（光学工程专业论文）车辆与行人碰撞中行人下肢损伤防护技术研究.pdf

a s t u d yo ni n j u r yp r e v e n t i o no f l o w e re x t r e m i t i e s i nv e h i c l et op e d e s t r i a ni m p a c t l i y u h u a b e ( c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss 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 m a s t e ro fe n g i n e e r i n g a u t o m o t i v ee n g i n e e r i n g i n t 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 gj i k u a n g m a y , 2 0 1 1 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： 舀多卑 j 日期：夕o ，年j 月声；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 1 、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“ ) 作者签名： 导师签名： 李少年 - 躬i 音厘 f 日期： 2 0 ，1 年岁月2 弓日 日期：2 。1 年t 月乃日 车辆与行人碰撞中行人下肢损伤防护技术研究 摘要 在行人与汽车相撞的交通事故中，由于行人没有保护的空间而具有高度的损 伤风险，因此行人的安全问题以及如何减轻其与车辆发生碰撞时的伤害已经成为 道路交通安全性研究的热点问题。而行人的头部和下肢是最容易受伤的部位，目 前国内外车辆安全专家及其研究人员也对此展开了大量的研究工作。 本文就是基于行人与汽车的碰撞事故，对行人的下肢进行了损伤防护方面的 研究。 本文通过深入的事故调查工作，采集到行人事故重建所需的数据，通过使用 m a d y m o 软件对三个详细针对行人下肢的损伤的案例进行了事故重建，通过比 较下肢损伤参数，行人与车相对位置以及碰撞的痕迹与真实事故的对比，得出重 建结果与真实事故情况相吻合。 通过使用h y p e r m e s h 和l s d y n a 软件，利用有限元方法，根据某款轿车前 部保险杠、发动机罩、前挡风玻璃结构几何形状尺寸建立了行人小腿仿形器与汽 车相碰撞的有限元模型，通过改变缓冲泡沫的材料以及缓冲泡沫的结构，对汽车 前部保险杠进行了行人友好性的设计。 研究结果表明：通过对行人下肢损伤参数，行人与车相对位置以及碰撞的痕 迹与真实的事故的对比，得出重建结果与真实事故情况相吻合，能够有效的模拟 事故碰撞过程，分析事故中的动力学响应，从而证明事故重建仿真的结果是真实 可靠的。同时也表明深入的事故调查所采集到的详细的事故案例信息和损伤信息 对于事故重建的准确性具有重要的作用。在行人友好性保险杠的设计中，原始模 型中输出的膝关节弯曲角度和胫骨加速度较大，所以通过改进缓冲泡沫的结构来 减小各项输出值，因而作者对缓冲泡沫的结构进行了改进，可以看出膝关节弯曲 角度还有一些改进空间，膝关节剪切位移和胫骨加速度都远远小于e u r o n c a p 试验要求的下肢损伤指标的设计准则，有了明显的改进效果。 本文为研究行人与汽车碰撞生物力学问题和开发行人下肢的损伤防护技术， 提供了一种有效的参考方法，也为进一步研究行人与汽车碰撞时，保险杠及汽车 前部结构对行人腿及膝关节和其他部位损伤的影响，提供了可行的方法。 关键词：车辆与行人碰撞；生物损伤力学；下肢损伤；事故重建；保险杠结构 玎 a b s t r a c t i nt h ea c c i d e n t so fv e h i c l et op e d e s t r i a n ，p e d e s t r i a n sb e c o m et ob ev u l n e r a b l e d u et ol a c k i n go fp a s s e n g e rp r o t e c t i o ns p a c e ，a n dh a v eh i g hf r e q u e n c yi n j u r i e s s o t h es a f e t yo fp e d e s t r i a n sa n dh o wt or e