（光学工程专业论文）人车碰撞中的头部损害分析及保护措施研究.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特 i t l j n 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 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工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：盔直e l 期：迎f l 釜：丛 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权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。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生c ：鹰真靳c 签名加醐训文1 ) 捅妾 进入2 l 世纪以来，我国汽车产销量逐年迅速增长，汽车保有量日趋增大。 汽车工业的繁荣发展给国民经济的增长以强大的推动作用，并极大程度地提高了 人民群众的生活水平。但是在另一方面，汽车保有量的增加不仅使公路交通更为 繁忙，更在很大程度上增加了交通事故发生的隐患，加之混合交通方式在我国城 乡地区广泛存在，由此造成机动车行人之间的交通事故时有发生。在汽车行人 碰撞的交通事故中，行人是事故中的弱势群体，最容易受到严重的生理伤害，头 部损伤是致行人死亡的首要因素，需要深入的研究其发生机理和防护措施。 本文从行人头部结构、组成、常见损伤发生形式入手，以国内外对汽车行 人碰撞中行人头部损伤的法规要求为标准，在深入学习研究国内外对汽车行人 碰撞交通事故的研究动态、现状、方法的基础上，以多体系统动力学为理论基础， 以a d a m s 软件为仿真工具，在a d m a s 中按相关国家标准建立了一个1 8 - 6 0 周岁5 0 百分位的男性人体模型。并以市场上典型的某中级轿车和某微小型汽车 分别建立了中级汽车模型和微型轿车模型，分别以p m h s 轨迹法、行人假人碰 撞试验和m a d y m o 软件的仿真为对比依据，验证了所建立的汽车行人碰撞模 型的正确性。 在验证模型有效的基础上，分析了行人与中级轿车和微型轿车碰撞的不同 点，并分析了汽车前保险杠刚度、保险杠高度、保险杠伸出长度、发动机罩前缘 高度、发动机罩倾斜角度、发动机罩刚度、汽车前挡风玻璃刚度、汽车前挡风玻 璃倾斜角度对行人头部合成加速度和h i c 的影响。仿真结果表明，适当减小汽 车前保险杠刚度和发动机罩刚度，减小保险杠伸出长度，增大发动机罩前缘高度 和倾斜角度，减小前挡风玻璃刚度和倾斜角度，这些措施有利于降低碰撞过程中 的行人头部合成加速度和h i c 值，从而降低撞击对行人头部造成的伤害。 本文还提出了一种新型发动机罩举升技术，该方案引入弹簧阻尼系统，该 系统一端与发动机罩以旋转铰链连接，一端以旋转铰链与底盘连接，在碰撞发生 前根据传感器检测到的行人的信号，自动升起一段高度，从而缓和行人头部与发 动机罩的撞击对行人头部造成的冲击。仿真结果表明该系统可以显著降低碰撞过 程中的行人头部合成加速度和h i c 值。 关键词：汽车行人碰撞交通事故；头部损伤；汽车前部结构参数；头部合成加 速度；发动机罩举升系统 a b s t r a c t t h ep r o d u c t i o na n ds a l eo fv e h i c l e sh a si n c r e a s e dy e a rb yy e a rs i n c et h el a s t d e c a d e ，a n dt h eh o l d i n g so fv e h i c l e sh a v er e a c h e dab i gn u m b e r i no n ew o r d t h e p r o s p e r i t yo fa u t o m o b i l ei n d u s t r yc o n t r i b u t e sm u c hf o rs o c i a le c o n o m y , a n da l s o p e o p l e sw o r ka n dl i f e ；i na n o t h e rw o r d ，i ta l s oc a u s e st r a f f i c j a r n ，w h a t sm o r e ，i tm a y l e a dt om a n ym o r et r a f f i ca c c i d e n t s p e d e s t r i a na r em o r ee a s