 发动机罩斜边碰撞所造成的，此外4 4 2 的腿部伤害是由腿部跟保险杠发生碰撞而 造成的n 们n 。 目f i 在对行人保护的研究中主要开展了以下方面内容的研究： 行人探测技术研究 行人碰撞试验代替物的研究 行人头部保护研究n 2 1 行人下肢碰撞保护研究 1 3 被动安全的研究方法和后排乘员保护的国外研究现状 1 3 1乘员约束系统的研究方法 可以从两个方面出发对汽车乘员约束系统开展研究：第一，从系统参数到系 统性能，被称为正问题n2 l ；第二，从系统性能到系统参数，即研究为了实现系统 安全性指标，应如何进行系统参数选择，被称做为逆问题。汽车的安全性越来 越被消费者重视，各国法律法规也对汽车安全性提出了更高的要求，所以人们对 汽车乘员约束系统逆问题展开了研究工作。实车碰撞试验研究能够最真实地反映 汽车碰撞安全性能。但需要花费大量的人力、财力，而且研究周期较长，此外， 得到的结果也不是特别理想n4 l 。所以发展起来了汽车碰撞仿真技术。 国外从6 0 年代中期就开始了计算机碰撞模拟研究工作。特别是在近2 0 年，碰 撞模拟技术发展迅速。这一方面因为计算机软硬件技术的快速发展，提高了计算 机性能；另一方面，汽车市场的激烈竞争，需要降低开发费用，提高新车型开发 的成功率，缩短研发周期，因此在汽车产品开发中需要采用先进的计算机辅助手 段帮助分析。在设计开发乘员约束系统的过程中，能模拟真实碰撞事故发生时部 4 厂二二二= = 三= 一一 件和结构的变形状态，以及车内乘员的运动状态、乘员与可能接触的车体结构和 碰撞仿真分析与c a d c a m 等相结合，在汽车产品的设计阶段就能够对其进 行模拟分析，可以在产品的开发过程中控制新产品的被动安全性能，而且能够很 方便的进行当前实车试验手段无法进行的对于碰撞形式的分析研究，全面发现问 题，解决问题。此外不需要大量的传感器、强光源、高速摄像机、动力驱动装置、 试验场地等硬件设备，而且在进行整车被动安全性仿真时，无需进行破坏性试验， 所以可以节约大量的人力和物力，减少研发成本。数值模拟还可以得到仿真模型 中任意零部件的应力形变情况，为设计开发人员提供重要且丰富的参考数据。 汽车碰撞仿真分析不仅应用于科研领域，在安全性车身开发、碰撞受害者保 护、人体生物力学、碰撞试验用标准假人开发等领域中也发挥了巨大作用。目前 世界范围内用于汽车碰撞仿真分析的大型软件有多刚体分析和有限元分析软件 m a d y m o ，有限元软件有l s d y n a 3 d 、p a m c r a s h 和m s c d 1 m a n 等。虽 然计算机模拟不能完全代替昂贵繁琐的碰撞试验，但在产品开发设计阶段，可以 减少样车试制和试验次数，从而节省开发费用、缩短开发周期n 司n 们n 利。 1 3 2 后排乘员保护的国内外研究现状 据日本交通安全局统计数据显示，2 0 0 7 年交通事故中后排乘员死亡人数约为 2 0 0 名。可见，在碰撞事故中保护后排乘员的安全同样重要。日本在2 0 0 8 年6 月 颁布的交通法规中规定，后排乘员必须佩戴安全带。2 0 0 9 年2 月，日本国土交通 省与n a s v a ( 汽车事故对策机构) 宣布，2 0 0 9 年度j n c a p 将导入新的碰撞测试 一后排乘员安全性试验。如今j n c a p 将按照2 0 0 9 年新试验规则，对后排乘员约 束系统、车身结构等进行综合评价n 引。 丰田成功开发出世界第一个后排座席中央安全气囊，如图1 1 。该安全气囊位 于后排座席中央扶手的最上部分。当车辆受到来自侧面的冲击时，后排座席中央 安全气囊打开后，可以缓冲和降低来自中央扶手以及相邻乘员的二次冲击，以减 少后排乘员在交通事故中所受到的伤害。 