（车辆工程专业论文）汽车侧碰撞中三岁儿童乘员的动力学响应和损伤防护研究.pdf

硕士学位论文 摘要 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。 w i l l i a m s o ne ta l ( 1 9 9 5 2 0 0 0 ) 的有关研究表明：在美国3 4 岁的受伤儿童乘员 占整个受伤儿童乘员的4 5 5 。在侧碰撞中，由于被撞车门的侵入而产生的 直接载荷，使坐在靠近碰撞侧的儿童乘员受到严重损伤和致命损伤的风险大 大提高。因此，为了提高我国儿童尤其是初学走路的儿童乘车的安全性，开展对 侧面碰撞中三岁儿童乘员损伤防护的研究具有重要意义。 本文的目的是通过建立并验证的儿童约束模型及后车门总成模型，运用p s m 子结构法来研究汽车侧面碰撞中三岁儿童乘员的动力学响应及其损伤机理，从而 为提高我国儿童乘员乘车的安全性及其损伤防护提供一个有效的方法和手段。 用多刚体动力学仿真模块m a d y m o 和有限元模块耦合的方法建立后车门总 成模型和儿童约束系统模型，并对上述模型根据试验进行了验证，并在此基础上 研究了儿童约束系统的相关设计参数对儿童乘员响应的影响。 用多刚体动力学仿真的方法建立了五点式儿童座椅安全带、配有碟形防护扶 手的“三点式儿童座椅安全带和t 形防护板与肩部织带组合式的儿童座椅安全 带仿真模型，并在不同的碰撞速度下对这三种形式的儿童座椅安全带对三岁儿童 乘员的运动学、动力学响应进行了对比分析，从而对不同形式的儿童座椅安全带 对儿童乘员损伤保护效果做出初步的评价。 本论文仿真分析研究工作可得到如下主要结论： ( 1 ) 儿童安全座椅侧翼的深度、儿童座椅安全带开孔位置、儿童座椅安全带刚 度、儿童座椅与成人座椅之间的摩擦系数和儿童乘员与儿童安全座椅之间的摩擦 系数这五个参数对儿童乘员响应的影响比较大，适当地调整这些设计参数可以降 低儿童乘员在侧面碰撞中的受伤几率。 ( 2 ) 配有碟形防护扶手的“三点式 儿童座椅安全带对儿童乘员的保护效果最 好，“五点式 儿童座椅安全带次之，t 形防护板与肩部织带组合式儿童座椅安全 带的保护效果最差。 本文的研究结果对国内的儿童乘员损伤研究和损伤防护技术的开发具有一定 的参考价值。 关键词：侧面碰撞；三岁儿童乘员；损伤防护研究；儿童约束系统 a b s t r a c t i nv e h i c l ea c c i d e n t ，t h ec a s u a l t y sr a t eo fc h i l d r e ni nc h i n ai sa b o u t2 5t i m e s0 f e u r o p e a na n d2 6t i m e s0 ft h eu n i t es t a t e s a c c o r d i n gt oas t u d yd o n eb yw i l l i a m s o n e ta 1 ( 1 9 9 5 2 0 0 0 ) ，c h i l d r e ni nt h e3 4y e a r sa g eg r o u pa c c o u n tf o rm o r ep a s s e n g e r f a t a l i t i e s ( a p p r o x i m a t e l y4 5 5 ) t h a na n yo t h e ra g eg r o u p ：b e c a u s eo c c u p a n t s s e a t e d o nt h es t r u c ks i d eo fav e h i c l ei nas i d ei m p a c tc o l l i s i o n ( i e ，n e a r s i d eo c c u p a n t s ) a r ea tt h eh i g h e s tr i s ko fs e r i o u sa n df a t a li n ju r i e sb e c a u s eo fd i r e c tl o a d i n gb yt h e s t r u c kd o o r i no r d e rt oi m p r o v et h es a f e t yo ft o d d l e ri nc a r ，t h er e s e a r c ho n 3y e a r so l d c h i l do c c u p a n t s i n ju r ya n dp r o t e c t i o ni ns i d ei m p a c th a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e t h ea i mo ft h i sp a p e ri s t od e v e l o pa n dv a l i d a t et h ec r s ( c h i l dr e s t r a i n t s v s t e m ) m o d e la n dt h er e a rd o o ra s s e m b l