（光学工程专业论文）车辆正面碰撞中儿童乘员约束系统的仿真研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 中文摘要 据悉，我国车辆交通事故导致的儿童死亡率是欧洲的2 5 倍，美国 的2 6 倍旧1 。在我国，随着私家车数量的逐渐增加，儿童乘员的安全性问 题也越来越受到家长以及全社会的重视。相关研究表明：汽车儿童乘员约 束系统对于车辆碰撞中保护儿童乘员的安全性作用效果明显。但是我国在 此领域的研究刚处于起步阶段，目前我们正在进行g b 机动车儿童乘员用 约束系统的制订( 项目号：2 0 0 6 7 1 3 2 - q - 3 0 3 ) 工作，本人有幸作为导师 的助手参与到此项目。为了提高儿童乘员的安全性，对碰撞中儿童乘员的 响应以及儿童乘员约束系统的设计进行研究是非常必要的。 本论文以一款国产的儿童安全座椅为研究对象，采用多体动力学软 件m a d y m o 及其数据库中的p 3 和p 3 4 假人模型，以e c er 4 4 0 4 规定的动 态试验为基础，建立了该安全座椅的三种使用情况的计算机模型，即1 p 3 假人模型直坐位前向座椅的正面碰撞模型；2 p 3 假人模型仰卧位前向座 椅的正面碰撞模型：3 p 3 4 假人模型仰卧位后向座椅的正面碰撞模型。 参照e c er 4 4 0 4 规定的儿童损伤准则，对每个模型中的胸部合成加速度、 胸部合成加速度的垂直分量以及假人的头部位移进行了分析研究。本文还 对“p 3 假人模型直坐位前向座椅的正面碰撞”模型中的主要设计参数进行 改变，以讨论这些参数的改变对假人响应的影响。 研究结果表明：正确的使用儿童乘员约束系统能够为儿童乘员在正面 碰撞中提供有效的保护，并且“后向式 儿童安全座椅对儿童乘员的保护 效果是最好的，在使用“前向式”座椅时，选择“仰卧位 的姿势比“直 立位”的姿势更安全。同时研究结果还表明儿童座椅的摩擦系数、成人安 全带刚度等设计参数对儿童乘员在正面碰撞中的响应影响较大，通过适当 的儿童乘员约束系统设计可以降低儿童乘员在碰撞事故中的伤亡概率。 本文还深入研究了国外主要儿童乘员约束系统的标准，特别是对美国 的f m v s s2 l3 和欧洲的e c er 4 4 进行了比较性的研究，总结了它们各自的 优缺点，以期对我国目前正在进行的标准制订工作起到一定的参考作用。 本论文的研究结果验证了儿童乘员约束系统在车辆碰撞事故中对儿 童乘员的保护作用，同时还可以作为进一步改进儿童乘员约束系统时的参 考依据，为进一步研究儿童乘员的安全性问题也作出了一定的贡献。 关键词：儿童乘员，儿童乘员约束系统，正面碰撞，仿真 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i np e d i a t r i cp o p u l a t i o n ，t h ef a t a l i t yr a t ei na u t o m o t i v ec r a s hi nc h i n ai s a b o u t2 5t i m e st h a to fe u r o p e a nc o u n t r i e sa n d2 6t i m e so ft h eu n i t e ds t a t e s o fa m e r i c a a sm o r ea n dm o r ef a m i l i e so w nt h e i rp r i v a t ec a r s ，t h ec h i l d o c c u p a n t s s a f e t yh a sb e e np a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n so ft h ep a r e n t sa n d t h es o c i e t y al o to fr e s e a r c h e sh a v er e v e a l e dt h a tt h ec h i l dr e s t r a i n ts y s t e m s c a no f f e rt h ec h i l do c c u p a n t se f f e c t i v ep r o t e c t i o n b u tt h er e s e a r c ho nc h i l d o c c u p a n t s s a f e t ya n dc h i l dr e s t r a i n ts y s t e m sj u s tb e g i n a tt h ep r e s e n t ，w ea r e w o r k i n go u tt h en a t i o n a ls t a n d a r d s “g bc h i l dr e s t r a i n ts y s t e m sf o rw h e e l e d v e h i c l e s ”1a ml u c k yt ob et h ea s s i s t a n to fm yg u i d e rt op a r t i c i p a t ei n t h i s p r o g r a m i