福特最近则开发出一种后排用的气囊式安全带，这种安全带结合了传统安全 带和安全气囊技术，在发生正面碰撞或侧面碰撞时，增大直径的安全带可以更有 效地将乘员控制在适当的座椅位置上，以减少后排乘员头部、颈部和胸部受到的 伤害，提升车辆对后排乘员特别是易受伤的儿童和老人的保护能力。这种技术将 5 正面碰撞时轿车后排乘员的伤害研究 在2 0 1 0 投产的福特e x p l o r e r 车型中正式采用，如图1 2 。 图1 1 后排座席中央安全气囊 f i g u r e1 1 c e n t r a la i r b a g so fr e a l s e a t 图1 2 后排充气式安全带 f i g1 2 i n f l a t a b l er g a rs a f e t yb e l t s 雷诺公司在后排中央座席为6 _ 1 0 岁儿童引进了一套体现全新理念的座位系 统，如图1 3 所示。座垫被缩短，便于儿童保持正确坐姿。安全带环扣前移并下调， 确保皮带位于骨盆位置以防止发生“潜水”现象。座椅靠背上方还有一个固定结 构，用以保护儿童颈部，见图1 4 。 6 图1 3 防潜水装置 f i g1 3a n t i - d i v eu n i t 图1 4 儿童颈部保护装置 f 噜1 4n e c kp r o t e c t i o no fc h i l d r e n 雷诺公司发明的防潜水装置及预紧装置和一种防止他们向前滑的座垫结构能 将乘员紧紧固定在座位上。在法国，若所有汽车都有类似配置，而且后排乘员确实 系好他们的安全带，那交通事故的重伤人数会减少3 0 ，死亡人数将减少3 9 n 9 j 。 在欧美发达国家，后排除了乘坐儿童外，放置宠物的情况非常多。在发生碰 撞事故时，不仅宠物本身可能遭受严重甚至致命的伤害，在其惯性冲击下，其他 乘员也可能因此导致严重受伤。因此宝马研发出一种宠物用后排约束装置，这种 装置与车内现有的三点式安全带相连，用护具围住其胸部，使其固定在后排座椅 上，即使发生碰撞也不会“飞”出去，大大提高了安全性。 1 4 本课题的研究意义和目的 汽车后排不像前排有安全气囊等丰富的安全配置保护，而且后排乘员安全带 佩戴率比较低，因此后排的安全性往往得不到有效保障。发生事故时，前排乘员 所受伤害较小，而后排乘员则会受伤甚至死亡。在发生撞击时同样有可能因为巨 大的惯性前冲造成伤害。坐在汽车后排座的乘员如果不系安全带，一旦发生车祸， 不仅本人负重伤的几率是系安全带情况下的1 0 倍，也会使前排乘员负重伤的几率 升高5 0 倍。 我国后排坐人的情况非常普遍，后排乘员的安全问题更应该进行深入的研究。 本文结合汽车被动安全的研究现状，通过建立轿车后排乘员仿真模型，对乘员进 行伤害研究，得到改善乘员约束系统保护性能的方法，提出一些有利于乘员保护 的建议，从而使后排乘员得到更好的保护。此外，目前国内外对正面碰撞工况下 的轿车后排乘员的伤害研究很少，因此本文的研究成果对轿车正面碰撞的相关研 究工作具有一定的参考价值，有利于后续相关研究的进行。 7 正面碰撞时轿车后排乘员的伤害研究 1 5 论文的研究内容 本课题主要是基于m a d y m o 分析软件对乘员伤害情况进行研究，具体是运用 m a d y m o 软件建立5 女性人体模型的轿车后排左侧座椅位置的乘员( 未系安全带 及系两点式及三点式安全带) 约束系统仿真模型进行5 0 k m h 碰撞工况仿真分析，选 用乘员头部伤害指标h i c 、胸部合成加速度t 3 m s 及大腿力指标f f c 作为评价指标。 仿真模型的试验验证采用h y b 耐i i i 第五百分位女性试验假人坐在后排左侧位置座椅 上( 佩戴三点式安全带) 进行碰撞试验，采集其头部、胸部加速度、髋部加速度及大 腿力信号供仿真模型验证。