ym o d e l a p p l y i n gp s m ( p r e s c r i b e ds t r u c t u r e m o t i o n 、s u bs t r u c t u r em e t h o dt os t u d yt h e3y e a r s0 l dc h i l d0 c c u p a n t s d y n a m i c r e s p o n s ea n di n j u r ym e c h a n i s mi ns i d ei m p a c t s oi tc a np r o v i d ea ne f f e c t i v em e t h o d t o i m p r o v et h es a f e t yo fc h i l da n di n j u r yp r e v e n t i o n t h ec r sm o d e la n dt h er e a rd o o ra s s e m b l ym o d e lw e r ed e v e l o p e db ym e a n so f d v n a m i cs i m u l a t i o no fm u l t i - b o d yc o u p l i n gw i t hf i n i t e e l e m e n tm e t h o d t h ew h o l e s i m u l a t i o nm o d e lw a sv a l i d a t e d i na c c o r d a n c ew i t ht e s t o nt h eb a s eo fm o d e l v a l i d a t i o n ，t h ep a p e fa n a l y s i s e dt h ei n f l u e n c eo fr e l e v a n tp a r a m e t e r so ft h ec r so n c h i l d r e no c c u p a n t t h ep a p e rd e v e l o p e d5 一p o i n tr e s t r a i n t ，t h et r a ys h i e l dr e s t r a i n ta n dt h et s h i e l d r e s t r a i n tm o d e l b yc o n t f a s ta n a l y s i st h e3y e a r s0 l dc h i l do c c u p a n t s k i n e m a t i c r e s p o n s ea n dd y n a m i cu s i n gt h et h r e ek i n d so fc r s a td i f f e r e n ti m p a c tv e l o c i t y ，t h e p r e l i m i n a r ye v a l u a t i o no ft h ed i f f e f e n tc h i l ds e a tb e l tp r o t e c t i o ne f f e c to nt h ec h i l d r e n o c c u p a n tw a s o b t a i n e d t h er e s u l t so ft h er e s e a r c ha sf 6 u o w s - f 1 ) t h ed e p t ho fc h i l d s e a ts i d ew i n g 、t h ep o s i t i o no f c h i l d s e a ts e a t b e l t 、t h e s t i f f n e s so fc h i l d s e a ts e a t b e l t 、t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n tb e 俩e e nc h i l d s e a ta n db e n c h 、m e f r i c t i o nc o e f f i c i e n tb e t w e e nc h 订dd u m m ya n dc h i l d s e a th a si m p o r t a n ti n n u e n c eo n c h i l d r e no c c u p a n td y n a m i cr e s p o n s e b ya d j u s t i n gt h ed e s i g np a r a m e t e r so fc r s c o u l d r e d u c et h er i s ko fc h i l d r e no c c u p a n t si ns i d ei m p a c t ( 2 ) t h et r a ys h i e l dh a r n e s sh a st h