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硕上学位论文 摘要 儿章道路交通伤害是一个全球性的重要问题。国外在儿蕈乘员安全保护方面 的研究起步较早，目前汽车儿童约束系统法规在世界各国已经建立并不断完善。 而在中国，目前还没有相关的交通法规来对儿童乘车安全进行约束。因此，对儿 童乘员约束系统的研究具有特殊重要意义。为了提高我国儿童乘员乘车的安全 性，对于碰撞中儿童乘员的响应以及儿童约束系统的设计和改进的研究是非常必 要的。 随着计算机的发展以及仿真理论的成熟，计算机仿真方法已经从一种汽车安 全性分析的手段融入到整个汽车的研发过程中。本论文建立了汽车前碰撞3 岁儿 童约束系统的仿真模型。通过与该儿童座椅的台车试验结果对比，验证了该仿真 模型的有效性。利用已经验证的模型，首先分别通过儿童座椅的不同设计参数、 儿童座椅肩带孔位置的选择、假人在儿童座椅上的位置以及儿童座椅安全带有无 松弛研究了p 3 假人前碰撞过程中的损伤情况；然后对p 3 4 假人分别使用前向式儿 童安全座椅和后向式儿童安全座椅时的运动学和动力学响应进行了对比研究。仿 真输出的损伤参数有头部合成加速度( a h ) 、胸部合成加速度( a t ) 、颈部轴向力 ( f z ) 和颈部弯曲力矩( m v ) ，分析的损伤参数还包括h i c l5 值。 研究结果表明，增大儿童假人和儿章座椅之间的摩擦系数、提高儿童座椅和 汽车座椅的坐垫刚度、降低儿童安全带的刚度能够降低儿童乘员受伤害的风险； 根据不同儿童乘员的身材，选择略高于儿童肩膀高度的肩带孔位置、儿童乘员处 于仰卧位置、正确佩戴儿童安全带，避免安全带松弛都有利于降低儿童乘员受伤 害的程度；对于年龄比较小的儿童使用后向式儿童安全座椅能够加强对头部和颈 部的保护。 最后对全文所做工作取得的成绩和不足进行了总结。本文的研究结果对于改 进儿童座椅的设计参数具有参考价值，对国内儿童乘员乘车安全保护研究具有借 鉴意义。 关键词：正面碰撞；儿童安全；仿真分析；儿童约束系统 i i a b s t r a c t c h i l dr o a dt r a f f i ci n j u r yi sa ni m p o r t a n tp r o b l e ma l lo ft h ew o r l d i nf o r e i g n c o u n t r i e s ，t h e r e a s e r c ho ns a f e t yp r o t e c t i o nf o rc h i l do c c u p a n t s i se a r l i e rt h a n c h i n a t o d a y ，al o to fc o u n t r i e sh a v eb u i l tt h er e g u l a t i o n so nc h i l dr e s t r a i n ts y s t e m b u t i nc h i n a t h e r ei s s t i l ln ot r a f f i cr u l ef o rt h er e s t r a i n to fc h i l do c c u p a n t s s oi ti sv e r y i m p o r t a n tf o rt h er e s e a r c ho nc h i l dr e s t r a i n ts y s t e m i no r d e rt oi m p r o v et h es a f e t yo f c h i l do c c u p a n t s ，i ti sn e c e s s a r yt ot h er e s e a r c ho nr e s p o n s eo fc h i l do c c u p a n t s ，d e s i g n a n dt h ei m p r o v e m e n to fc h i l dr e s t r a i n ts y s t e mi nf r o n t a li m p a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e rh a r d w a r ea n ds i m u l a t i o nm e t h o d s ， c o m p u t e rs i m u l a t i o n sh a v em o v e df r o mi m p o r t a n ta n a l y s i st e c h n i q u e s ，w h i c hi so n e o ft h ei n d i s p e n s a b l ew a y st oa n a l y z et h ev e h i c l ec r a s hs a f e t yt ob e c o m ei n t e g r a l p a r t so ft h ep r o d u c td e v e l o p m e n tp r o c e s s as i m u l a t i o nm