（车辆工程专业论文）基于试验和有限元仿真的儿童乘员正面和侧面碰撞安全研究.pdf

基于试验和有限元仿真的儿童乘员正面和侧面碰掩安令研究 摘要 儿童乘员安全是汽车碰撞安全领域的重要研究课题之一。国际上关于儿童乘 员安全的研究早在上世纪6 0 年代就开始了；美国和欧洲等国分别于7 0 和8 0 年代 相继建立了几童乘员安全法规。随着我国家用汽车保有量的逐年增加，儿童乘员 安全问题越来越突出。儿童乘员约束系统( c h i l dr e s t r a i n ts y s t e m ，c r s ) 是防止 交通事故中儿童乘员伤亡的乘车保护装置，开展这方面的研究工作具有重大的社 会意义，尤其在我国实现现有的计划生育政策情况下。 本文应用h y b r i di i i3 岁儿童假人有限元模型和3 岁儿童人体有限元模型建立 了四种典型的前向式c r s ( 着衣型、护板型、普通的5 点式背带型和i s o f i xc r s ) 的正面碰撞台车试验的有限元仿真模型。将h y b r i di i i 假人有限元模型仿真的乘 员动态响应与试验对照，以校验有限元模型。对比分析了试验和仿真中这四种典 型c r s 约束下的乘员伤害值及儿童人体有限元模型的应力分布以比较这四种 c r s 的正面碰撞安全性的优劣。对使用三点式安全带固定的护板型和普通的5 点 式背带型c r s 的安全带有1 0 0m m 松弛的误使用情形及普通的5 点式背带型c r s 和i s o f i xc r s 的背带有1 0 0m m 松弛的误使用情形进行了有限元仿真分析。结 果表明，i s o f i xc r s 的正面碰撞安全性最好。 i s o f i xc r s 是一种国际通用型c r s ，实现了与车体简单、牢固和标准化的 连接。因此本研究着重对i s o f i xc r s 的正面碰撞安全性进行了分析。考虑到对 使用前向式c r s 的4 岁以下儿童乘员，颈部保护非常重要，因此着重对颈部响应 进行了深入分析。儿童人体有限元模型的上颈部受力是基于头部的运动力学方程 式计算求得的。假人模型与儿童人体有限元模型在仿真中的体斡姿态及下颌与胸 部的接触方式有较大差异。假人和儿童人体有限元模型的下颌与胸部的不同的接 触力及头部惯性力使得两模型的上颈部受力不同。假人模型的上颈部所受剪力和 拉力均较大，而儿童人体有限元模型的上颈部剪力较小，拉力较大。 为减小i s o f i xc r s 约束下的儿童乘员头部、颈部和胸部受力，考虑给i s o f i x c r s 的顶部拉带加限力计。用有限元模型仿真分析了i s o f i xc r s 正确使用情形 和c r s 背带有1 0 0m m 松弛的误使用情形下项部拉带限力计的效果。结果表明限 力计有效地降低了头部和胸部加速度及上颈部受力。通过计算假人和儿童人体有 限元模型的缓冲能量密度和约束能量密度，及约束能量密度中被c r s 背带吸收的 能量密度和耗散到c r s 安装系统的能量密度，得到了能量密度和效率与胸部加速 度之间的关系。结果表明，胸部加速度并不完全由缓冲能量效率决定，而是由被 c r s 背带吸收的能量效率决定。被c r s 背带吸收的能量效率越高，胸部加速度越 i i 博上学位论文 高。 由于关于儿童乘员的侧面碰撞台车试验在国际上还没有统一方案，本研究对 侧面碰撞实车试验进行了分析。比较了三种类型c r s ( 前向式、后向式和婴儿床 式c r s ) 约束下的q 3 s3 岁侧面碰撞儿童假人和c r a b i6 个月婴儿假人的侧面碰 撞实车试验结果，为侧面碰撞台车试验方法的确立提供依据。除前向式c r s 中的 q 3 s 假人的胸部压缩量( 2 3 3r a m ) 略高出指标值( 2 3m m ) 外，其余伤害值都低 于相应的伤害指标值。虽然在前向式和后向式c r s 的试验中，车门腰线通过c r s 侧护板间接撞击了假人头部，但头部加速度还是很低。其原因是由于c r s 侧护板 吸收了撞击能量，且假人头部始终处于c r s 侧护板内部。建立了简单的前向式 c r s 的侧面碰撞有限元模型。将h y b r i di i i3 岁儿童假人和3 岁儿童人体有限元 模型的仿真结果与试验结果对比，头部、胸部和髋部的合成加速度峰值大小很接 近。 本研究以试验和有限元仿真为主要研究手段，对儿童乘员在不同类型c r s 约 束下的正面和侧面碰撞过程中的乘员动态响应和伤害值进行了深入分析和研究。 应用h y b r i di i i3 岁儿童假人有限元模型和3 岁儿童人体有限元模型建立了四种典 型的前向式c r s 的正面碰撞台车试验的有限元仿真模型。提出了在i s o f i xc r s 的顶部拉带加限力计以减轻头颈部和胸部的受力。运用缓冲及约束能量效率理论 提出了能量效率与胸部加速度之间的关系。通过对比分析h y b r i di i i 假人和儿童 人体有限元模型的动态响应，发现两者在仿真中的体斡姿态及下颌与胸部的接触 方式有较大差异。