d u c et h e i n j u r i e so fv e h i c l et op e d e s t r i a n c o l l i s i o n sh a sb e c o m er e s e a r c hi s s u e si nt h er o a dt r a f f i cs a f e t y b e c a u s et h eh e a da n d l o w e re x t r e m i t i e sa r et h em a i ni n j u r yp a r t s ，e x t e n s i v er e s e a r c h e so nh e a da n dl o w e r e x t r e m i t i e sp r o t e c t i o nh a v eb e e nc a r r i e do u tb ye x p e r t sa n dr e s e a r c h e r si nv e h i c l e s a f e t yb o t hf r o mh o m ea n da b r o a d b a s e do nt h ev e h i c l e p e d e s t r i a nc o l l i s i o n s ，t h er e s e a r c ho np e d e s t r i a n ，sl o w e r e x t r e m i t i e si n j u r yi nt h i sp a p e rh a sb e e np e r f o r m e da n dt h ep r o t e c t i o nm e a s u r e sf o r p r o t e c t i n gt h e mw e r ea l s od i s c u s s e d t h r o u g hi n d e p t hi n v e s t i g a t i o n so fa c c i d e n t s ，w ec o l l e c t e dt h ed a t an e e d e df o r r e c o n s t r u c t i o n t h e n u s i n gt h e s o f t w a r eo fm a d y m o ，w ed i dt h r e ea c e i d e n t r e c o n s t r u c t i o n st h a tw i t hl o w e re x t r e m i t i e s i n j u r i e s b yc o m p a r i n gt h ei n j u r y p a r a m e t e r sa n dt h er e l a t i v ep o s i t i o nb e t w e e np e d e s t r i a na n dv e h i c l ea n dt h et r a c e so f c o l l i s i o n ，w eo b t a i n e dt h ec o n s i s t e n tr e s u l t sb e t w e e nt h es i m u l a t i o nr e c o n s t r u c t i o n s a n dt h er e a la c c i d e n t s u s i n gt h es o f t w a r eo fh y p e r m e s ha n dl s d y n a ，t h ea u t h o rb u i l taf i n i t e e l e m e n tm o d e lo fp e d e s t r i a nl e ga n dt h ev e h i c l ea c c o r d i n gt ot h eg e o m e t r ya n dt h e s i z eo ft h ef r o n tb u m p e r ，t h eh o o da n dt h ef r o n tw i n d s h i e l ds t r u c t u r eo fas e d a n t h e nw ed e v e l o paf r o n tb u m p e rd e s i g no fp e d e s t r i a n f r i e n d l y b yc h a n g i n gt h e m a t e