取得约束系统的参数，进行灵敏度分析，对参数进行优化， 获得一组最优解，并在m a d y m o 中对优化后的参数重新仿真，提出改进意见。 本文主要研究的内容有以下几个方面： 1 在阅读国内外相关文献资料后，对汽车被动安全性的研究内容和研究方法 进行归纳和总结。介绍了国内外后排乘员保护的研究现状及发展趋势。 2 介绍汽车碰撞和人体受伤部位的关系，受伤机理及乘员约束系统的评价准 则；阐述主要国家的汽车正面碰撞相关技术法规，介绍了对于轿车后排正 面碰撞保护的技术法规。 3 介绍建立约束系统模型所需的实车碰撞试验和零部件数据及整车数据；在 消化吸收多刚体系统动力学理论m a d y m o 软件的基础上，建立包含5 h v b r i d i 假人的轿车后排正面碰撞约束系统仿真模型，得到乘员伤害值 h i c 、t 3 m s 、t h p c 、左右大腿力和头部、胸部加速度曲线；将仿真结果与 实车碰撞试验结果进行对比，验证仿真模型的有效。 4 利用验证后的模型对乘员约束系统设计参数进行研究：包括安全带形式、 坐垫角度、坐垫刚度、安全带刚度和卷收器锁止特性等行研究。提出有利 于乘员保护的改进措施。 5 对约束系统参数进行灵敏度分析，选取对系统灵敏的参数，应用正交试验 设计方法对参数进行优化，应用极差分析的方法处理数据，获得一组最优 参数组合，在m a d y m o 中对优化后的模型进行模拟，与原模型进行比较。 6 把轿车后排乘员和驾驶员以及前排乘员的伤害情况进行对比，找出造成后 排乘员h i c 值偏高的原因在于安全气囊的影响以及后排安全带没有预紧 器。对预紧器的作用进行分析。并提出在后排加装预紧器的建议。 8 江苏大学硕士研究生论文 第二章约束系统的评价准则及评价方法 2 1正面碰撞研究意义与乘员伤害 根据碰撞方向来区分汽车碰撞，可以分为前碰、侧碰、后碰和翻车等；而根 据障碍物来区分碰撞，可分为车对车碰撞，车对固定障碍物碰撞以及移动货物对 车碰撞等：根据碰撞的负荷可以分为分配碰撞载荷与集中碰撞载荷。从汽车碰撞 形态可知，除了翻车、汽车侧面与柱状物碰撞以外，在汽车事故中一般事故几方 之中至少有一辆车是正面碰撞。根据资料，在包含所有伤害类型的碰撞事故中， 汽车发生正面碰撞( 也包括斜碰) 的概率约在4 0 。在日本，正面碰撞( 包括斜碰) 中 的死亡人数占总死亡人数的7 1 6 乜0 j 。所以深入地了解乘员在正面碰撞中的伤害机 理，从而对乘员约束系统进行改进，以降低乘员的伤害。 在正面碰撞工况下，头部、胸部和腹部的伤害是乘员最普遍受到的的伤害形 式。表2 1 表明了澳大利亚在各种前碰中，乘员身体各部位的伤害频率。在发生的 死亡事故中，最容易受伤的部位是胸部( 9 3 ) 和头部( 9 7 ) ，腹部伤害也有5 0 。 表2 1 正碰中乘员身体各部位受伤频率 t a b l e2 1t h ep a r t so fo c c u p a n ti n j u r yf r e q u e n c yu n d e re a rf r o n tc r a s h 对于佩戴安全带的乘员，乘员与内饰件的“二次碰撞 以及与安全带的相互 接触作用是主要的伤害源。乘员和汽车各内饰部件的接触如表2 2 所示： 表2 2 乘员身体各部位伤害分布频率 t a b l e2 2 o c c u p a n ti n j u r yf r e q u e n c yd i s t r i b u t i o no fb o d yp a r t s 对于安装了安全气囊的车辆来说，安全带与安全气囊的联合作用将为乘员提 供更高效的保护，与此同时展开的安全气囊也会带来新的伤害机制。安全气囊可 9 正面碰撞时轿车后排乘员的伤害研究 降低主要伤害的严重程度，但也会增加轻微伤害的数量。