eb e s tp e r f b r m a n c e o fp r o t e c t i o nf b rc h i l d o c c u p a n t s ，t h ef i v e p o i n th a r n e s si sb e t t e r ，a n dt h et - s h i e l dh a r n e s si sp o o r 硕士学位论文 t h er e s e a r c hr e s u l t sh a dr e f e r e n c ev a l u eo nc h i l d r e no c c u p a n t s i 1 1 j u r ya n d t e c h n o l o g yo fi n j u r yp r e v e n t i o ni nc h i n a k e yw o r d s ：s i d ei m p a c t ；3y e a r so l dc h i l do c c u p a n t s ；i n j u r yp r e v e n t i o n ；c r s 烈 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： 高伟 日期：j 彩年玉月乎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 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：高律了 刷磁名才为汤 ，kl u | 、 日期：文g 年j 月a 7 日 日期：0 回g 年工月争_ 7 日 硕士学位论文 第1 章绪论 汽车安全、节能和环保问题已成为当今汽车工程领域三大具有重要社会、经 济意义的研究热点，并且得到了有关政府部门的高度重视。汽车安全性可分为主 动安全性和被动安全性两大类，其中主动安全性是指汽车避免发生意外事故的能 力；被动安全性，则是指汽车在发生意外事故时对乘员进行有效保护的能力。通 俗地讲，主动安全性就是要使汽车在行驶时“有惊无险 ；而被动安全性则要做到 汽车发生事故时“车毁人不亡 。 汽车安全性问题自汽车诞生以来就存在，但在早期由于车速不高，交通事故 发生率相对较低因而汽车安全未引起人们的重视。随着汽车保有量的日益增加， 并且为了适应人们节省时间、追求效率的需要，汽车的速度也在不断提高，这样 就不断增大了汽车的不安全因素。随着汽车事故发生率的不断增加，汽车碰撞安 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，对汽车碰撞中乘员安全性的研究具有 非常重要的意义。 本章旨在分析论文课题的选题背景及其研究意义，介绍汽车侧面碰撞中儿童 乘员损伤防护的研究现状及课题的研究重点。 1 1 选题背景及研究意义 1 1 1 选题背景 随着我国国民经济的快速增长，人民生活水平的不断提高和安全意识的不断 增强，汽车工业和交通运输事业也不断的在向高层次发展，这必然对汽车安全性 提出新的要求。汽车交通事故已被公认为是威胁人类安全的“第一公害。我国成 为交通事故死亡人数最高的国家之一。在正碰、侧碰、追尾、翻滚这些碰撞形式 中，汽车侧面碰撞事故约占事故总数的3 0 ，仅次于正面碰撞，而在造成伤亡的 事故中，侧碰事故约占3 5 【。在我国，由于城市道路交通路口以平面交叉形式为 主，侧面碰撞事故发生概率最高，其致死率仅次于正面碰撞，而致伤率却居第一 位。仅2 0 0 3 年我国总共发生交通事故6 6 7 5 0 7 起，总伤亡人数5 9 8 5 4 6 人次，其中 侧面碰撞事故占3 2 ，因侧面碰撞而造成的人员伤亡情况占3 1 1 。综合统计显示： 侧面碰撞是发生频率最高和造成人员伤亡最多的交通事故形式【2 1 。 交通事故中儿童乘员的伤亡已经成为一个很严峻的问题。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【3 l ；2 0 0 2 年，美国交通事故中有6 0 7 名5 岁以下的儿童死亡，6 2 0 0 0 名5 岁以下的儿童受伤 汽车侧碰撞中三岁儿童乘员的动力学响应和损伤防护研究 【4 1 。世界卫生组织2 0 0 2 年的调查数据显示，有4 9 7 3 6 名o 4 岁的婴幼儿在道路交 通事故中死亡【5 1 。在我国，根据北京市交管局的统计数据显示，2 0 0 4 年全国有7 0 7 7 名1 5 岁以下的儿童在交通事故中丧生，有2 8 0 1 6 名1 5 岁以下的儿童在交通事故 中受伤，我国儿童因交通事故导致的死亡率是欧洲的2 5 倍，美国的2 6 倍【5 6 j 。 随着乘用车进入我国家庭，儿童乘员数量也在不断增加。汽车装备的常规座 椅、安全带和安全气囊等约束系统是针对成人设计的，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。 1 1 2 研究意义 近年来，汽车以前所未有的速度大规模地进入中国家庭，伴随着汽车热的升 温，汽车安全开始成为社会关注的焦点。