r i a la n dt h es t r u c t u r eo ft h ec u s h i o n i n gf o a m t h es t u d yr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ec o n s is t e n tr e s u l t sw e r eo b t a i n e db e t w e e nt h e s i m u l a t i o nr e c o n s t r u c t i o n sa n dt h er e a la c c i d e n t sb yc o m p a r i n gt h ei n j u r yp a r a m e t e r s a n dt h er e l a t i v ep o s i t i o nb e t w e e np e d e s t r i a na n dv e h i c l ea n dt h et r a c e so f c o l l i s i o n a n dt h a tt h es i m u l a t i o nr e c o n s t r u c t i o n sc a ne f f e c t i v e l ys i m u l a t et h ep r o c e e d i n go f t h ea c c i d e n tc o l l i s i o na n da n a l y z et h e d y n a m i cr e s p o n s eo ft h ea c c i d e n t i ta l s o s h o w st h a ti tw i l lp l a ya ni m p o r t a n tr o l ef o r c o l l e c t i n gd e t a i l e di n f o r m a t i o ni nt h e i n - d e p t hi n v e s t i g a t i o n so fa c c i d e n t st ot h ea c c u r a c yo fa c c i d e n tr e c o n s t r u c t i o n i nt h e f r o n tb u m p e rd e s i g no f p e d e s t r i a n f r i e n d l y ，t h ev a l u e so ft h ek n e e a n g l ea n dt h et i b i a a c c e l e r a t i o ni nt h eo r i g i n a lm o d e lb o t he x c e e dt h el o w e rl i m bi n j u r yc r i t e r i ai nt h e e u r o n c a p s ow em a k eg r e a te f f o r t st or e d u c et h eo u t p u tv a l u e so ft h e mb v i i i c h a n ，g i n g t h em a t e r i a la n dt h es t r u c t u r e 。f t h ec u s h i o n i n gf o a m f r o mt h er e s u l t si t ? b 气姐掣m e r “s s o m e r 0 0 m f o ri m p r o v e m e n ti nt h ek n e e b e n d i n ga n g l e , a n d ：= h e v a l u e s0 fm e k n e e s h e a r d i s p l a c e m e n ta n d t i b i aa c c e l e r a t i o na r ef a rl 三s s t h a nt h e 1 0 w e re x r e m i t yi n j u r yc r i t e r i a t h e r ec o u l db ea g r e a ti m p r o v e m e n t j n l s s t u d yp r 0 v i d e sa ne f f e c t i v e a p p r o a c ha n ds i m u l a t i o nm e t h o df o r r e s e a r c h o n1 n j u r yb l o m e c h a l l i c sa n dd e v e l o p m e n to f p r o t e c t i o nm e a s u r e sf o rp e d e s t r i a l ll o w e r ：x t r e m i t i e s i t a l s 。