no r d e rt oi m p r o v et h es a f e t yo fc h i l d r e ni nc a r s ，i ti sn e c e s s a r yt o a n a l y z et h er e s p o n s eo fac h i l di nv e h i c l ei m p a c t s i n t h i ss t u d y , is e l e c t e dac h i l ds a f e t ys e a tm a d ei no u rc o u n t r ya st h e r e s e a r c ho b j e c t t h i ss e a tc a nb eu s e di nt h r e ew a y s ih a v eb u i l tt h r e em o d e l s w h i c hb a s e do nt h ed y n a m i cs p e c i f i c a t i o n so fe c er 4 4 0 4w i t ht h er i g i db o d y d y n a m i c sc o d em a d y m oa n dt h e6 - y e a r s o l da n d9 m o n t h o l dp d u m m i e s t h et h r e em o d e l sa r e ，( 1 ) p 3d u m m y s i t t i n gi nt h ef r o n t a ls e a tw i t has t r a i g h t p o s i t i o ni nt h ef r o n t a li m p a c t ，( 2 ) p 3d u m m ys i t t i n gi nt h ef r o n t a ls e a tw i t ha l a y i n gp o s i t i o ni nt h ef r o n t a li m p a c t ，( 3 ) p 3 4d u m m ys i t t i n gi nt h er e a rs e a t w i t hal a y i n gp o s i t i o ni nt h ef r o n t a li m p a c t 1f o c u so nt h ei n j u r yp a r a m e t e r s s p e c i f i e di ne c er 4 4 0 4s u c ha sr e s u l t a n tc h e s ta c c e l e r a t i o n t h ev e r t i c a l c h e s ta c c e l e r a t i o na n dt h eh e a dd i s p l a c e i nt h em o d e l0 f “p 3d u m m y s i t t i n gi n t h ef r o n t a ls e a tw i t has t r a i g h tp o s i t i o ni nt h ef r o n t a lc r a s h “i no r d e rt o r e s e a r c hs o m ed e s i g n p a r a m e t e r sh o wt o i n f l u e n c et h ee f f e c t i v eo ft h e p r o t e c t i o nir u nt h em o d e li nd i f f e r e n tv a l u e s t h er e s u l t ss h o wt h a tu s i n gt h ec r sc o r r e c t l yh a sp r o t e c tt h ec h i l d o c c u p a n t si na u t o m o t i v ec r a s h a n dt h er e a rs e a ti sb e t t e rt h a nf r o n t a ls e a t t h el a y i n gp o s i t i o ni sb e t t e rt h a ns t r a i g h tp o s i t i o n t h er e s u l t sa l s os h o wt h a t f l 。