o d e lo ff r o n t a li m p a c tw i t h c h i l dr e s t r a i n ts y s t e mi sb u i l t b yc o m p a r i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n dt h es l e dt e s t r e s u l t so fc o r r e s p o n d i n gc h i l d s e a t t h ee f f e c t i v e n e s so ft h em o d e li sv a l i d a t e d b a s e d o nt 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 fs o m ee h i l d s e a td e s i g np a r a m e t e r s ，t h ec h o i c e o ft h ec h i l d s e a ts h o u l d e r b e l t p o s i t i o n ，t h ep o s i t i o n o ft h ed u m m yi nt h e e h i l d s e a t ，t h ec h i l d s e a tb e l th a ss l a c ko rn o t ，t h e s ec o m p l i c a t i o n sh a v eb e e ns t u d i e dt o a n a l y s i sp 3d u m m yi n j u r i e si nf r o n t a li m p a c tf i r s t l y ，t h e nt h ec o n t r a s ta n a l y s i so f k i n e m a t i c sa n dd y n a m i c sr e s p o n s e sf o rp 3 4i ss t u d i e dw h e ni nf r o n t a la n d r e a rc h i l d s e a t t h e i n j u r yp a r a m e t e r s f o r o u t p u t a r et h eh e a da c c e l e r a t i o n ( a n ) ，t h o r a x a c c e l e r a t i o n ( a t ) ，n e c ka x i a lf o r c e ( f z ) a n dn e c km o m e n t ( m y ) t h ei n j u r yp a r a m e t e rf o r a n a l y s i sa l s oi n c l u d eh i c 1 5 t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ，i n c r e a s et h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n tb e t w e e n c h i l d s e a ta n dc h i l dd u m m y ，e n h a n c et h es t i f f n e s so fc h i l d s e a tc u s h i o na n dc a r s e a t c u s h i o n ，d e b a s et h es t i f f n e s so fc h i l d s e a tb e l tm a yr e d u c et h ec h i l do c c u p a n t si n j u r y r i s k b a s e do ns t a t u r eo fd i f f e r e n tc h i l do c c u p a n t s ，c h o o s et h es h o u l d e r b e l th o l et h a t i sal i t t l eh i g h e rt h a nc h i l d r e n s h o u l d e r ，c h i l d r e ns e a tf l a t ，a d o r nt h ec h i l d s e a tb e l t c o r r e c t l y a n da v o i db e l ts l a c km a yr e d u c et h ei n ju r yd e g r e e f o rt h ey o u n g c h i l d r e n ，r e a r f o r w a r dc h i l d s e a tm a yi m p r o v et h ep r o t e c t i o n e f f e c tf o rh e a da n d n e c k a tt h ee n do ft h et h e s i s ，a c h i e v e m e n ta n ds h o r t a g eo ft h er e s e a r c ha r ep u t f o r w a r d t h ec o n c l u s i o no ft h i sp a p e rm a yp r o v i d et h er e f e r e n c ev a l u ef o rf u r t h e r i m p r o v e m e n t so f c h i l d s e a td e s i g np a r a m e t e r sa n dc o n t r i b u t et ot h er e s e a r c ho n i i i 硕士学位论文 p r o t e c t i o no fc h i l do c c u p a n t si np a s s e n g e rc a ri m p a c t si nc h i n a k e yw o r d s ：f r o n t a li m p a c t ；c h i l ds a f e t y ；s i m u l a t i o na n a l y s i s ；c r s i v 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：胪i 虱莽日期：。7 年，月f 彦日 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 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 日期：研年期f a 日 日期：年月 日 彳陧 菖芥刁繇汤 霭 名名奎釜者师作导 硕士学位论文 第1 章绪论 随着我国经济的不断发展，汽车作为现代交通工具越来越普及。车辆的急剧 增加一方面给人们的生活带来极大的方便，但同时也带来不少的负面影响，如环 境污染、能源危机和交通安全问题等。国内外大量统计数据表明，汽车交通安全 事故造成的人员伤亡和财产损失是巨大的，已成为一大社会公害。随着社会的。不 断进步和人们生活水平的迅速提高，交通安全问题受到越来越多的关注。 汽车安全性分为主动安全性和被动安全性。其中汽车的主动安全性是指汽车 避免发生意外事故的能力；汽车的被动安全性主要是指在发生意外的碰撞事故 时，如何对司机和乘员进行保护，尽量减少其所受伤害。改善汽车的被动安全性 能，在碰撞事故中对乘员采取有效的保护措施，是汽车制造厂提高其产品竞争力 的重要手段。因此，汽车结构设计、内部装置及内饰，在发生碰撞时对乘员起保 护作用的乘员保护系统的设计，在汽车开发中占据首要地位。随着轿车的大规模 生产和应用，也由于车速的不断提高，碰撞安全性问题变得越来越突出。汽车发 生碰撞事故后，不仅给车辆本身造成损坏，更重要的是造成乘员受伤，甚至死亡。 因此，汽车碰撞安全性问题应该得到越来越多的重视，这将有力地带动我国汽车 碰撞安全技术的发展，并促进我国汽车产品碰撞安全性水平的迅速提高，对汽车 碰撞中车内乘员安全性问题的研究具有重要意义。 1 1 课题的研究背景和意义 1 1 1 研究背景 随着人类社会的不断发展与进步，汽车的普及和应用大大地推动了社会经济 的发展，从根本上改变了人们的生活方式、思想观念。汽车给人类带来便利和效 率的同时，它所带来的伤害也是刻骨铭心的，道路交通安全问题也已成为世界性 的大问题。交通事故率节节攀升，汽车的安全性逐渐成为消费者关注的首要话题， 汽车的安全性对人类生命财产的影响是不言而喻的。据公安部网站消息，2 0 0 8 年，全国共发生道路交通事故2 6 5 2 0 4 起，造成7 3 4 8 4 人死亡、3 0 4 9 1 9 人受伤，直 接财产损失1 0 1 亿元【。 汽车前碰撞是指在汽车发生碰撞事故时，主要撞击力作用于汽车的前部，并 在汽车中心轴线3 0 。范围以内【2 1 。在汽车碰撞事故数目中，前碰撞占5 5 6 0 ， 且在导致严重损伤和死亡的事故中，前碰撞分别占了7 0 和5 0 t 引。在我国，据 2 0 0 3 年全国的统计，正面相撞事故占交通事故总数的2 0 0 3 ，死亡人数占 2 8 9 1 4 1 。据统计，在正面碰撞过程中，身体各部位受伤频率如下表1 1 所示。 可转换武儿章安伞座椅前碰撞仿真研究 表1 1 正碰中身体各部位受伤频率 交通事故中儿童乘员的伤亡已经成为一个很严峻的问题。根据世界卫生组织 2 0 0 2 年的调查数据，有4 9 7 3 6 名0 - 4 岁的婴幼儿在交通事故中死亡，同时有13 0 8 3 5 名5 1 4 岁的儿童在交通事故中死亡。据统计，2 0 0 0 年加拿大交通事故中有3 2 名4 岁以下的儿童死亡，3 1 4 8 名4 岁以下的儿童受伤1 5 引。2 0 0 6 年，美国共有4 2 6 4 2 人在 交通事故中死亡，其中1 4 岁以下儿童死亡人数( 17 9 4 ) 占死亡总人数的4 。车 内儿童乘员死亡人数( 13 3 5 ) 占所有乘员死亡人数的4 ，在汽车碰撞事故中受 伤的人数( 2 0 8 0 0 0 ) 占受伤总人数的8 ，车内乘员受伤人数( 1 8 4 0 0 0 ) 占乘员 受伤总人数的7 。