i l yi n j u r e d ，s ow em u s t p a ym o r ea t t e n t i o nt op r o t e c tt h e m t h ei n j u r i e so fh e a da r ev e r ys e r i o u s ，s i n c em o s t o fd e a t h sa r ec a u s e db yt h e m t h i ss t u d yb a s e so nt h es t r u c t u r eo fh e a da n dc o m m o nh e a di n j u r i e s a f l e r s t u d y i n g t h e i n v e s t i g a t i o n a n dr e s e a r c ho n p e d e s t r i a np r o t e c t i o n ，m u l t i b o d y d y n a m i c s ，t h i sp a p e rb u i l d sap e d e s t r i a nm o d e lb a s e do nc h i n e s en a t i o n a ls t a i l d a r d s t a n d i n gf o rt h ea v e r a g ea d u l tm a l e t h i sp a p e ra l s ob u i l d sam o d e lo fm i d d l e c l a s s c a ra n das m a l lc a rf o rc a r - p e d e s t r i a na c c i d e n t p m h s ( p o s tm o r t e mh u m a n s u b j e c t s ) t e s t i n gr e s u l t ，at e s to fr e a lv e h i c l e - s t a n d i n gp e d e s t r i a nd u m m yi m p a c t ，as i m u l a t i o n r e s u l to fm a d y m o ( m a t h e m a t i c a ld y n a m i cm o d e l ) a r eu s e dt ov a l i d a t et h a tt h e c a r - p e d e s t r i a ni m p a c tm o d e li sc o r r e c t a f t e re n s u r i n gt h a tt h eb u i l tm o d e li s v a l i d ，t h i sp a p e ru s e st h i sm o d e lt o c a l c u l a t et h ee f f e c to ft h eh e i g h to fb u m p e r , t h es t i f f n e s so fb u m p e r , t h el e n g t ho f b u m p e r ，t h eh e i g h to fe n g i n eh o o d ，t h ea n g l eo fe n g i n eh o o d ，t h es t i f f n e s so fe n g i n e h o o d ，v e h i c l ew i n d s h i e l ds t i f f n e s s ，v e h i c l ew i n d s h i e l ds t i f f n e s so nt h ea c c e l e r a t i o no f p e d e s t r i a nh e a d 。f r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t ，w ec a l lg e tac o n c l u s i o nt h a tc a rf r o n t a l s t r u c t u r eh a sag r e a ti n f l u e n c eo np e d e s t r i a nh e a di n j u r y t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w s t h a ti n c r e a s i n gb u m p e rh e i g h t ，d e c r e a s i n gb u m p e rs t i f f n e s sa