目前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。据公安部交通管理局提供的数字显示：在 2 0 0 2 年的各类事故死亡人数中，因交通事故而致死亡人数所占的比例为7 8 5 ； 2 0 0 3 年上半年，这一比例为7 6 3 ，交通意外伤害已经成为造成儿童意外伤害的 “第一杀手【7 1 。国外在儿童乘员安全保护方面的研究起步较早，已有4 0 多年的 历史。目前，在很多发达国家如美国、加拿大、德国、英国、瑞典等以及亚洲的 新加坡、韩国等，都已经颁布了强制使用儿童约束系统( c h i l dr e s t r a i n t s y s t e m ，c r s ) 的法律，儿童约束系统在欧美等发达国家已经得到了普遍的使用。 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 曲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 ) 2 0 0 3 年的调查：正确使用 c r s 能够使交通事故中1 岁以下儿童的死亡率减少7 1 ，1 4 岁之间儿童的死亡 率减少5 4 。1 9 7 5 2 0 0 3 年之间，c r s 大约共挽救了7 0 2 0 名儿童的生命【8 】。由此 可见，c r s 对儿童乘员的保护效果是十分显著的，如何普及c r s 的使用，并且提 高c r s 的安全性能，是亟需解决的问题。 汽车侧面是车体中强度较薄弱的部位，对于在汽车中占比例最大的轿车，因 其侧面是车门，强度更为薄弱1 9 1 。一旦受到来自侧面的撞击，不可能像前部及后部 那样有足够的空间发生结构变形吸收碰撞能量，车内乘员同强烈贯穿的撞击物之 间仅隔着车门有2 0 3 0 厘米的距离，因此侧面碰撞对乘员的伤害比其它类型碰撞 对乘员造成的伤害更为严重。 因此，研究三岁儿童乘员在汽车侧面碰撞中的运动学和动力学响应，从而提 高汽车侧面碰撞中三岁儿童乘员的安全防护，减少侧面碰撞中的三岁儿童乘员的 伤亡具有重要的经济、社会意义，可为我国汽车碰撞事故中儿童乘员的保护做出 一点贡献。 2 硕士学位论文 1 2 汽车碰撞中儿童乘员损伤防护研究现状 国外早在2 0 世纪6 0 年代就开始了对汽车碰撞中儿童乘员损伤防护方面的研 究，目前很多发达国家如美国、加拿大、英国、德国等都已经颁布了关于儿童约 束系统方面的专门的法律法规并已实施，如欧洲的e c e r 4 4 、美国的f m v s s 2 1 3 、 英国的b s ( b s 3 2 5 4 ，b sa u l 8 5 ，b sa u 2 0 2 b ) 、丹麦的d s 2 1 9 0 、日本的j i s d 0 4 0 1 、 瑞典的t - s b 、加拿大的c m v s s 2 0 8 、澳大利亚、新西兰的a s 3 6 2 9 和法国的 a r l 9 8 5 0 1 1 a 等，我国标准化协会于2 0 0 5 年4 月2 0 日制定了汽车用儿童约束系统 标准( c a s1 0 2 2 0 0 4 ) 。目前，我国对儿童乘员保护方面的研究还处于起步阶段， 没有正式的法规，也不具备完善的试验能力，因此，下面主要介绍国外在汽车碰 撞事故中有关儿童乘员损伤防护方面研究的状况。 1 2 1 儿童乘员交通伤流行病学 交通事故损伤流行病学是利用流行病学( e p i d e m i o l o g y ) 研究的方法和工具， 研究在道路车辆事故中创伤发生的原因及类型，研究人的因素、环境因素和工程 技术的因素，发展各种方法去评价在交通事故损伤防护的过程中所采取的各种降 低损伤措施的有效性。为了进一步提高儿童的乘车安全，对于在交通事故中儿童 乘员损伤部位及其损伤的原因的深入分析是非常必要的。s n y d e r 等人【1 0 】通过研究 发现在儿童乘员受到致命伤的事故中绝大多数是因为儿童中枢神经系统受到严重 损伤导致的。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【1 1 1 4 1 。通常计算出的损伤风险仅包括身体部位的损伤风险，但是其他类 型的损伤( 例如创伤后压力心理障碍症( p o s tt r a u m a t i cs t r e s ss y n d r o m e ，p t s s ) ) 也不能忽视【1 5 l 。与儿童乘员损伤风险密切相关的因素有：碰撞类型、约束类型、 碰撞的严重程度、儿童的乘坐位置、儿童的年龄( 体重) 以及约束系统的使用情 况等。以上各因素对儿童乘员损伤风险的影响如下： 【1 ) 碰撞类型 l a n g w i e d e r 等人【1 6 】通过研究发现侧面碰撞中儿童乘员遭受a i s 3 + 级整体损伤 风险比较高。a g r a n 等人【1 7 】根据调查交通事故中4 9 岁儿童受伤的原因，并通过 医院的监控系统的数据发现，儿童乘员受到m a i s 2 + 级损伤发生在侧碰撞中碰撞侧 的频率( 4 1 ) 远远高于前碰撞( 1 5 ) 和追尾碰撞( 3 ) 。