p r o v i d e saf e a s i b l em e t h 。df o rf u r t h e r s t u d yo ft h ei n j u r i e so ft h e k e yw 。r d s ：v e h i e l e 。p e d e s t r i a n c 。l l i s i 。n s ；i n j u r yb i o m e e h a n i c s ，l 。w e re x t r e m i t i e s i n j u r y ；a c c i d e n t r e c o n s t r u c t i o n ，b u m p e rs t r u c t u r e i v 硕士学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪 论1 1 1 选题的背景及意义1 1 2 国内外行人安全问题研究现状3 1 3 行人保护法规介绍4 1 3 1e e v c 法规介绍4 1 3 2e u r on c a p 介绍5 1 3 3 日本行人法规6 1 3 4g t r 法规介绍6 1 4 行人保护的研究方法7 1 4 1 实验研究方法7 1 4 2 计算机模拟研究方法8 1 5 本课题研究的目的及主要内容8 1 6 本章小结9 第2 章人体损伤生物力学1 0 2 1 损伤生物力学介绍1 0 2 2 损伤生物力学的研究方法l l 2 3 人体下肢解剖学结构1 2 2 3 1 下肢带骨1 2 2 3 2 自由下肢骨1 3 2 4 人体下肢的损伤机理1 5 2 4 1 大腿损伤1 6 2 4 2 膝部损伤1 6 2 4 3 小腿损伤l7 2 5 人体损伤的耐受限度1 8 2 5 1 头部损伤耐受度1 8 2 5 2 胸部损伤耐受度1 8 2 5 3 颈部损伤耐受度1 9 2 5 4 下肢损伤耐受度1 9 v 车辆与行人碰撞中行人下肢损伤防护技术研究 2 6 人体损伤评价标准2 1 2 6 1 人体损伤评价标准的分类2 1 2 6 2 损伤评分方法2 l 2 7 本章小结2 3 第3 章基于行人事故的下肢损伤的重现研究2 4 3 1 行人事故的事故调查研究2 4 3 1 1 行人事故调查信息一2 4 3 1 2 事故的来源2 5 3 2 重建工具m a d y m o 软件介绍2 5 3 2 1 多体体统一2 6 3 2 2 有限元模型2 6 3 3 行人事故的重建2 7 3 3 1 行人事故信息描述2 8 3 3 2 仿真模型的建立3 1 3 3 3 分析结果与讨论3 5 3 4 本章小结一3 9 第4 章基于行人下肢损伤防护的保险杠结构的改进4 0 。4 1 j j i 言4 0 4 2 仿真模型的建立4 0 4 2 1 汽车模型的建立4 0 4 2 2 下肢冲击器有限元模型4 1 4 3 研究的方法4 4 4 3 1 碰撞位置的选择4 4 4 3 2 缓冲材料的选择4 5 4 3 3 改进缓冲泡沫的结构4 5 4 4 结果分析与讨论4 6 4 4 1 中心轴线处的仿真结果j 4 6 4 4 2 吸能盒处的仿真结果4 7 4 4 3 改进缓冲泡沫结构的仿真结果4 8 4 4 4 分析与讨论4 9 4 5 本章小结4 9 总结和展望5 0 参考文献5 2 致谢5 6 附录a 攻读学位期间发表的学术论文目录5 7 v i 硕士学位论文 第1 章绪论 近几年来，随着人们生活水平的提高，人们对汽车的需求也越来越多，而 汽车消费的增多，交通事故的发生率也是逐年的增大，因此人们对于汽车的安 全性的要求也越来越高【l 】。汽车安全包括主动安全和被动安全，前者是指汽车在 形式过程中避免发生或减少意外事故的能力；后者是指汽车当一旦出现意外事 故时对车内乘员和车外行人进行有效保护的能力。通俗地讲，主动安全性就是 要做到汽车在行使时“有惊无险”，而被动安全性则要做到一旦汽车发生事故时能 够“车毁人不亡”。由于在中国，有很多的像行人、骑自行车人等易受伤害者，他 们属于道路交通中的高危人群，每年约有7 5 以上的死亡人数为交通使用弱者。 因此如何保护行人的安全以及减轻其与车辆发生碰撞时的伤害已经成为各国道 路交通安全性研究的热点问题。 