i c t i o nt o e f f i c i e n to fc h i l ds e a t s e a tb e l ts t i f f n e s se c th a v ec e r t a i ni n f l u e n c e o nc h i l do c c u p a n th e a da n dc h e s tr e s p o n s ei nf r o n t a li m p a c t ，a n dp r o p e rc r s d e s i g nm a yr e d u c ec h i l do c c u p a n ti n j u r yr i s ki nac r a s ha c c i d e n t i n t h i sp a p e r , ih a v ea l s od o n eat h o r o u g ha n do v e r a l ls t u d yo nt h e f o r e i g nc r ss t a n d a r d s ，e s p e c i a l l yt h ef m v s s2 1 3a n de c e r 4 4 is u m m e du p t h es i m i l a ra n dd i f f e r e n t p o i n t sb e t w e e nt h e ma n dt h ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so ft h e m ih o p et h i sc a no f f e rs o m eh e l pt ot h ew o r ko f “g b 工i 武汉理工大学硕士学位论文 c h i l dr e s t r a i n ts y s t e m sf o rw h e e l e dv e h i c l e s ” t h er e s u l to ft h i ss t u d yh a sp r o v e dt h et r u t ht h a t u s i n gt h ec r s c o r r e c t l yc a nc e r t a i np r o t e c tt h ec h i l do c c u p a n t t h er e s u l ta l s om a ys e r v ea s t h er e f e r e n c ef o rf u t u r ei m p r o v e m e n t so fc r sa n dc o n t r i b u t et ot h er e s e a r c h o nc h i l do c c u p a n ts a f e t y k a yw o r d s ：c h i l do c c u p a n t ，c h i l dr e s t r a i n ts y s t e m s ，f r o n t a li m p a c t ， s i m u l a t i o n i 一 独创性声明 ，木人声明，所呈交的沦文是木人在导师指导下进行的研究t 作及取得的研究成果 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果。也不包含为获得武汉理t 大学或其它教育机构的学位或证书嘣使刚过 的材料与我一同t 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 签名：马帖 关于论文使用授权的说明 口期：色塑：签 j 本人完全了解武汉理t 大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留、送 交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 采角影印、缩印或其他复制手段保存论文 ： ： 、 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：鱼虫： 导师签名： 武汉理t 大学硕士学位论文 第1 章绪论 本章首先介绍了儿童的交通安全现状及存在的问题，然后深入研究 了儿童乘员约束系统对儿童乘员的保护作用，接着介绍了儿童乘员的安 全性评价方法以及车辆碰撞事故中儿童乘员安全性的研究方法，最后阐 述了本课题的研究意义和目的。 1 1 儿童的交通安全现状及存在的问题 据世界卫生组织的调查数据显示，2 0 0 2 年有4 97 6 3 名o 4 岁的婴 幼儿在交通事故中死亡，同时有1 3 08 3 5 名5 1 4 岁的儿童在交通事故 中死亡1 9 l 。 在我国，随着私家车数量的逐步增加，儿童乘员的安全性问题也越 来越受到家长以及全社会的重视。我国交管部门的统计数据显示，在 2 0 0 4 年有70 7 7 名1 5 岁以下的儿童在交通事故中死亡，有2 80 1 6 名1 5 岁以下的儿童在交通事故中受伤。据悉，中国儿童因交通事故死亡的人 数是欧洲的2 5 倍，美国的2 6 倍。根据新浪网网友的问卷调查显示，有 7 5 6 6 的汽车内没有安装儿童乘员约束系统；有3 9 9 5 的家长都曾经让 孩子坐在危险的副驾驶位置；有4 3 1 2 的家长认为乘车时由母亲怀抱或 坐在成人腿上是对儿童有效的保护；有1 0 0 5 的驾驶员认为安全气囊是 对儿童乘员的有效保护1 。 近几年来，对儿童乘员保护方面的研究在欧、美、日等国家和地区 得到了极大的重视。他们在提高儿童约束保护研究方面做了大量的研发 工作，并在研究和事故调查的基础上出台了相应的法规和技术标准，使 儿童乘员在车辆事故发生中得到了有效的保护。但是我国目前对儿童乘 员安全保护方面的研究还处在起步阶段，还没有正式的技术标准和相关 法规，还不具备完善的试验和事故分析能力。 