n d l e n g t h ，i n c r e a s i n g e n g i n eh o o dh e i g h ta n da n g l e ，d e c r e a s i n ge n g i n eh o o ds t i f f n e s s ，d e c r e a s i n gv e h i c l e w i n d s h i e l da n g l ea n ds t i f f n e s sc a nc o n t r i b u t et o d e c r e a s et h ea c c e l e r a t i o no f p e d e s t r i a nh e a d ，s ot h a tt h e yc a ne a s ep e d e s t r i a nh e a di n j u r y t h i sp a p e ra l s oi n t r o d u c e san e wk i n do fe n g i n eh o o dd e p l o y m e n td e v i c e t h i s d e v i c ei n v o l v e sas p r i n g - d a m ps y s t e mw h e na n o t h e rh a sn o s p r i n g d a m ps y s t e m t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tb o t ho ft h e mc a l le a s ep e d e 盘r i a nh e a di n j u r y t h e s y s t e mw i t hs p r i n g - d a m ps y s t e mc a nm a k ep e d e s t r i a nh e a da c c e l e r a t i o ns m a l l e rt h a n t h eo n ew i t h o u tt h es p r i n g d a m ps y s t e m w h e ns e n s o rd e t e c t st h a tt h ec r a s hb e t w e e n t h ev e h i c l ea n dp e d e s t r i a nc a n tb ea v o i d e d ，t h es p r i n g d a m ps y s t e mw i l l b e g i nt o w o r k t h es p r i n gc a ne a s et h ec r a s hb e t w e e np e d e s t r i a nh e a da n de n g i n eh o o d t h e d a m p i n gs y s t e mc a nc o n s u m ek i n e t i ce n e r g yo fp e d e s t r i a nh e a da n de n g i n eh o o d ，s o i i t h a ti tc a l lm a k et h ea c c e l e r a t i o no fp e d e s t r i a nh e a dm u c hs m a l l e r t h es i m u l a t i o n r e s u l tp r o v e st h a tt h i ss y s t e mc a nd e f i n i t e l yr e l e a s ep e d e s t r i a nh e a di n j u r y k e y w o r d s ：v e h i c l e p e d e s t r i a nc r a s h ；h e a di n j u r y ；f r o n t a ls t l l j c n l r ep a r a m e t e r ；h e a d a c c e l e r a t i o n ；e n g i n eh o o dd e p l o y m e n t s y s t e m i i i 目录 摘要i a t s l l a c t i i 第l 章绪论1 1 1 研究背景l 1 2 研究意义4 1 3 本文主要工作4 第2 章国内外研究现状6 2 1 关于行人保护的相关法律法规及试验规范介绍6 2 1 1 行人保护相关法律法规6 2 1 2 汽车的行人保护性能试验规范7 2 2 国内外研究现状综述1 0 第3 章头部损伤的流行病学及多体系统动力学简介。1 3 3 1 人体头部结构。