2 0 0 6 年，美国平均每天有5 名1 4 岁以下的儿童在汽车碰撞事故 中死亡，有5 6 8 名受伤【5 j 。而在中国，目前还没有相关的交通法规来对儿童乘车 安全进行约束，交通事故是儿童伤亡的主要原因【34 1 。根据交通管理局的统计数 据显示，在2 0 0 4 年有7 0 7 7 名1 5 岁以下的儿童在交通事故中丧生，占死亡人数总数 的6 6 1 ，有2 8 0 16 名15 岁以下的儿童在交通事故中受伤，占受伤人数总数的 5 8 2 ( 见图1 1 ) 。我国2 0 0 6 年各类事故死亡人数中，因交通事故死亡的人数为 8 9 4 5 5 人，1 2 岁以下儿童在交通事故中的死亡人数为4 1 6 7 人，所占比例为4 6 7 。 其中，车内死亡的有6 8 3 人，占儿童交通事故死亡人数的16 4 。据悉，中国儿 童因交通事故的死亡率是欧洲的2 5 倍，美国的2 6 倍【o j 。 伤亡人员年龄示意图 1 6 - - - 2 0 岁 1 3 1 5 岁 1 0 1 2 岁 7 9 岁 l 6 岁 团受伤人数死亡人数 图1 12 0 0 4 年中国道路交通事故伤亡人员年龄示意图 随着汽车数量的增加，儿童乘员数量在不断增加，一般汽车座椅和安全带是 专门为成人设计的，儿童乘坐的时候，位置过矮，视野不宽，安全带过于宽松， 不适合儿童体型，即不安全又不舒适，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。因此，关于儿童乘员专用约束系统的研究是儿童乘员安全保护 研究领域的重点之一。 2 硕j ：学位论文 1 1 2 研究意义 在中国，每年因交通事故伤亡的人数已经相当于一场灾难性的战争，其引起 的人员伤亡和经济损失，比火灾、水灾等不可抗力灾难造成的人员伤亡总和及经 济损失还大得多，而汽车存在安全隐患是罪魁祸首。可见，提高汽车安全性能， 解决汽车安全问题，确保人民生命和财产的安全已刻不容缓。交通事故造成的儿 童伤亡远远高于其它任何原因对儿童造成的意外伤害。 国外在儿童乘员安全保护方面的研究起步较早，目前汽车儿童约束系统法规 在世界各国已经建立并不断完善。国际上发达国家均规定有儿童保护装置测试标 准及法规，如欧洲e c e r 4 4 、美国f m v s s 2 1 3 、英国b s ( b s 3 2 5 4 ，b s a u l 8 5 ， b s a u 2 0 2 b ) 、丹麦d s 2 1 9 0 、日本j i s d 0 4 0 1 、瑞典t s b 、加拿大c m v s s 2 1 3 、澳 洲a s ( a s l 7 5 4 ，a s 3 6 2 9 ) 和法国a r l 9 8 5 0 1 1 a 等。中国目前对于汽车用儿童安全 座椅还没有明文规定，儿童乘车处于急端危险状态。儿童安全座椅对中国的汽车 消费者来说，还是一个比较陌生的产品，但其对儿童乘车的安全是非常重要的。 在中国推广儿童安全座椅，防止更多悲剧发生，是一个任重而道远的工作。 正确使用儿童约束系统能够有效地减少交通事故中儿童乘员的伤亡。根据 n h t s a ( n a t i o n a lh i g h w a yt r a f f i cs a f e t ya d m i n i s t r a t i o n ) 的调查研究表明，客车发生 交通事故时，使用儿童安全座椅能够将婴儿( 小于1 岁) 的死亡率降低7 1 ，将 初学走路儿童( 1 4 岁) 的死亡率降低5 4 ，对于轻型卡车来说，分别相应降低 5 8 和5 9 。据估计，2 0 0 6 年，汽车碰撞事故中有4 2 5 名5 岁以下的儿童由于使用 儿童约束系统而被挽救，被挽救的4 2 5 个生命中，有3 9 2 个使用了儿童安全座椅， 有3 3 个使用了成人安全带。在1 9 7 5 至2 0 0 5 期间，估计有8 3 2 5 个儿童由于使用了儿 童约束系统而被挽救【5 l 。4 岁以下儿童如未使用任何保护装置，其在车祸中死亡 的可能性比使用了保护装置的儿童要高出1o 倍之多【1 6 】。 目前欧美国家已经开发出适用不同年龄段儿童的c r s ，而且制定了比较完善 的技术标准，并通过法规强制使用。他们在c r s 试验研究与计算机仿真方面做了 大量卓有成效的工作。我国的c r s 研究工作处于起步阶段，应该充分利用国外的 成熟理论与方法，并结合我国实际，强化全民保护儿童乘员的意识，制定出使用 c r s 的强制性法规，推广c r s 的使用【5 。c r s 对儿童乘员的保护效果是十分显著 的，设计和研发我国的c r s ，更加有效地保护我国儿童乘员的安全，减少乘车伤 亡事故，是急需解决的问题。 目前欧美等发达国家对乘员保护系统的研究主要有下述几个方面： ( 1 ) 研究安全带的布置方式、结构形式、提高安全带的佩戴舒适性和适用 范围，使之对乘员起到较好的保护作用。 ( 2 ) 研究使用新型的安全带，加预紧式安全带、限力式安全带。 ( 3 ) 发展低能量气袋，减少气袋对离位乘员、儿童乘员的伤害。 可转换式儿章安伞虚椅前碰撞仿真研究 ( 4 ) 研究侧撞气袋、翻滚气袋等保护装置。 ( 5 ) 研究智能保护系统。 ( 6 ) 研究膝部、小腿、踝部的保护装置。 