1 1 选题的背景及意义 目前人们对于汽车发生交通事故时乘员的防护已经有了几十年的研究，取 得了丰硕的成果，通过采取措施包括改进汽车车身结构的设计以便使其吸收更 多的能量，以及安装了安全带和安全气囊等措施来保护车内的乘员，同时也进 行了有关生物损伤力学的研究，保护的效果显著，挽救了很多乘员的生命。然 而交通事故中，行人因为没有保护空间而具有高度的损伤风险，属于道路使用 者中的易受伤害人群。据统计，在行人与汽车碰撞的交通事故中，行人汽车发 生正面碰撞的概率占6 8 5 8 0 2 ，而且大多数行人是被汽车保险杠侧面碰撞 的，往往是行人头部和下肢受到损伤。碰撞后人体下肢包括膝关节的受力、变 形和加速度等特性对被伤害者的运动轨迹和发生“二次碰撞”后身体其他部位例 如头部、骨盆和腹部等遭受的伤害程度有很大影响。 行人安全这一名词一开始是由美国6 0 年代提出来的，到了2 0 世纪9 0 年代 末时欧洲大幅度推广，到2 0 1 0 年时欧盟全面实施了其于2 0 0 3 年颁布的行人保 护法规，此时将把行人保护推上了一个新的高度，世界各国也都开始重视向人 安全的研究。我国改革开放前，因为行人没有保护的空间，交通事故的伤害者 主要是行人。改革开放后，随着道路设施条件的完善，高速公路数量不断扩大， 乘员受伤害的比例却不断上升。这个时期，行人伤害的比例虽然有所下降，但 行人伤害者的人数却在迅速增加。因为行人事故的高频率性及损伤的严重性， 行人保护早在上世纪7 0 年代就在碰撞安全领域就引起了广泛的关注。近几年来， 行人交通损伤的防护已经成为了世界各国车辆安全领域关注的热门。 车辆与行人碰撞中行人下肢损伤防护技术研究 2 0 世纪7 0 年代以后，尽管全球范围内行人占道路交通易受伤害者的比例逐 渐下降，但是行人伤亡的比重较大，还大约占交通事故总伤亡率的2 0 。在我 国行人和汽车事故在所有的道路交通事故中占有较大比例。表1 1 是2 0 0 1 年到 2 0 0 8 年行人伤害人数和百分比【2 1 。 表1 12 0 0 1 年到2 0 0 8 年行人伤害人数和所占百分比 表1 2 行人与汽车前部碰撞的身体部位的损伤分布百分比( ) 【3 】 从表1 1 可以看出在我国开展行人保护研究具有十分重要的意义。根据欧洲 车辆安全委员会( e e v c ) 对行人伤害事故统计数据可知，在行人与车辆的碰撞 过程中，头部伤害和腿部伤害的比例分别为3 1 3 和3 2 4 【4 1 ，从表1 2 和表1 3 中也可以看出头部和腿部是行人受伤害最频繁的部位。行人头部伤害是导致行 人死亡的主要原因，而腿部伤害特别是膝关节伤害将给受害人以后的生活带来 很大的不便，有的甚至造成人的终生残疾或丧失工作能力。事故的伤亡和事故 现场的抢救以及伤亡的善后处理等，使得生产力和劳动力造成了巨大的损失， 也给国家造成巨大的社会经济负担【5 j 。 因此研究汽车行人碰撞事故中行人下肢损伤防护技术，改进汽车安全性结 构设计，对行人腿部伤害机理和防护方法的分析研究，在当前中国具有重要的 2 硕士学位论文 经济及社会意义。 1 2 国内外行人安全问题研究现状 交通事故给人类社会带来的危害是不言而喻的。因此如何减少交通事故， 如何降低交通事故给人们所造成的损失就成了大家重点关注的问题。为了解决 这一问题，各国家之间也都在加强了国际间的交流与协作，以便更科学地、更 有效地减少交通事故给人们日常生活带来的伤害。作为减少交通事故，降低事 故损失的有效手段之一的汽车安全性的研究已经越来越受到世界各国的广泛关 注，各国同样也都在关注行人安全问题。在我国，由于道路密度低；人、车平 均道路少，道路等级较低；人口和自行车较多：混合交通占据较大比重等原因， 行人的受伤比例一直很大。虽然经过很多年的治理和改造，混合交通的比例逐 渐下降。产生的交通事故也逐年减少，但其绝对数值仍然很大，仍然是交通事 故发生的主要原因。 从上世纪6 0 年代开始，国外汽车专家在行人保护领域就开展有大量的研究。 为了提高汽车的安全性，各发达国家先后制定和实施了相应的法令和法规，可 以说，欧洲各国是实施与车辆相关的法规较早的国家。英国从1 9 2 9 年开始实施 “道路车辆照明法”，1 9 3 1 年开始实行“汽车构造和使用”法规。德国于1 9 5 2 年公 布了包含汽车及其零部件安全法规的道路交通法【3 】。第二次世界大战后，欧洲各 国为了消除贸易的壁垒，大力的推行法规的国际化，统一制定了e e c ( 欧洲经 济共同体) 指令和e c e ( 联合国欧洲经济委员会) 法规，前个指令是强制性的， 后个指令是成员国任意选用的。