1 3 3 1 1 头皮及其附属组织一1 3 3 1 2 颅骨1 3 3 1 3 脑膜1 4 3 1 4 脑组织1 5 3 2 头部损伤的流行病学及评价标准分析。1 8 3 2 1 头部损伤的流行病学介绍1 8 3 2 2 交通事故中常见头部损伤简介2 0 3 2 3 头部损伤的评价2 1 3 3 多刚体系统动力学简介2 3 3 3 1 多刚体系统运动的描述2 3 3 3 2 多刚体系统动力学基本原理2 5 3 4a d a m s 软件介绍2 6 3 4 1a d a m s 软件功能2 6 3 4 2a d a m s 基本模块简介2 7 3 4 3a d a m s 动力学计算方程2 7 第4 章汽车行人碰撞的计算机仿真2 9 4 1 车辆模型的建立。2 9 4 1 1 车辆模型的考量因素2 9 4 1 2 车辆模型的选择和建立3 0 4 1 3 汽车模型相关物理参数的定义3 3 4 2 行人模型的建立。3 4 4 2 1 人体结构尺寸3 4 4 - 3 2 人体惯性参数3 5 4 2 3 行人模型的简化处理3 6 4 2 4 行人模型的建立3 8 4 3 碰撞环境的定义3 8 4 3 1 车辆行驶环境的定义3 8 武汉理工大学硕士学位论文 4 3 2 汽车与行人之间接触力的定义3 9 4 4 模型的验证。3 9 4 4 1 模型验证方法简介3 9 4 4 2 与相关试验数据比较4 0 4 4 3 与假人碰撞试验的对比4 2 4 4 4 与其他软件类似模型仿真数据对比4 3 第5 章行人头部伤害影响冈素分析及改进措施。4 6 5 1 汽车类型对汽车行人碰撞过程的影响。4 6 5 2 汽车前部结构参数对行人头部伤害的影响k 4 7 5 2 1 保险杠高度及伸出长度的影响4 7 5 2 2 发动机罩前缘高度及倾斜角度的影响4 8 5 2 3 保险杠刚度和发动机罩刚度的影响。5 0 5 2 4 前挡风玻璃倾斜角度和刚度的影响5 l 5 3 降低行人头部伤害的防护措施研究5 2 5 3 1 汽车前部结构参数优化对行人头部保护作用的分析5 3 5 3 2 举升式发动机罩系统对行人头部保护的作用分析5 4 第6 章总结与展望。5 8 参考文献6 0 附录a 攻读学位期间发表的论文。6 2 致谓 6 3 i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景 自进入2 1 世纪，中国汽车工业迅速发展，每年以超过1 0 的速度增长，在 2 0 1 0 年，汽车产销量分别达到了双双超过一千八百万辆。据公安部交通管理局 统计，截止到2 0 1 0 年9 月底，我国机动车保有总量达到l 亿9 千多万辆，其中 汽车保有量为8 5 0 0 多万辆。汽车行业的快速发展和汽车保有量的迅速增加，在 一方面极大的方便了人们的生活，使工作和生活更为便捷、高效，但在另一方面， 不仅使城市的交通更加拥挤，更为严重的是增加了交通事故隐患，造成大量的人 员伤亡和经济损失。 交通安全问题是一个全球性的问题，这个问题在我国尤为突出。一方面是由 于我国交通环境复杂，红绿灯、汽车防撞栏等公路交通设施不完善，公路状况较 差，另一方面，也由于我国很多交通道路参与者遵守法规意识淡漠，行人安全防 范意识不高，抢道、强行超车、闯红灯等违章现象时有发生。 据公安部交管局相关统计数据，我国2 0 1 0 年上半年共发生交通事故9 9 2 8 2 起，共造成2 7 2 7 0 人员死亡，受伤人数达到1 1 6 9 8 2 人，直接经济损失超过4 亿 人民币。而在2 0 0 9 年，我国共发生交通事故2 3 8 3 1 5 起，6 7 7 5 9 人在交通事故中 丧生，另有受伤人数2 7 5 1 2 5 人，直接经济损失达9 亿多人民币。如图1 1 示为 我国最近十年的交通事故发生次数和丧生人数统计副。 图1 11 9 9 8 2 0 0 9 年交通事故统计 武汉理工大学硕士学位论文 从图1 1 中可以看出，我国交通事故发生次数在2 0 0 2 年达到一个高峰后，逐 年减少。虽然在交通事故中死亡人数也不断下降，但下降趋势相比于交通事故的 发生次数缓慢很多。这意味着单次交通事故中死亡的人数有增加的趋势。而且， 相比于欧美发达国家，虽然我国机动车辆保有量相对较少，交通事故发生率却居 高不下。如，截止到2 0 0 9 年年底，美国汽车保有量为2 4 亿，但同期美国因交 通事故丧生的人数为3 3 9 6 3 人，仅为我国相应数据的4 5 ；日本截止2 0 0 9 年底 的汽车保有量为8 千万辆左右，而同期日本在交通事故中丧生人数为5 0 0 0 人。 由此可见，我国交通事故人员死伤率较之发达国家要高很多。 行人是交通事故中的弱势群体。表1 1 所示为湖南大学李莉博士对湖南长沙 地区交通事故调查，抽取样本数量为8 3 的统计结果【2 】。