（光学工程专业论文）轿车碰撞事故中儿童乘员的损伤防护技术研究.pdf

-_-一 a s t u d yo fc h i l do c c u p a n ti n ju r yp r o t e c t i o nf r o mp a s s e n g e r c a rc o l l i s i o n s b y y a n gx i n g m e i b e ( z h e n g z h o uu n i v e r s i t y ) 2 0 0 3 m s ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 6 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f d o c t o ro fe n g i n e e r i n g l n a u t o m o t i v ee n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o ry a n gji k u a n g j u n e ，2 0 1 0 52籼8m 8 0m 9iil_y 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：杨奄梅日期：如i 口年f 。月2 - 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密曲。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：7 i 勃杏梅 刷磁名为汤 fv ifl f d 月习日 j p 月z 7 日训纠 期期日日 砺陧 1j_】-_-_1i，_l_-i 轿车碰撞事故中儿童乘员的损伤防护技术研究 摘要 近几年来，道路交通事故每年导致约2 6 万名儿童丧生，l ，0 0 0 万名儿童受伤。 其中，车内儿童占有相当比重，汽车儿童乘员安全性问题受到世界各国的高度重 视。由于汽车装备的常规座椅、安全带约束系统和安全气囊主要针对成人设计， 在汽车碰撞事故中儿童乘员面临的伤亡风险远远高于成人。国外早在2 0 世纪6 0 年代就已经开展了儿童乘员安全方面的研究，欧、美、日等许多发达国家对儿童 乘员约束系统已有专门的法规要求并已实施。我国有关儿童乘员安全方面的研究 已经起步，首个机动车儿童乘员用约束系统( 征询意见稿) 已经通过网上公示 阶段，有望近期出台。汽车儿童约束系统专为儿童乘车安全设计，但它在我国的 实际使用情况存在两个问题：第一，使用率低；第二，误用率高。因此，开展儿 童乘员损伤防护技术研究对于当前的中国具有重要的经济价值和社会意义。 本文旨在研究儿童乘员交通伤流行病学特征；分析典型事故中儿童乘员的动 力学响应；确定儿童乘员的损伤原因和损伤机理；评价不同碰撞条件下儿童约束 系统的防护效率；改进儿童乘员的损伤防护技术；为提高儿童乘员安全性设计提 供可靠的理论依据和有效的研究方法。为此目的，对美国c i r e n 数据库( 1 9 9 6 2 0 0 5 年) 、f a r s 数据库( 2 0 0 0 2 0 0 7 年) 及中国长沙市交警事故数据库( 2 0 0 1 - 2 0 0 7 年) 中 的儿章乘员事故数据进行了统计分析；采用多体动力学和有限元模型进行了事故 重建分析，提出了一种基于多种软件( p c c r a s h ，l s d y n a 和m a d y m o ) 相结合的 儿童乘员两车碰撞事故重建方法，并将该重建方法应用到从德国g i d a s 数据库 中挑选的一起典型前碰撞和一起典型侧碰撞事故案例；进而采用多体动力学方法 深入细致地研究了前碰撞条件下约束系统误用对防护效率的影响，构建了多项式 回归( p r g ) 、k r i g i n g 及r b f 神经网络代理模型，对儿童约束系统的设计参数进行 了优化，并利用能量效率理论对儿章乘员碰撞过程中动能的耗散进行了深入分析； 在侧面碰撞条件下，采用m a d y m o 软件中的p s m 方法建立仿真模型，深入研 究了不同碰撞角度下儿章增高座椅的防护效率和约束系统不同使用情况下侧面安 全气囊的防护效率，并利用r b f 神经网络构建代理模型，对影响儿章乘员和成人 乘员损伤防护的侧面安全气囊的主要设计参数进行了优化研究。 对国内外的儿章乘员事故数据进行统计分析发现，小型客车( 轿车占较高比例) 是主要事故车型；两车事故是主要事故类型；前碰撞和侧碰撞是主要事故形态； 伤亡儿章乘员中，4 8 岁儿章占有较高比例。与儿章乘员损伤风险密切相关的因 素有碰撞类型、座椅位置、碰撞严重度、约束类型、儿章的年龄( 体重) 以及约束 系统的使用情况等。使用的约束系统类型不同，儿章乘员的损伤部位也不尽相同。 博一1 ：学位论文 对典型儿童乘员事故进行重建的结果表明，使用提出的重建方法得到的事故 车辆最终停止位置、运动轨迹、变形及儿童乘员损伤情况等都与事故案例记录基 本吻合，这在一定程度上证明了该重建方法和模型的有效性。此外，从前碰撞事 故重建结果可知，后倾的前排座椅靠背是导致儿章头部损伤的主要原因，头胸部 运动的不同步导致了儿童颈部的损伤。从侧碰撞事故重建结果可知，侵入的车门 是导致儿童乘员严重损伤甚至死亡的主要原因。前、侧碰撞事故重建结果都表明， 安全带织带是导致儿童乘员胸、腹部软组织擦伤的主要原因。 对前碰撞事故形态中儿童乘员的损伤防护技术进行研究的结果表明，与正确 使用儿童约束系统情况相比，误用降低了儿童约束系统的防护效果，使得儿童乘 员损伤风险增加；除k r i g i n g 模型外，p r g 和r b f 神经网络模型最优设计点对应 的目标函数的仿真值都小于实验设计样本点中的最小值，p r g 模型优化设计点处 的目标函数的仿真值最小，比实验设计样本中的最小值降低了约14 7 ，三个代 理模型中，r b f 神经网络模型的优化结果与仿真验证结果之间的误差最小，仅为 2 6 ，基于多个代理模型的优化方法有助于设计者鉴定设计空间不同区域内的其 他优化结果；儿童乘员胸部加速度与缓冲能量效率并不直接相关，而是由安全带 吸收的能量效率决定，安全带吸收能量效率越低，胸部加速度值也越低，安全带 松弛会增加安全带吸收能量效率，与带定位式增高座椅相比，使用嵌入式增高座 椅，安全带吸收能量效率也会增加。 