日本也是制定汽车法规最早的国家之一，1 9 5 1 年颁布了“道路运输车辆法”，确立了道路车辆的法律体系，对生产的汽车实行了 定期的检查和认证。澳大利亚于1 9 6 8 年制定了有关方面的法规( a d r ) 。我国从 2 0 世纪5 0 年代末开始制定汽车专业标准，2 0 世纪7 0 年代末和8 0 年代初对老 标准进行了修改，还制定了一些新的标准。 近年来国外在行人保护方面进行了许多研究工作，并取得了一定的成果。 国外的研究成果表明，对汽车某些结构进行合理的改进可以有效地提高行人的 安全保护。对行人损伤有关的机理研究，欧共体法规7 4 4 8 3 e e c 草案的修订稿 提出了大家认可的、比较有效的检验汽车前部行人安全性能的方法【3 1 。该指令于 1 9 9 8 年1 0 月生效，并用于新车定型实验，从2 0 0 1 年1 0 月起适用于上路以后的 车辆。1 9 8 7 年欧共体所属的欧洲试验车委员会成立了工作组w g l 0 ，负责行人保 护指令中下肢模型试验的评价工作，于1 9 9 4 年1 2 月提交了一个评价汽车前部 结构与行人碰撞的推荐的试验方法。1 9 9 4 年以后，e e v c 又成立了行人安全工 作组w g l 7 ，继续对w g l 0 之前提出的试验方法进行对比，新的研究工作综合包 括了事故的统计，生物力学原理和试验方法等，于1 9 9 8 年1 2 月提出了改进后 3 车辆与行人碰撞中行人下肢损伤防护技术研究 的试验方法。我国在汽车被动安全性方面，清华大学汽车工程系于1 9 9 0 年之前 开始酝酿汽车被动安全性的研究工作，并于1 9 8 8 年从国外购置了h y b r i d i i 型假 人，之后建立了简易的碰撞试验系统，开展了图像分析、模拟计算以及事故调 查与分析等研究工作。此外，1 9 9 6 ，年湖南大学汽车工程学院成立了计算机仿 真试验室，主要研究汽车碰撞模拟计算方法。 1 3 行人保护法规介绍 行人碰撞保护方面的研究是目前汽车安全性研究的最新领域，其主要的研 究方法分为试验和计算机模拟两方面。由于对行人的保护方面的研究还处于起 步的阶段，行人保护法规的实施还需要相当长的时间。国外包括欧盟、美国、 澳大利亚、加拿大、日本和韩国等国家在行人保护方面做了大量的研究，并将 研究成果最终体现在法规的制定中，因此，研究各国法规的发展对我国开展行 人保护的工作具有重要的指导作用。目前在行人碰撞保护方面只有欧洲和日本 的法规进行评价，因此该部分我们主要介绍欧洲和日本以及全球性的法规的试 验条件及其比较。 1 9 8 7 年欧共体所属的欧洲车辆委员会( e e v c ) 成立了工作组w g l 0 ，负责行 人保护指令中肢体模型试验的评价研究，于1 9 9 4 年1 2 月提交了一个评价汽车 前部表面与行人碰撞的推荐试验方法。1 9 9 4 年以后，e e v c 又成立了行人安全 工作组w g l 7 ，继续对w g l 0 提出的试验方法进行分析研究，新的研究工作综合 考虑了事故统计，生物力学和试验分析领域中的新发现和新技术的应用，于1 9 9 8 年1 2 月提出了改进后的试验方法。目前，该试验方法已经被世界各国普遍采用， 该试验方法主要包括以下几个试验【3 】： ( 1 ) 腿部模块和保险杠的碰撞试验；试验主要测量膝关节弯曲角度、膝关节 剪切变形和小腿上部加速度等参数。 ( 2 ) 大腿模块和发动机罩前端的碰撞试验：试验主要测量碰撞力和弯矩。 ( 3 ) 头部模块和发动机罩上表面的碰撞试验。试验主要测量头部损伤评价标 准h i c 。试验要求每个头部模块在被认为是最容易造成伤害的部位进行9 次试 验。 行人碰撞模拟试验由于目前并没有专门的行人碰撞试验假人，e e v c 提出了 基于子系统试验( 子系统试验是指采用单独的试验部件冲击器对车身前部的典 型部位进行碰撞的试验) 或部件试验的试验程序，来评估车身在行人碰撞保护 方面的相关性能。 1 3 1e e v c 法规介绍 欧洲经济委员会于2 0 0 3 年颁布了“d i r e c t i v e2 0 0 3 1 0 2 e c ”行人碰撞法规，指 4 硕士学位论文 出该法规分两阶段执行，第一阶段由2 0 0 5 年1 0 月1 日开始，第二阶段开始于 2 0 1 0 年9 月1 日开始。2 0 0 9 年，欧盟颁布了新法规“r e g u l a t i o n ( e c ) n o 7 8 2 0 0 9 ”，新法规替代了“d i r e c t i v e2 0 0 3 1 0 2 e c ”和“2 0 0 5 6 6 e c ”，解决了两 项法规的统一性难题，同时指出“d i r e c t i v e2 0 0 3 1 0 2 e c ”中规定的第2 阶段行人 保护的要求是不可行的，提出了新的法规标准要求【6 】。 