1 2 儿童乘员约束系统对儿童乘员的保护作用 儿童的身体特征与成年人有很大的差别，所以目前车辆上配备的主 要为保护成年乘员而设计的约束系统并不适用于儿童乘员，甚至会对儿 童乘员造成一定的伤害。世界上很多国家和地区都规定了一定年龄以下 武汉理工人学硕士学位论文 ( 不同的法规规定有所不同) 的儿童乘员必须使用专门的儿童乘员约束 系统，以降低和减少儿童乘员在车辆事故中所受的伤害。 1 2 1 儿童乘员的特殊性 儿童有着其特殊的身体结构，他们的骨骼尚未发育完全、头部所占 身体重量的比重也更大些等，这都导致了他们在车祸中所受的伤害也有 其特殊性。 1 2 1 1 儿童特殊的身体结构 从身体的结构来说，儿童并不是成年人缩小的模型，其身体结构与 成年人是有不同的。从身体的质量分布来看，儿童的头部重量占整个身 体重量的比重比较大，随身体的发育该比重逐渐减小。婴儿时可达5 0 以上；而成人头部的重量只占身体重量的6 ，如图1 1 a 所示2 4 1 。从长 度方面来看，成年人头颈部的高度是自身身高的1 6 ，而儿童头颈部的高 度则是自身身高的1 4 。人体头骨从出生到成熟的相对比例如图1 1 b 所 ；l2 5 l 刁、0 导致儿童头部损伤的原因有两个：接触和惯性力矩2 6 1 0 接触通常是 儿童头部与汽车内饰件的接触，也包括与车内其他乘员的接触。由于接 触导致的儿童头部损伤通常从碰撞点附近的擦伤、挫伤到伴随有脑组织 损伤的粉碎性骨折的变化。典型的头部接触损伤是骨折、应脑膜外血肿 及前脑叶挫伤。惯性力矩或加速度导致的头部损伤通常是软组织损伤， 例如硬膜下血肿。 ( a ) 不同年龄段头部重量的比( b ) 不同年龄段头骨大小相对比例 图1 1 儿童头部的特征 武汉理工大学硕士学位论文 除了儿童头部比重大而需要额外保护外，另一个原因就是儿童的颈 部肌肉和韧带尚未完全发育。人体的颈椎在出生时有三块不同的骨骼组 成，三块不同的骨骼之间通过软骨连接，这三块骨骼在婴儿出生的第三 年明显地结合在一起，但是第一椎骨( c 1 ) 和第二椎骨( c 2 ) 直到儿童 4 - - - , 6 岁才完全结合在一起。颈椎的大小在人体青春期时已经达到了成人 水平，但是直到人体2 5 岁时才发育成熟。儿童从一岁发育到成年，椎间 小关节也从6 0 度逐渐变为4 5 度( 小关节平面和锥体背部平面间的角度) 2 8 1 ，儿童上颈部小关节相对水平的方位使得即便在较小的力的作用下也 会发生脱臼现象。因此年龄较小的儿童在乘车时若不正确使用约束系统， 将很可能导致颈部损伤风险的增加。由于儿童和成人颈部结构差异而导 致的儿童损伤通常是脊髓拉伸损伤，因此儿童能够在不发生脊柱损伤的 情况下发生脊髓损伤，此类损伤在成年人中很少见。儿童和成年人颈部 损伤的另一个区别是：6 0 7 0 的儿童颈部骨折发生在c 1 或c 2 ，成年 中仅有1 6 的颈部骨折发生在c 1 或c 2 ，这是因为儿童的颈部枢轴在 c 2 或c 3 ，而成年人的颈部枢轴在c 6 附近。 胸腔内的主要器官是肺和心脏。儿童的心脏在胸腔内占的比例要大 于成年人e 2 9 1 。由于儿童头部比重较大，因此儿童的重心较成年人偏高， 这使得儿童与约束系统的接触方式和成年人与约束系统的接触方式不 同。例如，碰撞中儿童容易绕着安全带的腰带部分或肩带部分转动。儿 童的肋骨通常比成年人的柔韧，因此儿童肋骨骨折的现象很少，但儿童 胸腔内损伤的风险却因此而增加2 7 1 。 儿童的腹部与成年人的腹部相比较为凸起；肝、脾等重要器官也位 于腹腔内。对儿童而言，在车辆碰撞过程中一部分运动能量将分散在质 量较小但较为凸起的腹部区域，将因此可能遭受多个器官受到损伤。对 腰带定位起重要作用的盆骨直到儿童1 0 岁左右才发育成熟2 7 1 。由于两 点式或三点式座椅安全带的腰带部分导致儿童腹部损伤的一个经典损伤 模式叫做“座椅安全带症状 3 0 1 。座椅安全带症状的典型损伤是皮肤、 腹部实体及空体器官、腰脊柱和盆骨。“座椅安全带症状 的发生是相当 有害的。座椅安全带的几何形状和座椅外形设计都可影响到儿童腹部、 盆骨和腰脊柱的损伤风险k 3 1 1 。但至今仍没有从保护这些部位的角度出发 专门为儿童乘员设计的座椅及座椅安全带方面的研究。 人体四肢的骨骼在出生时大部分是软骨的，随着年龄的增长逐渐骨 化。四肢的骨骼大部分是长骨，仅有肩胛骨、腕骨骨骼、踝骨骨骼和膝 盖骨不是长骨。四肢长骨的骨骼在人体出生时已经骨化；四肢的长骨在 人体1 2 0 岁之间逐渐骨化；腕骨骨骼和踝骨骨骼在人体1 1 4 岁间逐 武汉理 大学硕士学位论文 渐骨化；膝盖骨完全骨化在人体青春期；肩胛骨在人体2 5 岁左右才能完 全发育成熟i2 9 1 0 儿童四肢a i s 2 + 损伤主要是骨折，因此很少有四肢损伤 机理方面的研究。 正是因为儿童具有以上存在的特殊生理特点，所以我们要针对这些 特殊生理特点来设计儿童在车内的安全措施。 1 2 1 2 儿童乘员在车祸中易受伤害的部位 根据欧洲实际分析儿童意外的统计报告指出，各年龄层的儿童乘员 在碰撞发生时，最容易受伤部位会有所不同：2 岁以下的儿童2 0 为颈 部伤害，应优先保护颈部安全：2 - 4 岁的儿童4 5 为头部伤害，应优 先保护头部安全；4 1 0 岁的儿童2 6 为腹部伤害，应优先保护腹部安 全。 1 2 2 成人约束系统对儿童乘员的伤害作用 车辆上装备的安全带和安全气囊是专门为保护成年乘员而设计的， 对儿童乘员不正确的使用这些安全装备反而有可能对他们造成伤害。 