p a r e n t e a ua n dv i a n o 【1 8 】 通过对n a s s c d s ( 美国事故数据库) 进行分析发现汽车翻滚事故中儿童乘员遭受 m a i s 3 + 级损伤的风险最高，但是翻滚事故的发生率小于7 ，侧面碰撞事故的发 生率约为2 4 ，前碰撞的发生率较高为5 2 。 ( 2 ) 约束系统的类型 l i n d am c c r a c v 等人1 1 9 】根据n a s s c d s l 9 9 5 1 9 9 6 、1 9 9 8 2 0 0 4 年的统计数据分 析得出，在交通事故中受伤的不同年龄乘员其约束的类型如图1 1 所示。 3 汽乍侧碰捕中j 岁儿常乘 j 的动j 学响、v 和损伤防护研究 囹后向式儿童安全座椅 口肩带和腰带 其他未知 年龄 一前向式儿童安全座椅 口仅腰带 口增高座椅 没有约束 图1 1 不同年龄的乘员约束的类型 不同的约束类型所受到的损伤的等级如表1 1 所示，由表1 1 可以看出使用 儿毫约束系统的儿童受伤的人数及其受伤的，哐重程度明显要低于不使用儿章约束 系统的儿章。 表1 1 不同约束类型的损伤等级 ( 3 ) 约束系统的使用情况 k a h a n e 【2 0 】手旨出正确使用儿童安全座椅可以将死亡风险降低7 1 ，住院时问缩 短6 7 。儿童安全座椅的整体误用对于降低儿童的致命和严重损伤的风险几乎没 有效果。a r b 0 2 a s t 等人【2 1 】把前向式儿章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 ，住院风险降低7 9 。 ( 4 ) 碰撞的严重程度 关于碰撞的严重程度对儿童乘员损伤风险影响的研究较少，主要是因为碰撞 毗 瞅 涨 矾 泓 涨 似 姒 姒 慨 眦 硕士学位论文 严重程度的测量非常困难。h e n d e f s o n 等人1 2 2 】通过对严重碰撞事故( 一个或多于一 个乘员死亡) 中使用前向儿童约束系统约束的儿童乘员的损伤情况进行研究发现， 碰撞速度( v ) 与损伤严重程度( n = 6 2 ) 之间没有很大联系，而侵入量对损伤严 重程度的影响很大。 ( 5 ) 儿童的乘坐位置 e l i s ar b r a v e r 等人【2 3 l 根据f a r s ( 致命报告分析系统) 中1 9 8 8 1 9 9 5 年的数 据，经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) 。乘坐在后排座椅中心位置上儿童的 死亡风险比两侧位置约低1 0 2 0 。h o w a r d 等人1 2 4 l 通过分析f a r s 数据库中的 交通事故的数据发现，在侧碰撞中坐在碰撞边的儿童乘员其受到致命伤的风险是 坐在中心位置的2 5 倍，根据n a s s 数据库中的数据发现，坐在碰撞边的儿童乘员 ( 7 1 0 0 0 ) 受到严重损伤( i s s 1 6 ) 的人数普遍高于坐在中间位置的儿童乘员 ( 2 1 0 0 0 ) 。 ( 6 ) 儿童的年龄( 体重) j a k o b s s o n 等人【2 5 l 对处于从一种约束类型向另一种约束类型过渡时期的儿童 的损伤情况进行研究，发现2 4 岁的儿童在约束类型从后向式约束转变为增高型 约束时的损伤风险明显提高；7 1 0 岁儿童在约束类型从增高型约束转变为汽车座 椅安全带约束时也有同样的结论；使用同_ 种约束类型的不同年龄的儿童的损伤 风险也各不相同，在增高座椅组和仅使用成人座椅安全带组，小年龄( 体重) 儿 童的损伤风险高于大年龄( 体重) 儿童的损伤风险。 1 2 2 汽车碰撞中儿童乘员安全性研究的方法 对于汽车碰撞中儿童乘员安全性的研究涉及到汽车工程学、损伤生物力学和 解剖学等相关的学科，在研究中广泛使用了这些学科的研究方法。对汽车碰撞中 儿童安全性的研究，一般采取交通事故统计分析、试验研究及计算机仿真等方法， 下面介绍下国外进行这方面研究时主要采用的方法。 1 2 2 1 交通事故统计分析 对于儿童交通伤流行病学的研究，通常采用交通事故统计分析的方法。由于 交通事故属于随机事件，事故的发生与众多因素存在着相关联、相制约的关系， 但这些关系又难以用确定的函数式来精确描述，因此只能采用调查统计的方法， 根据某地区人、车、路的条件以及目前的交通安全情况，找出其主要影响因素以 及这些因素对事故发生的统计影响规律，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【2 6 l 。 5 汽车侧碰撞中三岁儿童乘员的动力学响应和损伤防护研究 1 2 2 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在确保不发生损伤的条件下进行，并有严 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的很多一 般性知识。其结果对于开发机械式假人和人体数学模型都很重要，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一定的局限性。