第一阶段的试验方法和要求如表1 2 所示： 表1 2e e v c ( 2 0 0 5 ) 的试验条件及限值 第二阶段的试验方法和要求如表1 3 所示，与第一阶段的相比增加了成人头 部的测试内容，并且试验方法和要求更加严格，具体试验方法和要求如下：4 范 围：总重在2 5 0 0 k g 以下的m 1 ，n 1 类车辆。 表1 3e e v c ( 2 0 1 0 ) 的试验条件及限值 1 3 2e u r o n c a p 介绍 e u r o n c a p ( 欧洲新车安全评鉴协会) ，是汽车界最具权威的安全测试机构， 由欧洲五个国家倡导并于1 9 9 7 年创建。该协会是结合了欧盟组织、专业学者以 及高科技的工程师所成立的专业安全评鉴组织。协会规定凡在欧洲销售的新车， 均需将销售的车款提供给e u r o n c a p 进行碰撞测试，通过e u r o n c a p 专业且极 为严格的安全鉴定，以及6 4 k m h 速度的正面撞击和5 0 k m h 速度的侧面撞击测 试结果，提供给欧洲消费者，作为他们购车选择的参考依据。e u r o n c a p 自19 9 7 年成立以来，陆续已测试过了超过1 6 5 款欧洲畅销车款。该协会定期发布市场 上销售的车型碰撞结果，并作出交通事故和伤亡数据统计分析，向汽车生产企 5 车辆与行人碰撞中行人下肢损伤防护技术研究 业提供指导和改进建议。碰撞测试结果分一到五星级( 五星级最高) 。测试项目 主要包括正面撞击、侧面撞击、侧面圆柱体撞击、对行人的保护能力以及对车 内儿童的保护。 欧洲新车安全评鉴协会e u r o n c a p 早在2 0 0 3 年就将行人保护作为新车星级 评定的一项内容，其试验条件比“d i r e c t i v e2 0 0 3 1 0 2 e c ”更为严格，是目前最为 严格的行人保护评价体系【6 1 。试验方法和限值如表1 4 所示： 表1 4e u r o o n c a p 的试验条件及限值 1 3 3 日本行人法规 行人保护是日本j - n c a p 中一个独立的评价项目，它于2 0 0 3 年开始实施， 是按照欧洲行人保护法规制定的，但是日本的评价体系与欧洲的评价体系稍有 不同。由于日本每年的碰撞事故中行人伤害的比重是3 0 ，而在这3 0 的行人 中超过6 0 的行人死于头部伤害，日本的j - n c a p 只评价行人的头部伤害。该标 准规定，从2 0 0 5 年起，所有新生产的乘用车和小型卡车需要满足该标准，从2 0 1 0 年起，所有在用的乘用车和小型卡车需要满足该标准。下面介绍日本行人头部 保护的试验方法，头部试验条件如表1 5 所示。 试验过程中，头部伤害指标限制在整个碰撞伤害区域值：l 3 的区域 h i c 2 0 0 0 ：2 3 的区域h i c 1 0 0 0 。 表1 5j - n c a p 的试验条件及限值 6 硕士学位论文 1 3 4g t r 法规介绍 g t r 法规的名称为关于机动车碰撞时对行人及弱势道路使用者加强保护 和减轻严重伤害的认证统一规定。法规适用于最大设计质量大于5 0 0 k g 的m 1 类车辆，最大设计质量大于5 0 0 k g 且小于4 5 0 0 k g 的m 2 类车辆，以及最大设计 质量大于5 0 0 k g 且小于等于4 5 0 0 k g 的n 类汽车可参照执行。试验内容分为：成 人头部撞击、儿童头部撞击、上腿型撞击和小腿撞击。其试验条件和限值如表 1 6 所示。 表1 6g t r ( 2 0 1 3 ) 法规的试验条件及限值 1 4 行人保护的研究方法 行人安全的研究方法包括假人实验、尸体实验、事故重建、事故数据分析 和计算机仿真研究。目前，行人保护的研究方法主要有实验和仿真两种。实验 方法可用于分析碰撞事故的动力学过程，但成本太高，实验的重复性不高。仿 真方法通过建立数学模型来模拟碰撞过程，随着计算机技术的发展，计算机模 拟在工程辅助分析中占有越来越突出的地位。以适当的理论建立人体和车辆的 计算模型，可以在计算机中模拟的呈现行人和车辆的碰撞的各种情况，从而全 方位的了解行人在碰撞中的运动以及伤害情况；而且采用计算机模拟具有很好 的可重复性，成本较低，并且精确的数学模型仿真结果接近现实碰撞过程，是 目前研究行人和汽车碰撞的比较有效的分析方法1 3 j 。 1 4 1 实验研究方法 目前，研究行人与汽车碰撞安全的研究方法有两种：一种是利用实车与实 验用行人假人进行碰撞实验，称为假人模型试验。