据调查，在北京、上海、成都、天津等几个私家车保有量较大的城市中，儿 童约束系统的平均使用率仅5 左右，正确使用率不超过2 【4 3 1 。在这样的背景下， 开展我国儿童约束系统的研究，制定关于儿童乘员安全保护的相关国家标准迫在 眉睫。因此，充分了解c r s 在国外的使用和误用情况，消化吸收、借鉴其成功经 验，应用于我国的c r s 研究和开发工作，结合我国儿童的特点和乘车的实际，研 究儿童安全座椅在正面碰撞中的运动学和动力学响应，对提高儿章座椅的安全性 能和儿童乘员的安全防护具有一定的现实意义。 1 2 本文研究的目的及重点 本论文的研究目的是通过不同的影响因素对儿童乘员损伤的影响进行分析， 来评价儿童儿童座椅的保护效果。 论文研究的重点是： ( 1 ) 建立儿童约束系统仿真模型并验证该模型； ( 2 ) 儿童座椅的设计参数对儿童乘员响应的研究分析； ( 3 ) 儿童座椅肩带孔位置的选择、儿童乘员在儿童座椅上的位置以及儿童 安全带的佩戴是否正确对儿童乘员损伤影响； ( 4 ) p 3 4 假人使用前向式儿童座椅和后向式儿童座椅的对比研究。 4 硕l ：学位论文 第2 章儿童乘员保护的研究现状 汽车运动时具有很大的运动能量，当发生正面碰撞时，为了保护车内乘员的 安全，根据汽车碰撞损伤机理可知汽车需要具有的基本特征是：一要保证车内乘 员足够的生存空间，即乘坐室不应发生过大的碰撞变形( 包括车轮、发动机、变 速器等刚性部件不得侵入驾驶室) ；二要使乘坐室以外的车体结构部分应尽可能 多地变形，以合理地吸收撞击能量，使得作用于乘员身上的力和加速度值不超过 人体的耐受极限等。而对于车内幼小的儿童乘员来说，汽车具有以上特征还不能 够给他们提供完好的保护，还需要有额外的保护装置，即在乘车时使用汽车儿童 安全座椅。 近几年来，关于儿童乘员安全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。他们不但在提高儿童约束保护研究方面做了大量的研究开发工作， 同时还出台了相应的法规、标准，使儿童乘员在车辆碰撞事故发生中能够得到有 效的保护。在我国，对儿童乘员安全性问题还没有受到广泛的重视，儿童约束系 统的研究和应用尚处于起步阶段，还没有出台正式的相关的法律法规，很多人还 不了解儿童约束系统以及使用的必要性。但随着人们安全意识的不断增强，汽车 儿童座椅越来越受人们重视，各项相关研究工作已提上了议事日程。该领域的主 要工作应集中在儿童安全系统的推广，并借鉴国外儿童乘员约束系统的研究理论 进行儿童安全座椅的设计和生产。 2 1 儿童乘车特点及儿童损伤生物力学 2 1 1 儿童乘车特点 在乘坐汽车时，有很多家长认为自己用双臂紧紧地抱住孩子，可以给他们最 安全有效的保护，交通安全研究显示，当车辆以5 0 k m h 速度行驶时，一旦事故 发生，体重约1 0 k g 的幼童会产生3 0 倍的前冲力，j 2 竖3 0 0 k g t m 】。即使再强壮的成人 手臂也无法抱住孩子，儿童可能在瞬间脱离大入的怀抱，或被抛出车外，或撞上 挡风玻璃。 儿童自身的特点决定了他们在乘轿车的时候应该有自己的座位，并应有适当 的安全保护设施。儿童绝不允许乘车时坐在成年人腿上，以免发生事故时被抛出， 或者被安全气囊等设备伤害。如果安全气囊膨胀展开，婴儿很容易受伤甚至身亡， 所以前座有安全气囊，婴儿座椅就得安装在后排座椅上。年龄小的儿童应尽可能 长时间地使用后向座椅。经研究分析发现在致命的碰撞事故中，乘坐在汽车后排 座椅上的儿童( 小于1 2 岁) 死亡的风险比乘坐在前排座椅上的儿童死亡的风险分 5 可转换式儿童安伞座椅前碰掩仿真研究 别减少3 5 ( 乘员侧安全气囊没有展开) 和5 0 ( 乘员侧安全气囊展开) p 引。当儿 童的体重达到座椅限定重量时或其头部超出座椅顶端时就可以换成前向座椅。 a r b o g a s t 等人把前向式儿童约束系统和成人座椅安全带对1 2 4 7 个月的儿童保护效 果做了对比，发现使用前向式儿童约束系统的儿童比使用成人座椅安全带的儿童 其受到严重损伤的风险降低7 8 1 5 5 1 。座椅的安全带须跨过肩膀横跨过胸部，并尽 量减少空隙。因为儿童安全座椅才是根据儿童的体形来设计的，在发生意外的时 候才能对儿章起到最好的保护作用。欧洲新车评估规划实验表明，目前安装在轿 车中的儿童安全座椅并不能完全将孩子的头部固定，因而在发生碰撞时不能防止 孩子的头部同车内物体相碰撞【2 2 1 。正确使用儿童安全装置可以大幅度降低儿童 受伤几率( 如图2 1 所示) 。由图可以看出，使用儿童安全装置的可以将儿童伤 亡的比例从1 1 5 减少至3 5 ，儿章使用专用的安全装置可有效地将受伤害的机 率降低7 0 左右。根据来自世界卫生组织预防道路交通伤世界报告( 2 0 0 4 ) 的数据显示：在发生小轿车碰撞时儿章安全座椅能使婴儿的死亡率降低7 1 ，幼 儿的死亡率降低5 4 1 1 6 j 。 摹 - 暴 ：丑 u $ 联 帐 御 j 。、 交通事故中的儿童乘员伤亡统计 不使用任何约束使用儿童安全装置 图2 1 交通事故中儿重乘员伤亡情况 2 1 2 儿童乘员损伤生物力学 2 1 2 1 损伤生物力学 人体组织在碰撞过程中所包含的有关力学称为碰撞生物力学，损伤生物力学 亦称为碰撞生物力学，是汽车被动安全性研究的重要基础理论之。