从安全气囊引起的伤害 来看，无限制的安全气囊的展开、离转向盘或安全气囊组件太近、气囊展开速度 过快( 气体发生器的容量太大) 都是潜在的可能的伤害因素乜1 | 。安全气囊导致乘员死 亡分类统计如表2 3 所示。 表2 3 安全气囊导致乘员死亡分类统计 t a b l e2 3t h ec l a s s i f i e ds t a t i s t i c so ff a t a l i t i e sc a u s e db ya i rb a g 2 2 乘员约束系统的评价准则 2 2 1乘员的伤害准则 汽车碰撞安全性研究的目的，主要是为了减小乘员在汽车碰撞时的伤害，保 护乘员的安全性。所以汽车碰撞的评价方法是根据人体最可能受到伤害的部位所 能承受的伤害程度为根据提出来的。经过研究人员对人体全身耐冲击性的全面研 究，得到了：人体全身耐冲击性实验的结果、胸部伤害标准、头部耐冲击标准、 腿部伤害标准和腹部伤害标准。 目前全世界普遍认同的解剖学上的标准是简明伤害标准a b b r e v i a t e di n j u r y s c a l e ( m s ) ，如表2 4 所示乜2 2 3 | 。a i s 是评估“威胁生命 的一种方法，数值没有 任何意义，只是代表等级。生物力学耐受值就是由碰撞所引起的，一定级别( 通常 为一a i s 级别1 的损伤值对应的人体生物力学响应的级别。 l o - , z r _ 苏大学硕- l - 研究生论文 表2 4 简明伤害标准趟s t a b l e 2 4a b b r c v i a t i 甜i n j u r ys c a l ea i s 以下是一些主要伤害指标，其中很多伤害准则都是基于力、加速度、位移和速 度等。 ( 1 ) 头部伤害准则( h i c - - h e a di n j u r yc r i t e r i o n ) 目前国际上常用来评价头部伤害程度的指标就是头部伤害指数h i c ，h i c 由头 部合成的加速度响应在一定时间段内积分得到。h i c 已成为最广泛使用的头部伤害 评价准则。这是美国道路交通安全局在f m v s s 2 0 8 法规中规定的头部伤害标准，也 作为我国c m v d r 2 9 4 关于正面碰撞乘员保护的设计规则中的头部伤害标准。 册= 也一t 0 去f 2 口d t l 2 5 ( 2 1 ) 式中：矗碰撞过程中的任意时刻；f 2 相对于t h i c 达到最大值的时刻； a 头部质心的加速度。 实际计算的时侯，获得合理的m c 值的最大时间间隔( 乞一t 1 ) i 3 6 m s 。 正面碰撞时轿车后排乘员的伤害研究 由于时间间隔会影响h i c 值的计算，所以为了限制作用于头部的硬冲击，时间问隔 进一步缩短为1 6 m s 。 图2 1 头部伤害几率和伤害程度曲线泓m 明 f i g u r e2 1 t h ec u r v eo fh e a di n j u r yp r o b a b i l i t ya n di n j u r yl e v e l ( 2 ) 颈部伤害准则( n i c - - n e c ki n j u r yc r i t e r i a ) 通常用作用在颈部的最大力和力矩来评价颈部所受到的伤害。n i c 准则包括 颈部轴向力f z ，颈部剪切力f x 和颈部弯矩m y 三个评价指标。 ( 3 ) 胸部伤害标准 通常按照伤害形式来考虑胸部的耐冲击性。一种是加害部穿入胸壁，直接伤 害脏器；另一种只是压迫胸部，没有贯穿，间接造成肋骨骨折在内的内部伤害。 一般的胸部伤害标准只针第二种情况。胸部的损伤多是由于惯性力、挤压力和冲 击波载荷作用造成的汹1 。随加速度作用时间的延长，人体胸部会对加速度的耐受 程度下降。通