1 2 2 1 成人安全带对儿童乘员的可能伤害 车用安全带是按照成人的骨骼生理特征设计的。如果直接给儿童乘 员佩戴使用，在发生车祸时儿童的伤亡率比成年人高得多。实验表明， 当车速达到每小时5 0k m h 时，一个体重4 0k g 的儿童就相当于动力达 到1 t 的运动物体。而儿童的头部比重很大，颈部肌肉和韧带尚未完全发 育。在车祸发生时，儿童本身成为一种动力在发挥作用，其后果可想而 知。 儿童使用成人安全带可能受到的危险如下：1 腰带不能固定儿童的 盆骨处，出现下滑现象；2 导致儿童腹部重要器官的伤害；3 肩带卡在儿 童的颈部。 1 2 2 2 安全气囊对儿童乘员的可能伤害 安全气囊张开充气瞬间的冲击高达l k n ，如果成人直接接触上都会 被击晕或受到更严重伤害。因此，安全气囊必须配合安全带使用，只有 靠着安全带约束住乘坐座位上的乘员，才能让乘员的头和胸部不至于过 早向前冲撞气囊、藉由时间的延缓，才能在气囊爆开、充满气体、准备 武汉理工大学硕十学位论文 开始泄气的瞬间接触到气囊上，让缓缓消气的气囊承托、消减头和胸部 向前的冲击力。由此可知，如果儿童迎面受到安全气囊的冲击，所受的 伤害将会是非常大的，甚至是致命的。 1 2 3 儿童乘员约束系统的保护作用 儿童乘员约束装置是专门针对儿童乘员的特殊性而设计的，通过其 独特的结构特点，并与车辆上已有的装置相互作用，为儿童乘员提供有 效的保护。 1 2 3 1 儿童乘员约束系统的结构对儿童的保护作用 不同年龄段之间的儿童人体尺寸、生理差别很大，所以应针对不同 年龄段选择使用不同的儿童乘员约束系统，同时供不同年龄段使用的儿 童乘员约束系统的设计因素也应有所不同。从保护装置的观点看儿童的 生理特征如表1 1 所示。 表卜1 从保护装置观点看儿童的生理特征 年龄体重身体特征 年龄：婴儿一1 0 个月左右骨骼、肌肉都没有发育好；特别是没有颈部 体重：婴 l l o k g 左右 的肌肉，颈部不能立起来。 年龄：1 0 个月4 岁左右骨骼、肌肉有一定程度的发育；局部的约束 体重：1 0k g 一1 8 k g 左右不能承受，约束的点越多越好。 年龄：4 岁以上 骨骼、肌肉的发育有相当的提高；身体的忍 体重：1 8 k g 以上 受力能承担3 点式的安全带，但是体位、体 格还不适合使用成人安全带。 适当的、正确使用的儿童乘员约束系统可以显著保护儿童乘员的安 全： ( 1 ) 婴儿一1 0 个月左右一般使用后 向式的儿童乘员约束系统，其作用是使碰 撞时的负荷分散，保护婴儿的头部和颈 部，而内置儿童安全带防止儿童在受到冲 击时被甩出去，如图1 2 所示； 图1 - 2 后向式c r s 的保护作用 武汉理1 ：大学硕七学位论文 ( 2 ) 1 0 个月一4 岁左右可以使用前向式的儿奄安全座椅，主要是 5 点式的全背带式安全带，通过两肩部、腰部的安全带使负荷分散，如 图1 3 所示： ( 3 ) 4 岁以上多使用儿章增高坐垫，以配合成人安全带的使用。为 了防止肩带卡在儿童的颈部，一般设置导向环装置，同时调整儿章腰骨 的位置高度以配合腰带的使用，如图1 - 4 所示。 图卜3 五点式安全带的保护作用 闰卜4 增高座椅的保护作用 1 2 3 2 现实中儿童乘员约束系统对儿童的保护作用研究1 儿童乘员约束系统的使用可以显著降低儿童乘员在交通事故中的死 亡。对乘用车而言降低1 岁以下的婴儿在事故中死亡的有效性达7 1 ， 1 4 岁的儿重达5 4 ：而对轻型载重车而言。降低1 岁以下的婴儿在事 故中死亡的有效性达5 8 ，1 4 岁的儿童达5 9 。 根据美国的统计资料：2 0 0 4 年，在美国共有18 5 9 个1 5 岁以下的儿 童在车辆碰撞事故中死亡，2 35 9 1 2 个受伤，其中9 的伤害使儿童乘员 失去自理能力。各年龄段的具体情况如下：4 岁以下儿童的死亡人数是 4 9 5 个，受伤害人数是5 63 5 4 个；5 9 岁儿童的死亡人数是4 1 8 个，受 伤害人数是6 58 6 0 个i1 0 b 1 5 岁的儿童在车辆事故中的死亡人数是9 4 6 个受伤害人数是1 1 36 9 8 个。在死亡的18 5 9 名儿童中，其中有5 3 的没有使用任何约束系统，各年龄段具体统计如下：4 岁以下的有3 6 ， 5 9 岁的有5 2 ，1 0 1 5 岁的有6 3 。 2 0 0 4 年，儿童乘员约束系统挽救了4 5 1 名4 岁以下的美国儿童；安 全带挽救了大约1 54 3 4 个4 岁以上的儿童乘员。对于4 - 8 岁儿童，增高 坐挚降低他们在事故中所受伤害的作用更加明显。研究表明，与使用安 全带相比，此年龄段的儿童使用增高坐垫后伤害的风险降低了5 9 。研 武汉理工大学硕士学位论文 究还表明，此年龄段的儿童如果只使用安全带，在事故中会产生对腹部、 颈部、脊骨或背部的伤害，而使用增高坐垫则不会或减少产生这些伤害。 1 3 儿童乘员的安全性评价 1 3 1 儿童乘员约束系统的评价方法 儿童乘员约束系统作为安全保护部件，其本身的安全性能直接影响 着对儿童乘员的保护作用。