对于儿童志愿者的选取，不仅要经 过儿童本人的允许，也要得到其监护人的同意，由于不能确保防止损伤以及试验 样本的特殊性和伦理问题，此类试验较难开展，所以一般也不予采用。 ( 2 ) p m h s t ( 人类尸体试验) 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 b j e c tt e s t ) ，尸体试验是 碰撞试验研究的重要方法，主要用于人体损伤生物力学的研究，试验的结果也是 验证机械试验模型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 体替代物模型是人类尸体。从人类学的角度来说，p m h s 的材料与活人是一致的， 但是制作准备的技术和死亡相隔的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做试验，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。此 外人体的很多组织与年龄相关，若p m h s 的年龄偏大，也难以将试验数据用于一 般人群。 ( 3 ) 动物试验 用麻醉了的动物( 主要是猪和灵长类动物) 作为人体替代物进行损伤试验， 对于取得脑组织、脊椎等特殊部位的数据是很重要的。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，由动物试验所获取的数据来推 知人体的相关数据实际上是一件很困难的事情，而且这种方法也只是在早期的文 献中提到，近年来由于动物保护协会的成立以及动物保护法的制定，人与动物生 物特征方面存在着很大的差异，没有太多的可比性，动物试验通常也不会采用。 ( 4 ) 机械假人试验 机械假人模型也称为碰撞试验用假人模型或拟人试验装置( a i i d a n m r o p o m o 咄i c t e s td e v i c e ) 。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保真度，在试验中假人与约 束系统一起使用，可以评价汽车安全装置的性能，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 6 硕士学位论文 期检验，尸体试验对于研究儿童耐受限度是非常必要的【2 7 1 。 1 2 2 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，计算机仿真 模型建立在以上所述试验研究的基础上，可以用来研究如机械模型所不能测量的 数据，而且相对于其它的模型，计算机仿真模型的经济性和可重复性的特点非常 突出。但是计算机仿真模型也有其局限性即模型的有效性和可靠性，而这些取决 于多方面的因素，如试验验证数据的可靠性、分析软件的可靠性和分析人员的经 验等等。尽管如此，计算机仿真仍是目前汽车被动安全研究领域研究儿童乘员安 全性防护的主要手段之一。 计算机仿真具有可重复试验性的优点，并可以在较短的时间内和较低成本情 况下进行有关参数的研究，同时计算机仿真还可以对一些在试验条件下无法测得 的参数进行计算，例如局部结构的应力应变分布等，目前，在人体损伤生物力学 研究中主要用到的数学模型有两类：多刚体数学力学模型、有限元数学力学模型。 ( 1 ) 多刚体数学力学模型采用多刚体动力学的计算方法，用椭球体、平面等 一些简单的几何体来模拟人体的各个部位。几何体之间通过各种铰节点进行连接， 可计算出运动系统的速度、加速度、位移、力等各种动力学响应参数【2 引。其主要 仿真软件有m a d y m o 、a t b 、a d a m s 等。其中在损伤生物力学领域应用最广泛 的是m a d y m o ( m a t h e m a t i c a ld v n a m i cm o d e l ) 软件。 ( 2 ) 有限元数学力学模型采用有限元计算方法，其基本思想是：把一个原来 连续的物体离散成有限个单元，且它们之间相互连接在有限个节点上，受等效的 节点载荷的作用，并根据平衡条件来进行分析，然后根据变形协调条件把这些单 元重新合起来成为一个组合体再综合求解。有限元模型不仅可以求得诸如速度、 加速度等动力学响应参数，而且还可以求得任意部位的应力应变、能量分布等参 数。其主要仿真软件有l s d y n a 3 d 、p a m c r a s h 和r a d i o s s 等，其中在损伤 生物力学领域应用最广泛的是l s d y n a 3 d 软件。 1 2 3 汽车侧碰撞中儿童乘员损伤防护的研究现状 对于汽车碰撞中儿童乘员损伤防护的研究国外在2 0 世纪6 0 年代就已经开始 了，并在汽车被动安全研究领域取得了很大的进展，由于我国对这方面的研究还 处于起步阶段，故下面主要介绍国外的一些专家对于汽车侧碰撞中儿童乘员损伤 防护的一些研究成果。 根据n h t s a ( 国家公路交通安全局) 2 0 0 2 年的统计报告：在1 9 9 9 年死于交 通事故中的0 1 2 岁的儿童乘员中有3 2 是由于汽车侧碰撞事故导致的，其中乘坐 在碰撞边的儿童乘员有5 5 受到了致命伤。加拿大的有关侧碰撞交通事故统计资 料也表明碰撞边是最危险的位置。