由于早期没有专门的行人碰 撞假人，通常使用车内正面碰撞的实验假人，但是此假人不能很好的模拟真实 路面上的行人，因而与预期结果相差较大，目前很多公司也都在研究开发与真 实的行人生物拟合度较高的行人假人。由于假人模型试验的可重复性低，不能 很好的模拟真实的行人，而且实验成本较大，所以该方法目前多用于与计算机 仿真进行对比分析，不适用于对汽车与行人的碰撞安全性研究。另一种是部件 模型试验。行人碰撞模拟试验由于目前并没有专门的行人碰撞试验假人，e e v c 提出了基于子系统试验( 子系统试验是指采用单独的试验部件冲击器对车身前 7 车辆与行人碰撞中行人下肢损伤防护技术研究 部的典型部位进行碰撞的试验) 或部件试验的试验程序，来评估车身在行人碰 撞保护方面的相关性能3 1 。冲击器代表了行人身体最容易受到伤害以及伤害最严 重的部位，并具有与行人相应身体部位类似的生物力学特性，分为成人和儿童 头部冲击器、腿部冲击器以及大腿冲击器。 小腿冲 击器 图1 1e e v c 行人保护试验系统中的各种冲击器以及冲击的车体部位 1 4 2 计算机模拟研究方法 采用计算机模拟作为一种分析手段用于汽车产品设计和安全性分析，能够 部分代替汽车碰撞试验，从而提高效率、降低开发成本、缩短开发周期，已经 被公认为一种高效而经济的方法。采用计算机模拟可以在设计阶段时进行当前 实车实验手段无法完成的碰撞形式的分析研究，全面的发现并解决问题，缩短 了开发周期，降低了研究的成本；此外，汽车的零部件繁多，结构复杂，很难 得到汽车中关键零部件的应力变形情况，而计算机模拟则可以顺利的得到各部 件的变形情况，从而也可以为设计人员提供大量有利的参考数据，方便设计人 员设计出更为安全性的汽车。 目前，关于行人碰撞保护模拟所采用的理论主要有多刚体动力学理论和有 限元理论，所采用的计算模型分别为行人多刚体模型和行人有限元模型。采用 多刚体计算模型所具有的优点是计算模型的建立比较方便，工作量小，计算时 间比较快捷，可以高效的了解行人的运动情况，但是对行人具体伤害的情况掌 握的却比较困难。有限元模型则可以精确地获得行人不同身体部位的伤害情况， 从而更准确地评价车辆在行人安全保护中的性能。但是人体有限元模型的建立 十分复杂，往往涉及到生物力学和人机工程学等领域的复杂理论和试验数据， 工作量较大，而且计算的时间也比较长。 1 5 本课题研究的目的及主要内容 本文旨在通过改进仿真模型，用改进后的行人模型作为汽车前部结构参数 8 硕士学位论文 对人体下肢损伤影响的分析工具，基于欧洲法规的试验要求，讨论人一车碰撞 的行人下肢损伤防护技术。 针对目前国内外汽车与行人碰撞安全性研究的现状，本文研究的主要内容 包括： ( 1 ) 进行了大量的文献研究，阅读了大量的损伤生物力学方面的文献和资料， 积极参加国际学术会议( t h ef o r u mo fa u t o m o t i v et r a f f i cs a f e t y ) 两次，了解了国 内外汽车安全方面的研究现状和方法，为开展本文的研究工作奠定了基础。 ( 2 ) 通过文献研究，了解到目前国内外汽车安全问题研究现状及其国内外关 于行人安全问题的研究方法，同时对各国目前采取的行人保护的法规进行了介 绍，为我国制定行人保护的法规提供了参考。 ( 3 ) 基于大量文献的研究之后，对损伤生物力学和下肢损伤进行了研究工作， 总结了生物损伤的类型，生物损伤的机理，生物损伤耐受限度，生物损伤的评 价标准及其方法，为下肢损伤防护的开展提供了参考依据。 ( 4 ) 通过使用m a d y m o 软件对详细的案例进行了事故重建，由于本文是关 于研究行人下肢损伤防护的，故只选取了三个有行人下肢损伤的案例进行了事 故的重建。通过比较下肢损伤参数，行人与车相对位置以及碰撞的痕迹与真实 的事故对比，得出重建结果与真实事故情况相吻合。 ( 5 ) 根据国外某款车型，探讨了面向行人安全的保险杠设计方法。以 e u r o n c a p 试验要求的下肢损伤指标为设计准则，经大量的仿真分析研究，尝 试了9 种缓冲泡沫的材料，最后找到一种相对来说比较理想的缓冲材料e p p 。 通过改进缓冲泡沫的结构也得到了较明显的改进效果。 1 6 本章小结 本章主要介绍了选题的背景及其意义，可以看出在我国研究汽车行人碰撞。 事故中行人下肢损伤防护技术，改进汽车安全性结构设计，对行人腿部伤害机 理和防护方法的分析研究，在当前中国具有重要的经济及社会意义。同时也介 绍了目前国内外对汽车安全问题以及行人安全的研究现状，了解到行人安全问 题已经成为世界关注的一个主要的问题，各国之间也都在寻求国际之间的合作 共同