当前，儿童乘员约束系统动态性能安全评价 工具主要是不同年龄段的儿童物理碰撞测试假人( 又称a t d s ，即 a n t h r o p o m o r p h i ct e s td e v i c e s ) 及这些假人的数学模型、混合数学模型 ( 大部分的假人模型和少量局部重要部位的人体模型的组合) 3 8 1 0 其中， 物理碰撞测试假人应用最为广泛，它代表了不同年龄段的儿童。安装在 假人身上的传感器可以用来测量假人指定部位的加速度、载荷、力矩和 变形的数据等。有关儿童乘员约束系统评价的法规对儿童乘员约束系统 评价的试验程序和试验结果有一定的要求，例如对使用的假人类型的要 求、对传感器测量值的要求等。 1 3 2 儿童的安全性评价 儿童的安全性评价包括安全法规和安全性评价体系。安全法规是在 综合考虑社会、环境及汽车技术等多方面因素的情况下，制定的合理的、 广泛的、赖以遵循的规范和标准，使人一车一环境更加有机地融为一体。 它通过政府的强制执行，能够监督企业的生产、更合理地制定相关法令 ( 如保险、刑事诉讼等) 。安全评估体系主要指的是损伤评估标准和体系， 它是损伤流行病学的基础概念，主要用来区别和衡量事故中人体损伤程 度，也可以称为损伤尺度或指标。损伤尺度或指标可以从力学和生物学 的角度定义为生理学或解剖学意义上的使人体功能丧失或解剖结构损坏 方面的量，也可以定义为生理学和与之相关的社会学方面的量。与损伤 程度密切相关的另一个量称之为损伤标准，其通过一些物理参数或者其 函数定义，这些参数常常反映了引起某一损伤程度发生的损伤力学因素， 如身体某部位的线型加速度或角加速度、作用人体的合力或力矩，或者 这些载荷所引起的变形。人体或人体的某一部分对损伤载荷的承受能力 称为耐受限度，它定义为导致某种类型损伤发生或达到某种损伤标准阀 值时的载荷大小，或者是由这些载荷换算出来的量。应该注意到，不同 武汉理工大学硕士学位论文 年龄和不同个体之间耐受限度的差别是很大的，一般只能用试验和统计 学的方法来确定。 1 4 车辆碰撞事故中儿童乘员安全性的研究方法 车辆碰撞事故中儿童乘员安全性的研究涉及汽车工程学、生物力学 和医学等相关学科，在研究中广泛应用这些学科的研究方法。对车辆碰 撞中儿童安全性的研究，一般采取交通事故统计分析、试验研究和计算 机仿真等方法。下面分别进行介绍： 1 4 1 交通事故统计分析 儿童交通损伤流行病学的研究方法有很多，其中交通事故统计的方 法经常被采用。由于交通事故属于随机事件。事件发生与众多因素相关 联、制约或存在着一定的关系，但这种关系又不能以用确定的函数式来 精确描述。因此只能采用统计调查的方法，根据某地区人、车、路的条 件和过去以及目前的交通安全状况，找出其主要影响因素以及这些因素 对事故发生的统计性能的影响规律，得出数理统计数学模型，从而预测 今后一定时期的交通安全性。 1 4 2 试验研究 ( 1 ) 志愿者试验 用人类志愿者作为模型进行试验要确保在不发生任何损伤的条件下 进行，并须有严格的制度和试验规范。这种试验可以提供人体在没有发 生损伤时的响应等很多一般性的知识，其结果对于开发机械式假人和人 体数学模型等都很重要，此外还可以研究活体组织在冲击载荷下的响应。 由于志愿者试验不能在产生损伤的负载条件下做试验，因此得出的结果 具有局限性。对于儿童志愿者的选取，不仅要经过儿童本人的允许，也 要通过其监护人的同意。另外，由于试验样本的特殊性和伦理问题，此 类试验较难开展。 ( 2 ) 尸体试验 人类尸体试验，也称p m h s t ( p a s tm o r t a lh u m a ns u t , j e c tt e s t ) ，尸体 试验是碰撞实验研究的重要方法，主要用于人体损伤力学的研究。试验 的结果也是验证机械式假人和数学模型的重要依据。最初用于损伤生物 力学响应研究的人体代替物就是人类尸体。从人类学的角度来说，p m h s 武汉理工大学硕士学位论文 的材料与活人是一致的，但是制作准备的技术和死亡相隔时间对试验结 果都有影响。一般p m h s 试样的肺是充了气的，血压是靠注射维持的。 使用p m h s 的不足之处是肌肉的强度和生理学反应无法确定。尸体试验 可以在产生损伤的负载条件下进行，但尸体和活人的反应有一定的差别， 而且儿童尸体的获取比成人尸体的获取更困难一些。 ( 3 ) 动物试验 用麻醉了的动物( 主要是猪和灵长类动物) 作为人体代替物进行损 伤试验，对于取得脑组织、脊柱等特殊部位的数据都很重要。但是，在 很多情况下由于人体与动物在尺寸、形状和结构上的差别都很大，由于 动物试验所获取的数据推知人体的相关数据实际上是很困难的一件事 情。而且这种方法也只是早期的文献中看到，近年来由于动物保护协会 的成立以及动物保护法的通过，动物试验也是不可行的。 ( 4 ) 机械假人试验 机械假人模型也称为碰撞实验用假人模型或拟人试验装置 ( a t d s a n t h r o p o m o r p h i ct e s td e v i c e s ) 。假人在结构、尺寸、质量分布和 冲击运动学、动力学特征方面与人类都相似，并在重要部位的冲击响应 方面具有生物力学的保真度。在试验中假人与约束系统同时使用，可以 评价车辆安全装置的性能，并可测试汽车整车的安全性。由于假人用途 广泛，目前世界各国汽车安全性评价主要依赖于假人模型，所以假人的 测试能力常常影响到交通安全有关法规的制定。但是，假人模型的验证 一般都是借助于志愿者试验和尸体试验的数据。