对侧碰撞事故形态中儿童乘员的损伤防护技术进行研究的结果表明，对于在 车辆轴向方向上有运动分量的侧面碰撞，儿童增高座椅具有一定的保护效果，对 于在车辆轴向方向上没有或有很小运动分量的侧面碰撞，几章增高座椅的保护效 果并不理想；对于误用增高座椅的儿童乘员，展开的侧面安全气囊不会明显增加 其头、胸部损伤风险，对于正确使用增高座椅的儿童乘员，展开的侧面安全气囊 能够降低其头、胸部损伤风险，无论误用或正确使用，颈部损伤风险都需视实际 碰撞情况而定；优化后的侧面胸部气囊使得儿章乘员的头部合成加速度值和成人 乘员的胸部v c 值比初始模型中的相应值分别降低了约1 7 9 和4 9 7 ，优化后 的侧面胸部气囊既能有效保护儿章乘员又能有效保护成人乘员。 随着轿车进入中国家庭步伐的加快，儿章乘员碰撞安全性问题越来越突出。 本文从宏观角度对儿章乘员交通伤流行病学特征进行研究；从微观角度对典型儿 童乘员事故进行重建研究；具体对发生频率较高的前、侧碰撞事故形态中儿章乘 员的损伤防护技术进行了深入细致的研究。本论文可望对我国全面深入开展儿童 乘车安全保护研究起到积极的推动作用。 关键词：儿童乘员；汽车儿童约束系统；计算机仿真；交通伤流行病学；事故重 建；损伤防护；参数优化 轿车碰撞事故中儿章乘员的损伤防护技术研究 a b s t r a c t t h e r ea r ea r o u n d2 6 0 0 0 0c h i l df a t a l i t i e sa n d10 ，0 0 0 ，0 0 0i n i u r e di nt r a f f i c a c c i d e n t sw o r l d w i d ee v e r yy e a r t h es a f e t yo fc h i l d r e ni nc a r si sas i g n i f i c a n ti s s u ei n t h ew o r l dt o d a y t h ev e h i c l es e a t s a f e t yb e l ta n da i r b a g sa r ed e s i g n e df o ra d u l t s t h e i n i u r yr i s kf o rc h i l d r e ni sh i g h e rt h a nf o ra d u l t si nc a rc o l l i s i o n s s t u d i e sa b o u tc h i l d o c c u p a n ts a f e t yw e r e s t a r t e df r o mt h e19 6 0 sa r o u n dt h ew o r l d t h ee u r o p e a n c o u n t r i e sa sw e l la su s a n dj a p a ne s t a b l i s h e dr e g u l a t i o n sf o rc h i l dr e s t r a i n ts y s t e m s t h ec h i l do c c u p a n ts a f e t yr e s e a r c h e sh a v eb e e nb e g u ni nc h i n a t h et o - b e c o m m e n t e d d r a f to f “r e s t r a i n i n gd e v i c e sf o rc h i l d0 c c u p a n t so fp o w e r d r i v e nv e h i c l e s ”h a s b e e np u b l i s h e da n dw i l lc o m ei n t oe f f e c ti nt h en e a rf u t u r e t h ec h i l dr e s t r a i n t s y s t e m s ( c r s s ) a r ed e s i g n e df o rc h i l d r e n u n f o r t u n a t e l y ，t h e r e a r et w om a j o r p r o b l e m sa s s o c i a t e dw i t ht h eu s eo fc r s si nc h i n a f i r s t t h eu s a g er a t ei sr a t h e rl o w s e c o n d t h ec r s sa r eo f t e nm i s u s e df o rc h i l d r e ni nc a r s i ti sv e r yi m p o r t a n tt os t u d y t h ec h i l do c c u p a n tp r o t e c t i o ni nc h i n a t h i st h e s i sa i m e da ts t u d yo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fc h i l do c c u p a n tt r a f n ci n j u r y e p i d e m i o l o g y ；a n a l y s i so ft h ed y n a m i c sr e s p o n s e so fc h i l d r e ni n t h ea c c i d e n t s ； d e t e r m i n a t i o no fc h i l do c c u p a n ti n j u r yr e a s o n sa n dm e c h a n i s m s ；e v a l u a t i o no ft h e e m c i e n c yo fc h i l dr e s t r a i n ts y s t e mu n d e rd i f f e r e n tc r a s h e s ；i m p r o v e m e n to fc h i l d r e s t r a i n ts y s t e md e s i g ni nr e l i a b l ea n de f f e c t i v ew a y s t ot h i se n d c h i l do c c u p a n t a c c i d e n td a t af r o mt h ec i r e nd a t a b a s e ( f r o ml9 9 6t o2 0 0 5 ) f a r sd a t a b a s e ( f r o m 2 0 0 0t o2 0 0 7 ) a n dc h a n g s h at r a f f i cp o l