在碰撞事故 过程中，人体暴露在一个机械冲击载荷的环境中，在惯性力和接触力的作用下， 人体的各部分组织将产生一定的生物力学响应。若生物力学响应使人体的组织超 过了可以恢复的限度或导致解剖学组织的破坏，或导致了正常生理功能的变化或 丧失，这时就发生了人体损伤。 根据人体生物力学的特性，汽车碰撞造成的人体损伤可分为机械损伤、生物 损伤和心理损伤。机械损伤是指人体在外界直接的碰撞载荷作用下产生的内伤和 6 眩m 8 6 4 2 o 硕十学位论文 外伤，如骨折和皮肉撕裂等，也即外载的强度超过了人体骨骼或肌肉组织的成熟 极限；生物损伤指在碰撞导致的加速度作用下人体某些部位如大脑产生的生物功 能损伤，如脑组织发生分离而失去知觉等；心理损伤指碰撞过程对人的心理造成 的惊慌和恐惧感等。 损伤生物力学的研究目的是通过研究和分析人体损伤的过程，弄清其损伤机 理，从而开发出有效的方法来减少或消除人体结构或功能的损伤。它的研究内容 包括：确定碰撞损伤的机理，量化人体组织的响应，评价人体组织的损伤标准， 开发或研制有效保护装置来减少碰撞中传递给人体的载荷和能量，并能够研制出 试验和计算机用的模型来模拟人体在碰撞时的响应 1 们。目前有两种儿童碰撞损 伤理论存在1 。一种是儿童比成年人小，相应地儿童比成年人脆弱，因此儿 童对损伤的耐受限度要低于成年人对损伤的耐受限度。另一种是儿童比成年人有 更强的耐力和韧性，因为在一些成年人死亡的跌落事故中，出现了儿童生还的现 象。实际情况也可能存在于两种理论之间，这要依据碰撞类型及损伤机理。 2 1 2 2 儿童乘员损伤机理 人体的结构在快速成长的过程中包含了相对较慢或均速的生长。身体的大部 分组织和器官的生长共同影响整个身体的成长。例如，人脑在出生之前迅速生长， 到了学龄前就变的缓慢了。虽然出生时的体重相当于成年体重的5 ，但是头部 却相当于成年的2 5 ，头部生长的一半是在出生后的第一年生长的，第二年能达 到成人头部的7 5 。 身高和体重的变化在不同的年龄段也有所不同。在出生后的5 个月，婴儿的 体重大约增加l 倍，到l 岁时增加到出生时的3 倍，2 岁时体重相当于出生时的4 倍， 5 岁时大约为6 倍，1o 岁大约lo 倍。身高的变化也有不同的年龄趋势，一般来说， 4 岁时的身高比出生时增加l 倍，13 岁时增n 3 倍。成人的身高相当于2 岁儿童身高 的2 倍 。 儿童乘员身体的重心因其年龄、身高、体重、体形和坐姿的不同而不同。在 对8 周至3 岁儿童坐在车内座椅上并系上安全带后测量发现，他们的重心位于安全 带腰带之上，变动也不规律。因此在用成人安全带约束儿童乘员时，由于儿童乘 员的身体重心位于腰带上方，儿童乘员比成人更容易被抛出座位1 7 j 。 汽车碰撞事故中，儿童的头部是受伤频率最高同时也是最易受到严重损伤的 部位。因为儿童头部比重相对自身体重较大，成年人的头部仅占整个体重的6 ， 3 岁儿童头部的比重为整个体重的l8 。较大的头部质量，较高的身体重心位置， 加上颈部结构柔弱，使得儿童头部易受损伤。婴儿的头部形状与成人有很大差别， 婴儿的面部与头盖骨的面积比例为1 ：8 ，而成人为1 ：2 5 。儿童的颅骨灵活而柔软， 颅骨骨折发生率较低。颅骨与硬脑髓膜连接紧密，硬膜外血肿不易发生。人体颅 骨从出生到成熟的相对比例如图2 2 所示( 7 】。导致儿童头部损伤的原因有两个： 7 可转换式儿章安全座椅前碰撞仿真研究 接触和惯性力矩。接触通常是指儿童头部与汽车内饰件的接触，也包括与车内其 它乘员的接触。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 图2 2 人体颅骨相对比例图 伴随有脑组织损伤的粉碎性骨折变化。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【8 】。研究 表明，无论何种碰撞类型和约束类型，儿童的头部和脸部都是损伤频率最高的部 位【6 6 1 。 儿童颈部解剖学有一些独特的方面。颈部肌肉力量随着年龄增长，头部质量 越大，柔弱的颈部肌肉承受头部运动的能力越差。儿章的颈椎骨发育不成熟，婴 儿的椎骨主要是软骨，对婴幼儿来说也是容易受伤的重要身体部位。人体的颈椎 在出生时由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接合在一起，但是，第一颈椎和第二颈椎直到儿童 4 6 岁时才完全接合在一起。颈椎的大小在人体青春期时已经达到了成人的水平， 但是直到人体2 5 岁时才发育成熟 3 3 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。另外，儿童颈部肌肉尚未发育成熟， 颈部韧带还比较松弛，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。由于儿童和成年人颈部结构差别而导致的儿童 损伤通常是脊髓拉伸损伤。在碰撞中，儿童的颈椎能够在不发生骨折的前提下产 生较大的变形，使得脊髓被拉伸，因此，儿童能够在不发生脊椎损伤的情况下产 生脊髓损伤，此类损伤在成年人中很少见【7 1 。 