图1 2 示为2 0 0 4 年的交 通事故伤亡情况统计结果p j 。 表1 1 道路交通使者在交通事故中伤亡情况统计 脍泛 轻伤重伤死亡 道路使用者 数量 数量 数量 行人 7 08 4 31 87 51 驾驶员 1 01 228 3 乘员33 6 41 6 7 总计 8 31 0 02 41 0 01 图1 2 各种交通方式死亡人数示意 由图1 2 可以看到，在交通事故中死亡人数中，行人死亡人数所占比率超过 了2 5 ，在所有因交通事故中死亡的行人出行方式中排第一位。这说明我国行人 在交通事故中处于弱势地位，是交通事故中需要给予特别保护措施的群体。这一 方面是由于我国道路交通参与者遵章守法意识淡漠，逆行、闯红灯、违法占道等 2 武汉理工大学硕士学位论文 违规事件时有发生，造成了我国交通事故发生次数较多、单次事故致死率较高等 的发生；另一方面，则是由于我国道路交通环境存在缺陷，道路交通设施存在缺 陷，特别是在一些中小城市及经济欠发达地区，混合交通方式广泛存在，行人与 机动车共用一条道路，缺少防撞栏的防护，对行人安全造成了很大威胁。 在交通事故中，行人受到的伤害各种各样，受伤部位从头部到手臂、胸部、 腹部、腿部等都有所案例。人体各部位受伤分布如图1 3 所示1 4 j 。从图中，我们 可以看出，行人最易受伤的部位是腿部( 4 0 ) ，其次为头部( 3 2 ) 。这是因为， 在汽车与行人碰撞的交通事故中，一般为汽车首先撞击行人小腿，然后发动机罩 前端与行人大腿碰撞，继而造成人体倾斜倒向动机罩，行人头部则在惯性力的作 用下撞坏向发动机罩后端、挡风玻璃或者a 柱。 图1 3 行人损伤部位示意图 图1 4 导致行人丧生的损伤部位分布 虽然腿部是交通事故中行人最易受伤的部位，但是行人在交通事故中的丧生 大多不是由于腿部伤害，而是头部的损伤。如图1 4 示为导致行人在交通事故中 丧生的损伤发生部位分布示意图【4 1 。由图中可以看出，头部伤害是行人死亡的首 要因素( 6 4 ) ，这是由于在头部撞向动机罩的过程中，发动机罩下面为发动机 武汉理工大学硕士学位论文 等刚性体，如果在撞击发生前头部速度过大，可以导致发动机罩变形空间不大， 对行人头部造成严重伤害。 1 2 研究意义 相比于欧美发达国家，我国交通事故存在发生次数多、发生率高、死亡率高、 单次事故死亡人数多、行人伤亡率高等特点。公路交通作为现代文明的标志之一， 它所带来的不仅仅应该是快捷，方便，更应该是文明和安全。由于我国的交通安 全还存在很大的不足和进步空间，研究如何降低交通事故中的伤亡率是非常紧迫 和必要的。 首先，本文选择行人保护为研究方向主要是基于我国交通事故的统计情况。 从上文的数据我们可以看出，行人是交通事故中的弱势群体，在我国的交通事故 中，行人伤亡情况占据了所有交通方式的首位。切实提高机动车的行人保护能力， 具有很迫切的现实意义。而且由于现在交通法规和交通设施的完善，汽车与行人 碰撞事故多发于偶然情况，碰撞发生时汽车速度不高，因而提高汽车对行人安全 的保护能力是切实可行的。 其次，行人头部伤害是导致交通事故中行人死亡的主要因素。但是对于汽车 与行人碰撞事故中行人头部伤害发生形式和影响因素的研究还不够深入。对于如 何在交通事故中如何保护行人的头部，尚没有成熟的技术措施。因此，本文从交 通事故中行人头部伤害的形成、发生形式和影响做一系统研究，并从行人头部伤 害因素的研究结果出发，寻求一种可以有效对行人形成保护的装置。 再次，开展行人保护的研究具有深刻的现实意义。我国每年因交通事故造成 的经济损失达到数十亿元人民币，在可以预见的将来，这个数字还有可能增加。 由于我国公路交通设施不完善，混合交通方式广泛存在的现象在短期内难以取得 实质性改观，因而对于行人的保护主要还是集中在机动车的行人保护装置。行人 在交通事故中处于劣势地位，是交通事故中最容易伤亡的群体。提高车辆对行人 的保护能力，可以减少交通事故造成的经济损失和精神损失。 最后，开展行人保护研究，提高车辆对行人的保护能力，也具有深刻的社会 意义。提高对行人安全的关注和开发有效保护行人的装置，是我们社会文明进步 的体现。在我国混合交通方式仍将在可预见的时间内广泛存在的情况下，对道路 交通参与者之一行人的关心就要从汽车本身出发，降低汽车前部结构的刚度，优 化相关结构设计，尽可能降低汽车与行人碰撞过程中的碰撞速度和碰撞力，并提 供有效的缓冲结构，以减轻碰撞对行人造成的伤害，达到保护弱者的目的。 