i c ed a t a b a s e ( f r o m2 0 0lt o2 0 0 7 ) w e r e a n a l y z e ds t a t i s t i c a l l y , t h ed e s c r i p t i v es t a t i s t i c sa n dm u l t i n o m i a ll o g i s t i cr e g r e s s i o n m e t h o d sw e r eu s e d ；t h em u l t i b o d yd y n a m i c sa n dt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l sw e r e u t i l i z e d i nt h ea c c i d e n tr e c o n s t r u c t i o na n a l y s i s p r o p o s e dam e t h o do fc o m b i n i n g p c c r a s h l s d y n aa n dm a d y m os o f t w a r e st or e c o n s t r u c tt h ec h i l do c c u p a n t a c c i d e n tc a s e s ，t h em e t h o dw a su s e di nt h et w oc a s e s ( f r o n t a la n ds i d ei m p a c tc a s e s ) s e l e c t e df r o mt h eg i d a sd a t a b a s e ；t h e ne m p l o y e dt h em u l t i b o d yd y n a m i c sm e t h o d s i nf r o n t a li m p a c tt os t u d yt h ei m p a c to fc r s sm i s u s e ，c o n s t r u c t e dp r g ，k r i g i n ga n d r b fn e u t r a ln e t w o r ks u r r o g a t em o d e l st oo p t i m i z et h ed e s i g np a r a m e t e r so fc r s a n d t h ee n e r g ye f f i c i e n c yt h e o r yw a su s e dt oa n a l y z et h ed i s s i p a t e dk i n e t i ce n e r g yo fc h i l d o c c u p a n ti nv e h i c l ei m p a c t s f i n a l l y p s mm e t h o dw a su s e dt oc o n s t r u c ts i m u l a t i o n m o d e l si ns i d ei m p a c t s t h ee f f i c i e n c yo fp r o t e c t i o no fb o o s t e rs e a ti nd i f f e r e n ti m p a c t a n g l e sa n do fs i d ea i r b a gi nd if f e r e n tu s e so fr e s t r a i n ts y s t e mw e r es t u d i e d a n dr b f n e u t r a ln e t w o r kw a su s e dt oc o n s t r u c tt h es u r r o g a t em o d e lt oo p t i m i z et h ep a r a m e t e r s o fs i d et h o r a xa i r b a gb a s e do nt h ei n j u r yp r o t e c t i o no fc h i l do c c u p a n ta n da d u l t o c c u p a n t t h es t a t i s t i c a lr e s u l t so fc h i l do c c u p a n ta c c i d e n t d a t af r o mu s a n dc h i n a i n d i c a t e dt h a tt h es m a l lp a s s e n g e rc a ri st h em a i nt y p eo fv e h i c l ef t h es a l o o nc a r sa r e m o s t ) i n v o l v i n gc h i l do c c u p a n t s ，t h et w ov e h i c l e sc o l l i s i o ni s t h em a i nt y p eo f a c c i d e n t ，f r o n t a la n ds i d ei m p a c t sa r et h em o s tf r e q u e n ta c c i d e n tc o n 6 9 u r a t i o n s ，a n d i v 博i ：学位论文 t h ec h i l d r e na g e df r o m4t o8a c c o u n tf o rah i g hp r o p o r t i o na m o n gc a s u a l t i e s i n a d d i t i o n t h ef a c t o r sa s s o c i a t e dw i t ht h ei n j u r yr i s k so ft h ec h i l do c c u p a n ta r ei m p a c t t y p e ，s e a tp o s i t i o n ，i m p a c ts e v e r i t y ，r e s t r a i n tt y p e ，t h ec h i l d sa g ea n dt h eu s eo ft h e r e s t r a i n ts y s t e m t h ei n j u r yr e g i o n sv a