假人试验适合于儿童安 全装置的初期检验。 1 4 3 计算机仿真 人体的动力学响应及损伤评价可以通过计算机仿真模型来研究。该 模型必须建立在以上所述试验研究的基础上，可以用来研究机械模型所 不能测量的数据。而且相对于其他的模型，该模型的经济性和可重复性 的特点非常突出。但是计算机仿真也有其局限性，那就是模型的有效性 和可靠性，而这些取决于多方面因素，如：试验验证数据可靠性、分析 软件的可靠性和分析人员的经验等等。尽管如此，计算机仿真仍是儿童 乘员安全性研究的主要手段之一。 武汉理工大学硕士学位论文 1 。5 本课题研究的意义和目的 在我国，随着私家车不断进入家庭，儿童乘员的数量也在不断增加。 汽车配备的常规座椅、安全带约束系统和安全气囊是针对成年人设计的， 汽车在碰撞事故中儿童乘员面临的伤亡风险远高于成年人。因此，儿童 乘员的保护成为汽车安全设计必须加以关注的问题。 我国目前正在进行机动车用儿童乘员约束系统的标准制订工作。 据悉，本标准将采用e c er 4 4 0 4 法规，并根据我国的实际情况做适当 的修改。动态试验是e c er 4 4 0 4 法规豹重要组成部分之一，该部分主 要规定了儿童乘员约束系统进行动态试验的加速度曲线及儿童伤害指标 等蠹容。 本文采用计算机仿真的方法，以e c er 4 4 0 4 法规规定的动态试验 要求为基础，对款国产的儿童安全座椅在正面碰撞中对儿童乘员的保 护效果进行仿真研究。本文的研究工作弱的和意义如下： ( 1 ) 为车内儿童乘员的安全研究作出贡献； ( 2 ) 为改进汽车的安全性及儿童乘员约束系统的设计奠定基础； ( 3 ) 积极推动我国歹乙童乘员安全保护研究工作的全面展开。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章机动车儿童乘员用约束系统研究 本章主要介绍儿童乘员约束系统的组成、分类及其研究现状和发展 趋势。 2 1 儿童乘员约束系统的组成 机动车儿童乘员用约束系统简称儿童乘员约束系统( c h i l dr e s t r a i n t s y s t e m 缩写为c r s ) 。儿童乘员约束系统是专门为保护儿童乘员设计的， 兼顾了材料力学、生物力学、人机工程学、儿童心理学等多方面因素， 以保证在车辆碰撞事故发生时为儿童提供最有效的保护效果，从而减少 儿童的伤亡数量和伤亡程度。总体上讲，儿童乘员约束系统儿童安全座 椅主要由乘卧空间、约束带系统和固定装置组成。 ( 1 ) 乘卧空间：主要作用是为儿童提供乘坐或躺卧的空间，主要形 式有座椅、婴儿床、支撑坐垫等。如图2 - 1 a 所示为座椅形式的乘卧空间。 ( 2 ) 约束带系统：主要作用是将儿童可靠地约束在乘卧空间内，如 图2 1 b 所示。 a ) 座椅形式的乘卧空间 ( b ) 约束带系统 图2 一l 儿童约束系统的组成 ( 3 ) 固定装置：主要作用是将约束装置可靠地固定在车辆座椅上。 旧式的儿童乘员约束系统多半是以车辆安全带固定在座位上( 如图2 - 2a 所示) ，使用起来比较麻烦且容易出现松弛错误。近年来，欧美纷纷制定 了儿童乘员约束系统标准的固定装置一一在美国叫l a t c h ，在欧洲叫 i s o f i x 8 l 。 武汉理工大学硕士学位论文 l a t c h 系统( 如图2 - 2b ) 所示) 包括在车辆座位下方两侧、坐垫 和座椅靠背交接处有两个固定在座椅上的下扣件，座椅靠背的后上方则 有一条固定在车上的栓带。下扣件和栓带的接头都有标准化规格，符合 l a t c h 系统的儿童乘员约束装置，在座椅两侧和椅背上方同样的位置也 有三个栓带和相容的接头。 i s o f i x 具体的构想和l a t c h 完全相同，要求汽车在适当的位置( 一 般在车身上有固定点) 提供标准规格的扣件，儿童乘员约束装置在对应的 位置也有标准化的扣件，以实现儿童约束装置方便、准确的固定，特别 是对消除一般安全带固定易产生的松弛现象。i s o f i x 与l a t c h 最大的 不同之处是它比较强调下扣件的固定点，反而对第三个点没有一致的强 制要求。对于第三个点的位置，有人主张采用和l a t c h 系统相同的椅 背栓带，有人主张从儿童座椅的前端往下拉一个支腿，固定到汽车地板 e 。 ( a ) 安全带固定儿童约束系统( b ) l a t c h 系统 图2 2 儿童乘员约束装置的固定方式 2 2 儿童乘员约束系统的分类 儿童乘员约束系统有很多不同的型式，欧洲和美国分别通过不同的 标准划分出不同的类别。本节主要介绍欧洲和美国的各个分类。 2 2 1 欧洲( e c er 4 4 0 4 ) 的分类“ ( 1 ) 按适用于儿童体重的不同分为5 个质量组，如表2 - 1 所示 武汉理r ：人学硕十学位论文 表2 1 儿童乘员约束系统按儿童体重分组 组别儿童体重k g o( 1 0 o + ( 13 9 1 8 1 5 2 5 ( 2 ) 按适用的车辆的不同分为四种型式：通用型：专用型；半通用 型：限制型。 ( 3 ) 按儿童乘员约束系统结构的不同分为整体式和非整体式。整体 式由安全带或有弹性的组件与锁扣、调节装置、配件等组合而成，在某 些情况下，还配有诸如座椅和防撞板之类的附属装置，这种型式的约束 系统能够借助自身的一条或几条安全带进行固定。