此外，当c r s 安装在碰撞边座椅的外侧时，车 7 汽车侧碰撞中三岁儿童乘员的动力学响应和损伤防护研究 身的侵入量对儿童乘员损伤的影响非常大( h o w a r d ，r o t h m a n ，m o s e sm c k e a g ， p a z m i n o c a n i z a r e se ta 1 ，2 0 0 3 ) 。k a t h l e e nd k l i n i c h 等人【2 9 】通过研究发现，在侧碰 撞中由于被撞车门的侵入而产生的直接载荷，使坐在碰撞边的儿奄乘员受到严重 损伤和致命伤的风险大大提高，因此要致力于研究碰撞边儿童乘员的保护。 l a n g w i e d e r 等人【3 0 】发现，在欧洲受至0a i s 3 + 级损伤的儿童乘员中有三分之一是发 生在侧碰撞事故中。m a l m 等人【”l 通过研究发现，在瑞典3 岁左右受到致命伤的儿 章巾大概有5 0 是发生在侧碰撞事故中。 m e n o n 等人【3 2 l 通过研究发现，六岁以下的儿童使用成人安全带约束其受伤的 风险要比使用c r s f 儿童约束系统) 约束的儿童高3 倍，因此，c r s ( 儿童约束系统) 被认为足对婴幼儿进行约束的最佳约束装置。a r b o g a s t 等人【2 1 】通过研究发现，使 用前向儿奄约束系统与使用成人安全带相比可以使儿蕈乘员到严重损伤的风险降 低7 8 ，住院的风险降低7 9 。e b y 等人【3 3 】也认为使用儿章安全座椅是减少交通 事故中儿童乘员受伤的有效方法。n h t s a 在1 9 9 6 年的有关报告中也指出，难确 使用儿童安全座椅可以将儿童乘员受到致命伤的风险从7 1 降低到5 4 。b r a v e r 等人【3 4 】通过研究f a r s 中的有关资料得出：汽车后排座椅位置比前排座椅更有利 于儿章的保护，汽车座椅后排中问的位置比两侧边缘的位置可以将致命伤的风险 降低1 0 2 0 。有关的统计资料也表明乘坐在后向式儿童安全座椅上的儿童与未 使用儿奄安全座椅的儿蕈相比，其受伤害的几率可减少9 0 。根据同本警视厅的 有关记录表明，发生意外交通事故时，没有安装儿童安全座椅导致的儿童死亡率 足装有儿童安全座椅的8 倍，而严重受伤的比率则高出3 倍，由此可知，不使用 儿囊安全座椅极具危险性。上世纪8 0 年代以后，儿章安全座椅在欧美是有孩子的 人家必备之物，据统计它能够使7 0 以上遭遇车祸的儿章避免致命伤害。 所有儿童囵受伤儿童 5 0 4 5 4 0 主3 5 蚤3 0 求2 5 阳2 0 1 5 1 d 5 0 第一排右边第二排左边第二排右边第三排左边第三排右边 座椅 座椅 座椅 座椅座椅 乘坐位置 图1 2 儿童的乘坐位置分布 n a g a b h u s h a n a 等人【3 5 】通过分析1 9 9 1 2 0 0 5 年n a s s c d s 数据库中的数据得 出，儿奄乘员的乘坐位置分布如图1 2 所示，通过分析发现6 6 的儿童乘员坐在汽 车座椅第二二排的位置，其中7 7 在侧碰撞事故中受到损伤。 8 帧i ：学位论文 碰撞角度分布如图1 3 所示，经研究发现9 0 的侧碰撞事故的碰撞角度在 3 0 。9 0 。之间，其中有5 6 侧碰撞事故碰撞角度是6 0 0 。 一所有儿童囡受伤儿童 4 5 4 0 3 5 s3 0 丑2 5 求2 0 旧1 5 1 0 5 0 一所有儿童四受1 9 ；儿童 dp y z 碰撞位置 图1 4 碰撞1 立置分布 1 3 本文的研究重点 厂= 习 if 厂：1 s a e j 2 2 4 议案 l d i 本文围绕汽车侧碰撞中的儿童乘员损伤事故，用计算机仿真的方法对三岁儿章 乘员在侧碰撞中的动力学响应和损伤防护措施进行了研究，主要研究内容如下： ( 1 ) 汽车侧碰撞中儿章乘员损伤方面的文献研究。总结了儿童交通伤流行病学 以及损伤生物力学的相关知识，总结了计算机仿真研究方法及其在汽车被动安全 汽车侧碰撞中三岁儿童乘员的动力学响应和损伤防护研究 研究领域的应用，分析了汽车侧面碰撞中儿童乘员损伤研究的历史和现状、损伤 现象、损伤机理及其研究方法。 ( 2 ) 用多刚体和有限元耦合的方法建立了儿童约束系统模型和后车门总成模 型。整个仿真模型的有效性通过试验进行了验证，并在此基础上运用p s m 子结构 法研究了儿童约束系统的相关设计参数( 包括：儿童安全座椅侧翼的深度、儿童座 椅安全带开孔的位置、儿童座椅安全带刚度、儿童安全座椅与儿童假人之间的摩 擦系数、儿童安全座椅与成人座椅之间的摩擦系数) 对儿童乘员响应的影响。 ( 3 ) 用多刚体动力学仿真的方法建立了五点式儿童座椅安全带、配有碟形防 护扶手的“三点式 儿童座椅安全带和t 形防护板与肩部织带组合式的儿童座椅 安全带的三种c r s 仿真模型，并基于这三种形式的儿童座椅安全带在不同的碰撞 速度下对三岁儿童乘员的运动学、动力学响应进行了对比分析，从而对不同形式 的儿童座椅安全带对儿童乘员损伤保护效果做出初步的评价。 