r yw i t ht h et y p eo fr e s t r a i n ts y s t e mu s e d t h ea c c i d e n tr e c o n s t r u c t i o nr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h er e s tp o s i t i o n sa n dw h e e l t r a c e so ft w oc a r sw e r ec o m p a r a b l ew i t ho n e si nr e a lw o r l da c c i d e n t t h ei n t r u s i o n s a n dd e f o r m a t i o n so fd o o ro ft h eo b j e c t i v ec a rw e r ec o m p a r a b l ew i t ht h a to fa c c i d e n t c a r , t h ed y n a m i cr e s p o n s e so fc h i l dd u m m yr e f l e c t e dw e l lt h ei n j u r yr i s ko ft h e o b j e c t i v ec h i l d i nc r a s ha c c i d e n t a n dt h er e c o n s t r u c t i o nm e t h o di sf e a s i b l ea n d e f f e c t i v e i na d d i t i o n ，i nf r o n t a li m p a c tc a s e ，t h eh e a di n j u r yw a sm a i n l yc a u s e db yt h e i m p a c to nt h eh e a d r e s to ft h er e c l i n e df r o n ts e a t ，t h en o n s y n c h r o n o u sm o t i o nb e t w e e n h e a da n dt h o r a xc a u s e dt h en e c ki n j u r y i ns i d ei m p a c tc a s e t h eh e a di n i u r yw a s m a i n l yc a u s e db yt h eh e a d r e s to fb o o s t e rs e a ta n di n t r u s i o no fd o o r w h i c hr e s u l t e di n t h ed e a t ho ft h ec h i l do c c u p a n t t h er e s u l t sf r o mt w or e c o n s t r u c t i o n s ( f r o n t a la n ds i d e i m p a c tc a s e s ) i n d i c a t e dt h a tt h et h o r a xa n da b d o m i n a ls o f tt is s u eo r g a nw e r ei n ju r e d b yw e b b in go fs e a tb e l t t h es t u d yr e s u l t so fc h i l do c c u p a n ti n j u r yp r o t e c t i o ni nf r o n t a li m p a c t si n d i c a t e d t h a tm i s u s ew i l lr e d u c et h ep r o t e c t i v ee f f e c t so fc r sa n di n c r e a s et h ei n i u r yr i s k so f c h i l do c c u p a n tc o m p a r i n gt h ec o r r e c tu s eo fc r s e x c e p tf o rt h ek r i g i n gm o d e l ，t h e o p t i m a lv a l u e ss u g g e s t e db yt h es u r r o g a t e sf o rt h eo b j e c t i v ef u n c t i o np c o m bw e r e s m a l l e rt h a nt h o s eo b t a i n e dw i t h i nt h es a m p l e t h eo p t i m i z a t i o nu s i n gt h ep r gm o d e l r e s u l t e di nt h es m a l l e s to b i e c t i v ef u n c t i o nv a l u e ( t h eb e s ts o l u t i o nf o u n d ) ，al4 7 i m p r o v e m e n to v e rt h em i n i m u mv a l u eo ft h es a m p l e t h er b fn e u r a ln e t w o r km o d e l p r e s e n t st h es m a l l e s td i f f e r e n c eb e t w e e nt h es u r r o g a t ee s t i m a t i o n sf o rp c o m ba n dt h e c o r r e s p o n d i n gv a l u e so b t a i n e du s i n gm a d y m o t h eu s eo fm u l t i p l es u r r o g a t e sh a s h e l p e di d e n t i f ya l t e r n a t i v eo p t i m a ls o l u t i o n sc o r r e s p o n d i n gt od i f f e r e n tr e g i o n si nt h e d e s i g ns p a c e i na d d i t i o