胸腔内的主要器官是肺和心脏，儿童心脏在其胸腔内占有的比例大于成年人 心脏在其胸腔内占有的比例 4 0 l 。儿童胸部损伤通常是因为内部器官没有得到保 护。婴儿的胸腔壁较薄而且肋骨富有弹性，胸部柔软，不易发生肋骨骨折。然而 当胸部受压而产生过大压缩量时，胸腔内脏器官在压力和剪切力作用下易受损 伤，尤其是肺挫伤。另外，胸腔纵隔膜的移位易导致心脏变位，大动脉角形成及 肺和食道受压。 儿童的腹壁薄而且腹部肌肉不发达，与成年人的腹部相比较更为凸起，在外 力压迫下腹部的内脏器官容易受伤。儿童的胸廓位置较高，肝脏和脾脏的大部分 8 硕i ：学位论文 位于胸廓外，未被胸廓保护。尤其是肝脏，位于右上腹部且是最大的腹腔内脏器 官，容易受伤且伤后致死率高。交通事故中儿童座椅约束下的3 岁以下儿童乘员 的腹部受伤概率较低。而对4 岁以上儿童乘员，腹部是继头面部之后的最易受伤 的部位，这主要是因为4 岁以上儿童乘车时使用成人用车辆座椅安全带的比例较 大。而由于儿童的髂骨上前骨棘不发达，不能使腰带准确定位，受碰撞冲击时， 腰带易从髋部滑向腹部而压迫腹部，导致腹部的内部器官受伤。 儿童的骨骼未完全骨化，骨组织中有机物含量高于无机物，因此比较柔软， 在弯矩的作用下易发生弯曲变形，骨折前可吸收较多能量。儿童的骨膜比成年人 厚，与成人相比，容易发生非骨折侧不分离的不完全骨折，即旁弯骨折。四肢长 骨的骨体在人体出生时已经骨化，四肢的长骨在人体1 2 0 岁间逐渐骨化。腕部骨 骼和踝部骨骼在人体0 1 4 岁间逐渐骨化。膝盖骨完全骨化在人体青春期，肩胛骨 在人体2 5 岁时才完全发育成熟 9 1 。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。 2 2 儿童安全座椅的发展和研究现状 2 2 1 汽车儿童安全座椅的发展 2 2 1 1 儿童安全座椅的出现 第二次世界大战之后，汽车技术飞速发展，汽车成为主要的交通工具。随之 而来的交通安全问题也日益突出，各种乘车安全保护装罱相继问世。安全带、安 全气囊作为汽车上最常见的保护装置，曾经挽救过无数人的生命。据统计，系安 全带可减少4 6 的死亡可能和7 6 的重伤可能，在美国因此每年减少1 万人的死 亡。 安全带作为最传统的安全防护设备，是为成人设计的，对于儿童并不适用。 因为儿童的骨骼稚嫩，当汽车发生碰撞、速度迅速降低时身体会因巨大惯性向前 猛冲，此时侧跨身体的成人安全带可能会造成儿童胸部肋骨骨折、窒息甚至颈骨 折断的危险。 同样，安全气囊的设计也是基于对成人的保护。安全气囊爆开瞬间所产生的 巨大冲击力会对儿章造成严重伤害。据l9 9 9 年美国统计的数据显示，由于安全气 囊爆开致死的15 0 人中绝大多数是儿童【l9 1 。 成人安全带、安全气囊对儿童来说都是隐秘的“杀手”。在这种情况下儿童 安全座椅产生了。最早的儿童安全座椅诞生于19 6 3 年，是由沃尔沃公司设计制作 的，开发设计儿童安全座椅的灵感来自于航天器中的宇航员座椅，这种座椅可以 承受太空舱升空和降落时产生巨大力量，从而使宇航员免受伤害。沃尔沃公司根 9 可转换式儿童安全座椅前碰撞仿真研究 据这一原理，提出了后向式儿童安全座椅的概念【l9 1 。 2 2 1 2 欧美国家或地区汽车儿童安全座椅的发展 儿童安全座椅首先在欧美等发达国家得到了发展，特别是2 0 世纪8 0 年代以 来，欧美等国家相继m 台相关的法规，强制儿奄乘车时必须使用汽车儿童安全座 椅，汽车儿童安全座椅因此得以迅速发展和普及，产品也逐步从泡沫制品向多元 化新材料制品发展。 起初的儿奄安全座椅结构单一，只是通过后向乘坐对儿蕈进行保护，当时也 出现了5 点式安全带，但是却没有对儿童进行侧面保护的结构。基于对儿章乘车 事故的调查数据，人们逐渐认识到侧面保护对儿童安全的重要性，开始对儿童安 全座椅进行不断的改进，在儿童头部、身体两侧及小腿部位都添加了反弹护垫， 背部着力面更加柔软舒适，从而可以对儿章进行全方位的保护。同时，适应不同 年龄段儿童体型的安全座椅也相继出现。 欧美等国根据各幽的不同情况，都制定了儿童安全座椅的检测方法。各国都 对座椅的动态性能有着严格的技术要求，对于检测实验中座椅的移动量也规定得 十分明晰。美国相关法规中，对座椅织物的耐磨强度、耐光强度，以及带微生物 强度都提出了具体要求，与欧洲一样，进行盐雾试验，以考察抗腐蚀能力。此外， 欧洲还对儿章安全座椅的能量吸收性、抗翻滚能力、耐高温性以及安全带的调节 和卷收功能有严格限制。 有关儿案乘车安全的法规和标准的出台，对汽车儿童安全座椅的发展产生了 巨大的推动作用。目f j 世界上主要有以下几大标准：欧洲e c e r 4 4 标准、美国 j p m a a s t m 、加拿大c m v s s2 13 、| ：= l 本j i s 等，澳大利亚、中国台湾等地也相继 颁布了对应标准。其中以欧洲的要求最为严格，人们使用汽车儿童安全座椅由自 发使用转向了强制使用。在欧洲，汽车儿章安全座椅的普及率己非常高，就像骑 摩托车需要带头盔一样自然，儿童安全座椅甚至已成为些整车出厂的必备辅 件。在中国，儿童安全座椅的普及程度还处在初级阶段。