1 0 硕士学位论文 第2 章儿童乘员损伤生物力学 2 1 损伤生物力学 2 1 1 损伤生物力学的基本理论 生物力学是根据已经确定的力学原理来研究生物体中力学问题的学科，是力 学、生物学、医学等学科之间相互渗透的边缘学科，它将这些学科的基本原理和 方法有机的结合起来，体现了近代科学的发展。 损伤生物力学是生物力学的一个重要研究分支。损伤生物力学也称为碰撞生物 力学，是汽车被动安全研究中人体损伤防护的重要理论基础，在碰撞交通事故中， 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组织超过可以恢复 的限度或导致解剖学组织破坏或使正常生理功能变化或丧失，就会造成人体损伤。 人体组织在碰撞过程中所包含的有关力学问题就称为损伤生物力学。 a n o 是这样定义损伤生物力学的研究目的和研究方法的【3 6 】：“损伤生物力学 的研究目的是了解人体的损伤过程并研究人体在受到载荷时的防护方法。为了达 到这个研究目的，研究者必须了解损伤类型、人体的损伤机理、不同载荷条件下 人体各组织和器官的响应、人体的承受极限；研制出防护装置和材料来降低人体 的受伤程度；开发出可用来代替人体进行生物力学试验的机械假人和数学模型。一 人体在受到碰撞事故中的受伤过程可以用载荷一损伤模型来说明1 3 7 l ，如图2 1 所示。 图2 1 载荷一损伤模型 该模型描述了人体从受到外部撞击到可能导致损伤的全过程。当发生交通事 故时，外部载荷通过各种方式传递到人体上，由于安全防护装置的保护作用而使 1 l 汽车侧碰撞中三岁儿童乘员的动力学响应和损伤防护研究 载荷强度得到了一定的降低，此时人体对此载荷做出适当的生物力学响应，当载 荷超过人体的耐受极限时，将按照相应的损伤机理而导致人体损伤。 2 1 2 儿童解剖学及损伤机理研究 人从小到大要经过复杂的生长发育过程，这不仅表现在人体细胞不断繁殖增 多，各器官组织不断生长，也表现在各器官组织细胞不断分化，机能逐渐成熟， 形态与机能逐渐完善。在生长发育过程中，生长速度也是不均衡的，时而快，时 而慢，波浪式的增长，是一个既有阶段性变化又有连续性递增的相互作用的过程， 所以不能把儿童看成是成人的缩影【3 8 l 。 儿童不是成年人身材的简单缩小，儿童身材比例与成年人有很大的差别，与成 年人相比，相对于身体而言，儿童的头部偏重，婴儿头部重量相当其全身重量的 一半，成年人的头部和身体重量的比例就显然不同，头部仅占整个体重的6 ，三 岁儿童和六岁儿童头部的比重分别为整个体重的1 8 和1 6 ，如图2 2 所示。除了 儿童头部比重大需要额外保护外，另一个原因是儿童的颈部肌肉和韧带尚未发育 完全，儿童在1 0 。1 2 岁之前，他们的骨盆也尚未发育完全【3 9 1 。 暂生儿3 岁6 岁丧人 图2 2 成长中的儿童身体比例 导致儿童头部损伤的原因有两个：接触和惯性力矩【4 们。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变化。 典型的头部接触损伤是骨折、硬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。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，这三块软骨在婴儿出生的 第三年明显的结合在一起，但是，第一颈椎( c 1 ) 和第二颈椎( c 2 ) 直到儿童4 6 岁时才完全结合在一起。颈椎的大小在人体青春期时已经达到了成人的水平，但 是直到人体2 5 岁时才发育成熟【4 1 1 。儿童从1 岁到成人，椎间小关节也从6 0 度逐 渐变为4 5 度( 这里的角度指小关节平面和椎体背部平面间的角度) 【4 2 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， 硕士学位论文 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发生较大的变形，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。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 l 或c 2 ，成 年人中仅有1 6 颈部骨折发生在c 1 或c 2 ，这是因为儿童颈部的枢轴在c 2 或c 3 ， 而成年人颈部的枢轴在c 6 附近【4 1 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1 4 3 1 。由于儿童头部比重较大，因此儿童的整体重心较成 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 常比成年人的肋骨柔韧，因此儿童肋骨骨折比较少见，但儿童胸腔内部器官的损 伤风险却因此增加1 4 。 儿童的腹部与成年人的腹部相比较为凸起，肝、脾等重要器官位于腹腔内， 对儿童而言，一部分运动能量将分散在质量较小且较为凸起的腹部区域，因此儿 童将可能同时遭受多个器官的损伤。对于腰带的定位起重要作用的骨盆的髂脊直 到儿童1 0 岁左右才发育成熟1 4 1 1 。由于两点式或三点