n i tw a sc o n c l u d e dt h a tt h ec h e s ta c c e l e r a t i o nw a sn o t d e p e n d e n to nt h er i d ed o w ne n e r g ye f f i c i e n c yb u td e p e n d e n to nt h ee n e r g ye f f i c i e n c y a b s o r b e db yt h eb e l t t h ec h e s ta c c e l e r a t i o nw i l ld e c r e a s ew i t ht h er e d u c e de n e r g y e 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o rh e a da n dt h o r a x w h e t h e rac h i l dm i s u s e so r u s e sc o r r e c t l yb o o s t e r s e a t t h ei n j u r yr i s k so ft h en e c kd e p e n d so nt h ea c t u a li m p a c ts i t u a t i o n s t h e o p t i m a l v a l u e ss u g g e s t e db yt h es u r r o g a t em o d e l sf o rt h eo b j e c t i v ef u n c t i o n sw e r es m a l l e r t h a nt h o s eo b t a i n e df r o mt h ei n i t i a l m o d e l s c o m p a r e d t ot h eh e a dr e s u l t a n t a c c e l e r a t i o no ft h ec h il d a17 9 i m p r o v e m e n to v e rt h ei n i t i a lv a l u eo ft h ei n i t i a l m o d e lw a sf o u n d ，a n dc o m p a r e dt ot h ec h e s tv cv a l u eo ft h ea d u l t a4 9 7 i m p r o v e m e n to v e rt h ei n i t i a lv a l u eo ft h ei n i t i a lm o d e lw a sf o u n d t h et h o r a xs i d e v 轿车碰掩事故中几章乘员的损伤防护技术研究 a i r b a gc a np r o t e c tn o to n l yt h ea d u l tb u ta l s ot h ec h i l de f f e c t i v e l ya f t e ro p t i m i z a t i o n i nr e c e n ty e a r s ，t h en u m b e ro fn e w l yr e g i s t r a t e dp a s s e n g e rc a r si nc h i n ai s i n c r e a s i n gr a p i d l y t h e r e f o r e ，t h ei s s u eo fc r a s hs a f e t yo fc h i l do c c u p a n t si sb e c o m i n g m o r ea n dm o r es e r i o u s t h ec h a r a c t e r i s t i c so fc h i l d o c c u p a n t t r a f f i ci n i u r y e p i d e m i o l o g yw e r es t u d i e df r o mt h em a c r o p e r s p e c t i v e t h ea c c i d e n tr e c o n s t r u c t i o n w a ss t u d i e df r o mt h em i c r o p e r s p e c t i v e t h ei n j u r yp r o t e c t i o no fc h i l do c c u p a n t si n f r o n t a la n ds i d ei m p a c t sw e r es t u d i e df u r t h e r i nd e t a i l t h ef i n d i n g sf r o mt h i ss t u d y m a yc o n t r i b u t et ot h ec h i l do c c u p a n tp r o t e c t i o nr e s e a r c hf o rp a s s e n g e rc a ri m p a c t si n c h i n a k e yw o r d s ：c h i l do c c u p a n t ；t r a f f i ci n j u r ye p i d e m i o l o g y ；a c c i d e n tr e c o n s t r u c t i o n ； c o m p u t e rs i m u l a t i o n ；c h i l d r e s t r a i n t s y s t e m ；i n j u r yp r o t e c t i o n ；p a r a m e t e r o p t i m i z a t i o n 博f ：学位论文 口三罩 i = l 刊k 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要1 i a b s t r a c t i v 目录v i i 第1 章 绪论1 1 1 儿童乘员损伤防护研究的主要内容及方法1 1 2 儿童生理学特征及损伤机理2 1 2 1 头音b 2 1 2 2 颈部3 1 2 3 胸部3 1 2 4 腹部3 1 2 5 四肢j 4 1 3 儿童乘员损伤评价方法4 1 3 1 头部损伤标准4 1 3 2 颈部损伤标准5 1 3 3