1 3 本文主要工作 本文以多刚体系统动力学为理论基础，以a d a m s 软件为仿真工具，通过对 4 武汉理工大学硕士学位论文 人体头部结构的深入研究，了解外部伤害对头部造成损伤的机理，并根据现阶段 成熟的评估方法，确定撞击速度、加速度等与可能对头部造成的伤害之间的关系； 在此基础上，根据a d a m s 的功能和特点，在a d a m s 中建立符合实际情况的 汽车行人碰撞模型，在验证模型正确性的基础上，研究碰撞速度、撞击位置、 碰撞前汽车与行人相对位置、汽车前部结构参数等对碰撞发生时对行人头部造成 的伤害的影响；并根据此研究结果，寻求改善汽车对行人保护性能的方法，如发 动机罩举升可以起到的保护效果，在发动机罩和车架的连接装置上安装缓冲装 置，以延长缓冲时间，减少行人头部的线性加速度和旋转加速度。 具体来说，本文工作主要如下： 1 ) 第三章，介绍人体头部结构与组成及常见头部外部伤害发展生形式，并 对头部损伤严重程度的评估方法做简要介绍； 2 ) 第四章，在a d a m s 中建立汽车与行人的全尺寸碰撞仿真模型，并验证 模型的正确性； 3 ) 第五章，根据建立的汽车行人碰撞仿真模型，研究碰撞速度、撞击位置、 碰撞前汽车与行人相对位置、汽车前部结构参数等对碰撞发生时对行人头部造成 的伤害的影响；并根据此研究结果，寻求改善汽车对行人保护性能的方法； 4 ) 第六章，总结所取得的成果，并对行人安全保护技术的努力方向做适当 的预期和展望。 式公布。相比于中国和美国，欧洲和日本走在行人保护的前列，他们分别针对道 路交通中的行人保护制定了相关法律法规，并要求汽车生产商生产的产品必须要 达到法规的要求才可上市。国际标准化组织亦对道路交通中的行人保护制订了相 关规范。 2 1 1 行人保护相关法律法规 欧洲最早于2 0 世纪8 0 年代开始关注行人安全。欧盟委员会在2 0 世纪8 0 年 代成立了专门的工作小组e e v sw g l 0 ，该小组针对道路交通中行人安全问题制 订了相关试验规范，包括行人小腿与汽车保险杠、行人大腿与发动机罩前端、儿 童及成人头部与发动机罩碰撞试验规澍副。欧共体( e e c ) 于1 9 9 8 年制订了欧 共体指令：7 4 4 8 3 e e c 指令。该指令主要规定了针对新定型车辆的行人安全保 护性能的试验规范，亦即行人小腿与保险杠撞击、大腿与发动机罩前缘撞击、头 部与发动机罩撞击的试验步骤和要求。该指令要求自2 0 0 1 1 0 起所有的新生产车 辆都要经过该碰撞试验的检验。在2 0 0 5 年欧洲经济委员会( e c e ) 又颁布了 2 0 0 3 1 0 2 e c 法规，该法规分析两阶段执行，其中，第一阶段于2 0 0 5 年1 0 月1 日开始执行，第二阶段于2 0 1 0 年9 月1 日执行。这一指令要求欧盟国家所有新 生产的乘用车都要配备行人保护系统。 日本于2 0 0 3 年开始实施t r i a s 6 3 号法规：行人头部保护基准，它也是日 本新车评价标准的一个独立评价项目。它是参照欧洲行人保护法规制订的，但与 欧洲评价规范略有差异。 国际标准化组织i s o ( i n t e m a t i o n a ls t a n d a r do r g a n i z a t i o n ) 于19 8 7 年成立了 专门的小组( i s o t c 2 2 s c l 0 脶g 2 ) ，研究道路交通中的行人安全问题、行人保 护试验及防护措施研究。该组织在2 0 0 0 年4 月发布i s o t r15 7 6 6 2 0 0 0 s 标准， 它主要规定了行人保护的试验程序和它对相关交通事故中的行人大腿、膝盖及腿 部等人体主要部位碰撞测试的进行了详细的定义和规定，并在这之后发布了i s o 1 4 5 1 3 2 0 0 6 号标准。该标准主要是针对汽车行人碰撞中的头部保护研究规范了 相关试验程序。该试验方法与e e v c 的试验规范比较接近，区别在于两点，其 6 武汉理工大学硕士学位论文 一是对于头部冲击试验采用自由飞行的头部模型，其二其规定头部模型质量为 4 5k g ，而e e v c 规定头部模型质量为4 8k g 。 2 1 2 汽车的行人保护性能试验规范 由于上述试验规范几乎同出一源，只是在具体细节上，考虑到不同的应用情 况而略有差距。而且大多试验规范都来源于欧洲标准。因而本文仅对欧洲经济委 员会制订的2 0 0 3 1 0 2 e c 指令予以详细介绍。 2 0 0 3 1 0 2 e c 指令分为两个阶段实施。两个阶段的实施时间、测试部位和要 求如表2 1 示。第一阶段和第二阶段撞击试验规范的规定如表2 2 和表2 3 所 示。从表中可以看出，从阶段一到阶段二，对行人头部的撞击试验规定更为严格， 撞击速度由9 7m s 提高到1 1 1 m s ，而且增加了成人头部与发动机罩的撞击试验。 表2 - 12 0 0 3 1 0 2 e c 指令简介 实施阶段 实施时间碰撞试验位置 头部与发动机罩 小腿与保险杠 第一阶段 1 0 1 2 0 0 5 大腿与保险杠( 仅对s u v ) 头部与汽车前挡风玻璃( 不强制要求) 大腿与发动机罩前缘( 不强制要求) 头部与发动机罩 小腿与保险杠 第二阶段 0 9 2 0 1 0 大腿与发动机罩前缘 大腿与保险杠( 仅对s u v ) 表2 - 22 0 0 3 1 0 2 e c 指令第一阶段试验规范 撞击位置碰撞速度( m l s )模拟器质量( k g )模拟器动能( j )撞击角度( 。) 