非整体式是部分约束， 即与成人座椅安全带连接，佩戴在儿童乘员的身上或固定保护儿童乘员 的约束系统，从而形成完整的儿童乘员约束系统。 2 2 2 北美地区的分类” 北美地区将儿章乘员约束系统分为：婴儿座椅、可变换座椅、前向 式座椅、增高座椅以及一体式座椅。还有一些不常见的型式，包括供使 用增高座椅体重的儿章使用的膝上型汽车座椅( l a p t o pc a rs e a t ) ；新生 儿及其他很小的婴儿使用的汽车床；学童及比学童稍长的儿童使用的约 束带背心( h a r n e s sv e s t ) ：以及根据儿童特殊需要而设计的约束系统。各 种儿童约束系统的特征如下： 璺儿座椅( i n f a n ts e a t ) 主要适用于 1 岁以下和体重小于2 0 1 b 的儿童，且仅 适用于后向式安装，如图2 3 所示。座 椅配备了衬垫以及为使车辆安全带( 腰 带或三点式安全带的腰带部分) 穿越而 设计的安全带穿孔。座椅的约束带可以 是三点式约束带或五点式安全带，婴儿 被约束带约束在座椅内。座椅一般还具有 两个或三个肩带孔，根据婴儿尺寸的不同 图2 - 3 后向式座椅 武汉理一 大学硕士学位论文 可以选择通过不同的肩带孔而调整约束带的位置，选择的肩带孔应该位 于或低于婴儿肩部水平。座椅与垂直平面所形成的角度不能超过4 5 。， 与车辆的固定可以使用车辆安全带或者是l a t c h 系统。后向式儿童座 椅不需要上栓绳( w e b b e r ，2 0 0 0 ；n h t s a ，2 0 0 1 ；s t e w a r ta n dk e r n ，2 0 0 3 ) 。 前向式座椅( f o r w a r d f a c i n go n l y s e a t ) 适用于体重在2 0 至4 0 l b 之问，年龄 在1 4 岁之间的儿童，如图2 4 所示。约 束带系统使用五点式安全带或高架的防护 架( o v e rh e a ds h i e l dr e s t r a i n t s ) 。这种 座椅肩带的高度通常应高于儿童的肩部水 平以有效的限制儿童位移，靠背的高度高于 儿童的耳朵水平以保护向后的弯曲。座椅于 车辆内的固定可以使用车辆安全带或l a t c h 系统。图2 - 4 前向式座椅 可变换座椅( c o n v e r t i b l es e a t ) 适用于为 体重在4 0 1 b 以下的儿童。该种座椅具有的特征同时适用于婴儿和学童。 当后向式使用时，其适用于1 岁以下及体重小于2 0 1 b 的儿童。一些可变 换座椅建议后向式使用时的体重达到3 0 至3 5 l b 。对婴儿而言，其头部的 顶部应该包络于座椅外形内( 距离外形顶部的距离不少于1i n c h ) 。后向 式使用时约束带的作用是将婴儿的身体、颈部、以及头部包络于座椅外 形内。对婴儿而言，所选择的肩带孔应该位于或低于婴儿的肩部水平 ( w e b b e r ，2 0 0 0 ；n h t s a ，2 0 0 1 ) 。 前向式使用时，可变换座椅适用于体重小于4 0 1 b ，年龄在3 、4 岁左 右的儿童。可变换座椅的约束带可以是五点式安全带、也可以是三点式 安全带配t 形防护板、或三点式安全带配碟形防护扳。约束带可以根据 不同尺寸的学童而进行调整。约束带t 形防护板由两个肩部约束带连接 到躯干或髋部前面t 形防护架或已填充的宽形碟片上。约束带碟形防护 架的碟形防护架上面有一个胯带。约束带可以与防护架分开或组合使用。 可转换座椅的约束带系统可以根据儿童的成长而调整。可以使用肩带孔 调整约束带肩带的位置，晟低的肩带孔用于婴儿，上面的用于学童 ( w e b b e r 。2 0 0 0 ；n h t s a ，2 0 0 1 ) 。 可转换座椅还具有角度调整机构，其允许后向式使用时婴儿处于一 个斜躺的姿势( 角度部大于4 5 。) ，前向式使用时儿童自然坐着。该种 座椅在车辆上的固定可采用座椅安全带或l a t c h 固定装黄 ( w e b b e r 。2 0 0 0 ；n h t s a ，2 0 0 1 ) 。 武汉理l 人学硕士学位论文 增高座椅( b o o s t e rs e a t ) 适用于体重 最小在3 0 至4 0 l b 之间，最高在6 0 至1 0 0 l b 之间，年龄在4 8 岁之间的儿童，如图2 - 5 所示。这种座椅在车辆内的固定是使用车辆 安全带系统，而不要求具有l a t c h 系统。它 们本身不是约束系统，而是定位装置，完全 利用车辆安全带使儿童和增高座椅保持不 动( w e b b e d 2 0 0 0 ；n h t s a ，2 0 0 1 ；s t e w a r ta n d k e r n ，2 0 0 3 ) 。增高座椅具有三种型式：安全 带定位式：高背安全带定位式；以及防撞架 增高垫。 图2 5 增高座垫 安全带定位式增高垫( b e l t - p o s i t i o n i n g ) 作用是将儿童乘员的身 体抬高，以使车辆安全带更合适的约束儿童的躯体和髋部。这种座椅种 的一些是儿童座椅和增高座垫的混合型，而一些没有约束带其作用仅相 当于无靠背安全带定位式增高垫。增高座椅的很多型式都具有小的把手 和导向件，腰带或肩带的下部尾端可以在其下面穿过