不过，据有关部门表示， 中国将于2 0 0 9 年对汽车儿章安全颁布相应的法规及标准，另外，从2 0 0 9 年开始 c n c a p 也会增加儿童安全座椅方面的测试内容，这会对中国儿童安全座椅的推 广和普及起到促进作用f 挎】。 2 2 2 儿童安全座椅的研究现状 2 2 1 1 儿童安全座椅的分类 儿章安全座椅，又可称为儿童约束系统( c r s ) ，带有保护带扣的织带或相 应柔软的部件、调整装置、连接装置、以及辅助装置，( 例如手提式婴儿床、婴 儿携带装置、辅助座椅和或碰撞防护) ，且能将其稳固放置在机动车上的装置。 其设计是通过限制佩带者身体的移动来减轻在车辆碰撞事故或突然减速情况下 1 0 对佩带人员的伤害。国际通用的儿童约束系统固定装置( “i s o f i x ”) 是指将 儿童约束系统与车辆连接的装置。包括车辆上的两个刚性固定点，儿童约束系统 上两个相对应的的刚性连接装置，以及限制儿童约束系统翻转的装置。 根据e c e r 4 4 标准，汽车儿童安全座椅依照儿童的体重分成五个质量组：0 组、0 + 组，i 组、i i 组、l i i 组。其中0 组用于体重小于1 0 k g 的儿童，0 + 组用于体重 小于1 3 k g 的儿童，i 组用于9 k g 到1 8 k g 的儿囊，i i 组用于1 5 k g 到2 5 k g 的儿童ii i i 组 用于2 2 k g 到3 6 k g 的儿童删。 儿童约束系统按在车辆上放置的位置，分为四种类型：1 ) 通用类，能用于 大多数座位上，只需成人安全带就能固定：2 ) 受限制类，只能用于特殊车型的 指定座位上，只需成人安全带就能固定；3 ) 半通用类，安装配备有l a t c h i s o f i x 辅助固定点的座位；4 ) 特殊车辆类，装备了由车辆制造商设计或由约束系统制 造商设计的固定点。 基于儿童的生理特点等，在体重和体型等方面，不同年龄段的儿童差距较大。 总体来说，儿童约束系统按不同年龄可分为：0 一i 岁、l 4 岁、4 8 岁和8 1 2 岁四 大类。如图23 分别为不同年龄段儿童应该使用的座椅i ”i 。 叠 辽 a ) 后向式座椅b ) 前向式座椅c ) 增高座椅d ) 汽车座椅 图2 3 不同年龄段儿使用的座椅 o l 岁儿童约束系统也称作婴儿用的约束系统，按照结构又分为婴儿床和婴 儿椅，它们只能安装在车辆后排座椅上。对于婴儿床，约束系统横向安装，保证 儿童横卧于车内。对于婴儿椅约束系统为纵向安装，保证儿童在车内处于向后状 卷。由于1 岁以下婴儿的头部较重，颈椎尚不能支撑头部重量，因此如果以前向 状态乘坐，极有可能在紧急制动或事故发生时头往前甩，而造成严重伤害。针对 1 岁以下的婴儿的特点，全球璺j l j l 章安全座椅设计多为后向安装，如图23 中a ) 所示，这样可在发生意外或紧急制动时，避免冲击力集中在颈部，而将其分散至 骨骼较为强壮的腰、背、臀部。 卜4 岁儿童约束系统的结构如座椅，也称为儿童约束座椅。此类座椅只能安 装在车辆后捧座位上，它在车上的安装方式多为后向的，也有前向的。对于体形 较小的儿童，应采用后向安装，对于体形较大的儿童，也可采用前向安装，如图 2 3 中b ) 所示。研究证明，后向式儿童安全座椅同正向座椅相比，可将冲击力和 对儿童头颈部的伤害减少一半。 4 - 8 岁儿童用约束系统也称为支撑垫( 增高垫) 式儿童约束系统，如图2 3 中c ) 可转换武儿豪安全座畸前碰撞仿真研究 所示。该系统只能安装在车辆后排座椅上。它包括由座颦组成的，以及座挚和靠 背组合的两种形式，它们不需要任何连接而直接安放在座椅上。对儿童乘员的约 束可直接采用成人用的汽车安全带，浚类儿童约束系统的主要作用是改变儿帝乘 员的乘坐状态以满足与成人用汽车安全带的佩带关系。儿童被挚高后，由于可使 用成人安全带，便可保护儿囊的胸部、头颈部，据v o l v o 公司调查证明，这样可 将危险几率降低6 0 。 s 一1 2 岁儿常用约束系统是直接采用成人用汽车安全带约束系统，如图2 3 中 d ) 所示。但对儿章乘坐位胃提出了限制。儿章乘员只能乘坐在前方无安全气囊 的座椅上，通常指后排座椅上。这是因为安全气囊张开时的冲击力对于成年人还 可忍受，一般来讲，儿童的肌肉和骨骼较成年人脆弱，很有可能造成胸部骨折和 内出血等致命伤害：而对于体彤较弱的儿奄，很多时候是颈部、面部受力。这样 还有可能造成窒息和颈椎伤害等问题。 几种常见的儿帝座椅如下图24 所示。 喀哼嗣 a ) 婴儿提篮 b ) 婴儿睡床c ) 后向安装 瞄彳廿 d ) 前向安装e ) 增高座椅f ) 增高坐垫 图24 几种常见的汽车儿童安全座椅 22 1 2 儿童安全座椅的组成 不同种类的儿童约束系统其组成是不尽相同，总的来讲是由为儿豪提供乘坐 或卧躺空间的座椅或床( 简称乘卧空间) ，将儿童约束在其中的约束带系统和将整 个约束系统安放在车辆上的固定装置三部分所组成。 乘卧空间主要有婴儿床式座椅形式和支撑垫( 增高挚) 式。婴儿床式和支撑挚 型式变化较为简单。座椅式变化较多，如靠背角度可调，前后安装方向可调，座 硬学位论文 椅垫和骨架组合式，五点式，t 型安全锁式，以及附带防护拦式等。 约束带系统是将儿奄可靠地约束在乘卧空间的一套系统，适用于4 岁以下或 体重为1 8 k g 以下的儿童乘员，其主要由约束带肩带出口肩带夹，约束带，约 束带吊