行人小腿与 1 1 11 3 48 2 5 保险杠 行人人腿与 发动机罩前缘 2 0 0 - 7 0 0 ( 不强制要求) 儿童头部撞击器 9 7 3 51 6 55 0 成人头部与 挡风玻璃 9 74 82 2 63 5 ( 不强制要求) 行人人腿与 保险杠 1 1 1 9 5 5 8 5 ( 仅针对s u v ) 7 武汉理工大学硕士学位论文 表2 32 0 0 3 1 0 2 e c 指令第二阶段试验规范 撞击位置碰撞速度( m s )模拟器质量( k g )模拟器动能( j )撞击角度( 。) 行人小腿与 1 1 11 3 48 2 5 保险杠 行人大腿与 2 0 0 - j 7 r 0 0 发动机罩前缘 儿童头部撞击器 1 1 12 51 5 45 0 成人头部撞击器 1 1 14 8 2 9 56 5 行人大腿与 1 1 1 9 55 8 5 保险杠 由于本文主要研究交通事故中的行人头部伤害，对于行人腿部的碰撞试验结 果评价不再详细介绍。对于行人头部冲击器的碰撞试验，e u r o n c a p 对碰撞结 果的评价如示表2 4 。具体开展试验时，分别使用儿童和成人头部冲击器对发展 动机罩撞击，根据撞击结果和表2 4 中的评分标准，计算总得分，然后根据总分 就可确定该车辆的行人保护性能星级。 表2 4n c a p 关于头部撞击试验的评分标准 评价标准 碰撞试验 红色( 0 分)黄色( 0 0 l 1 9 9 分)绿色( 2 分) 头部与发动机罩 h i c 13 5 0 10 0 0 h i c l3 5 0h i c 1 时，此冲击就有可能对头部产生伤害。 3 3 多刚体系统动力学简介 多刚体系统动力学理论，以单个刚体为研究基础，以多个刚体组成的系统为 研究对象，是对现实情况的进行适当简化后以达到快速准确求解的理论。现阶段， 在汽车被动安全研究领域，多采用多刚体系统模型模拟计算汽车行人碰撞事故， 这是由于如果采用有限元模型，则人体模型的网格单元个数巨大，计算求解复杂 且周期很长，而且使用多刚体理论方法完全可以得到较为准确的行人头部、胸部、 大腿等部位的合成加速度和受力情况【3 1 1 。 3 3 1 多刚体系统运动的描述 一、单个刚体运动的描述 由于刚体是有质量且不可变形的理想物体，其运动的描述可简化为绕任一点 的平动和转动。为此，对于单个刚体可以引入局部坐标系( x i ，y i ，z i ) ，如图3 9 示， 武汉理工大学硕士学位论文 刚体的运动就可以以该刚体的局部坐标系相对于系统空间的全局坐标系( x ，yz ) 的位置和角度来表达。其中，局部坐标系原点的位置由矢量，：给出，方向则由矩 阵4 ，决定。 y 图3 9 单个刚体运动描述示意图 刚体上任意一点相对于系统坐标系原点的位置可由下式得到： z = 而+ r j ( 扛1 ，2 ，3 )( 3 4 ) 丝f = 4 。五+ 乙( ，= l ，2 ，3 )( 3 5 ) 分别对上式求一阶和二阶导数，就可得出该点的速度和加速度： x ，= 缈f ( 国f x f ) + q x ，+ ，f ( 3 7 ) 对于任一刚体，其受力和力矩都可以简化为一个合力f i 和合力矩t i ，且刚 体所受力、力矩、速度、加速度之间的有如下关系： 仁嚣州q ， 式中：f i 力向量； 鸭刚体质量； 位移向量 t i 相对于惯性中心力矩向量； 以相对于惯性中心的惯性矩； q 角速度向量； 2 4 ， ， 图3 1 0 多刚体系统运动描述 在图3 - 1 0 中，( x ，yz ) 为全局坐标系，( 乞，饶，幺) 为铰接点坐标系，向量，： 和分别表示两刚体局部坐标系相对于全局坐标系的位置向量，办为两刚体铰 接点相对位置向量，c l j 和勺表示铰接点坐标系相对刚体局部坐标的位置向量。 两刚体的位置关系、线速度和角速度可分别表述为： ，：，= l + 勺+ 毛一勺 ( 3 9 ) r j2r t + i c q + du 一j x c f 式中：q 、q 刚体间相对角速度向量 3 3 2 多刚体系统动力学基本原理 一、牛顿第二定律 某刚体质量为m ，则其相对惯性坐标系原点矢量为0 的质点受力为乃： r = m y r ， 二、达朗伯原理 若某质点质量为m ，相对惯性坐标系原点的矢量为0 ，则有： t j r r 七l t = 0 尺约束反力 厂达朗伯惯性力，= 一m ， 武汉理工大学硕士学位论文 三、虚位移原理 对于一个由多刚体组成的系统，该系统达到静平衡的充要条件是作用于该系 统的主动力在任何虚位移上所做功之和为零，即： ( 乃吼) = 0 ( 3 1 3 ) ， 表述为达朗伯拉格朗日原理为： ( ( 乃一；厂) 以) = o ( 3 - 1 4 ) ， 四、虚功率原理、高斯原理 虚功率原理又名若丹原理，表达式为： 艿，若丹速度变分 高斯原理的表达式： ( ( 乃一坍，；，) 8 r ，) = o ( 3 - t 5 ) ， ( ( 一所，；，) 万；，) = o ( 3 - 1 6 ) ， 万，高斯加速度变分 3 4a d a m s 软件介绍 3 4 1a d 舢s 软件功能 作为机械系统动力学仿真软件的杰出代表，a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i c a n a l y s i so fm e c h a n i c a ls y s t e m s ) 软件是由美国m d i 公司( m e c h a n i c a ld y n a m i c s i n c ) 基于多刚体系统动力学理论开发的虚拟样机分析软件，占据大概5 1 的市场 份额姐。 a d a m s 软件由基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块及工具箱等 几大模块组成【3 2 1 。基本模块主要包括a d a m s v i e w 、a d a m s s o l v e r 、 a d a m s p o s t p r o c e s s o r 等组成：扩展模块包括液压震动模块、耐久性分析模块等 等；专业领域模块有轿车模块、铁路车辆模块等等；并提供了与c a t i a 等三维 造型软件有效结合的专业接口模块，使虚拟样机模型的建立更具方便性，因而用 户不仅可以通过基本模块进行一般意义上的虚拟样机仿真，还可以借助扩展模块 或专业领域模块针对特定问题进行快速高效的建模与仿真。 一、a d a m s v i e w a d a m s v i e w 是a d a m s 软件的核心模块之一。它采用交互式图形环境，将 菜单操作、鼠标操作、图形建模、仿真计算及分析、动画显示、结果分析和处理 等等有效结合起来。a d a m s v i e w 采用p a r as o l i d 内核进行实体建模，提供了箱 体、圆柱体、连杆等零件库，旋转铰链、移动铰链、球铰链等约束，力、力矩、 接触等力元库，并支持布尔运算；此外，还提供了丰富的位移函数、速度函数、 接触函数等函数库，极大的提高了建模和仿真的便利性。 a d a m s v i e w 可以在同一窗口内同步显示模型的动画和曲线图；借助 a d a m s v i e w 中的碰撞副，用户可以对具有摩擦的二维点曲线、实体实体等定 义接触力；具有数据库图形显示功能，可以在同一对话窗口内显示模型的拓扑结 构、系统自由度等相关信息：具有精确的定位功能，可以在创建模型过程中输入 对象坐标以精确控制所要建立的模型的位置。 二、a d a m s s o l v e r a d a m s s o l v e r 是a d a m s 系列产品中处于心脏地位的计算仿真工具。它自 动形成虚拟样机模型的动力学方程，提供位移、速度、加速度、反作用力等静力 学、运动学和动力学相关计算结果。 a d a m s s o l v e r 可以对刚体和弹性体进行仿真研究。它采用s 1 2 型积分器 ( s t a b i l i z e di n d e x2i n t e g r a t o r ) ，可根据样机模型的复杂程度调整计算参数，能够 同时求解运动方程组的位移和速度，显著增强了积分器计算的鲁棒性。 a d a m s s o l v e r 还可以将样条数据存储成独立文件以方便其管理。 三、a d a m s p o s t p r o c e s s o r a d a m s p o s t p r o c e s s o r 属于a d a m s 软件的后处理模块。它为用户提供观察 虚拟样机仿真过程所需环境，用户可以向前、向后或中断仿真过程的播放；用户 可以在a d a m s p o s t p r o c e s s o r 中输入试验数据，与仿真结果对比，以验证样机模 型的有效性。a d a m s p o s t p r o c e s s o r 还可以在播放仿真过程的同时，显示曲线的 数据位置，以直观反应运动与参数变化之间的对应关系 a d a m s p o s t p r o c e s s o r 采用快速高质量的动画显示，便于从可视化角度更为 深刻理解设计方案的合理性；具有强大的数据做图、数据处理及结果文件输出功 能；具有丰富的数据处理功能，可以进行曲线的代数运算、反向、偏置等；提供 实时多角度动画与显示，并可将仿真过程录制成视频文件。 3 4 3a d 舢s 动力学计算方程 在