对侧面碰撞实车试验中3 种类型c r s 约束下的乘员动态响应及 伤害值进行了对比分析，同时建立了侧面碰撞有限元模型，为侧面碰撞儿童乘员 安全研究工作的开展奠定了基础。希望本研究能为我国儿童乘员安全研究工作的 开展和儿童乘员安全法规的建立和实施提供参考。 关键词：儿童乘员；c r s ；正面碰撞台车试验；有限元仿真；侧面碰撞实车试验； h y b r i di i i3 岁儿童假人；3 岁儿童人体有限元模型 1 1 i a b s t r a c t c h i l do c c u p a n ts a f e t yi so n eo ft h ei m p o r t a n tr e s e a r c hs u b j e c ti nt h ef i e l do fv e h i c l e c r a s hs a f e t y c h i l do c c u p a n ts a f e t yr e s e a r c hs t a r t e df r o m19 6 0 si nt h ew o r l d t h eu s a n de u r o p e a nc o u n t r i e se s t a b l i s h e d r e g u l a t i o n sf o rc h i l do c c u p a n t si n19 7 0 sa n d 19 8 0 s w i t ht h en u m b e ro fv e h i c l e si n c r e a s i n ge v e r yy e a ri n c h i n a ，c h i l do c c u p a n t s a f e t yp r o b l e mb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t a sc h i l dr e s t r a i n ts y s t e m ( c r s ) i s s h o w nt ob ee f f e c t i v eo nc h i l do c c u p a n tp r o t e c t i o ni nv e h i c l ec r a s h ，t h er e s e a r c hw o r k i n t h i sf i e l dh a sa n i m p o r t a n ts o c i a l s i g n i f i c a n c e ，r e g a r d i n gt h a tt h ep o l i c yo f o n e - c h i l di no n e f a m i l yp e r f o r m e di nc h i n a i nt h i sr e s e a r c h ，b yu s i n ga h y b r i di i i3y od u m m yf em o d e la n dac h i l dh u m a nf e m o d e l ，f es i m u l a t i o no ff r o n t a ls l e dt e s t sf o rf o u rt y p i c a lt y p e so fc r s s ( w e a r a b l e t y p e ，i m p a c t s h i e l dt y p e ，5 - p o i n th a r n e s sc o n v e n t i o n a lt y p e ，i s o f i xc r s ) w e r e c o n d u c t e d r e s u l t so ft h ed u m m y sk i n e m a t i c sa n da c c e l e r a t i o n si nt h et e s t s a n df e s i m u l a t i o n sw e r ec o r r e l a t e d a3 - y e a r - o l dc h i l dh u m a nf em o d e lw a s a l s ou s e di nt h i s r e s e a r c h i n ju r yc r i t e r i a ( t h eh e a df o r w a r de x c u r s i o n ，h i c15 ，c h e s t3m sa c c e l e r a t i o n a n dc h e s t d e f l e c t i o n ) w e r ec o m p a r e db e t w e e nt h ef o u rt y p e so fc r s s s t r e s s d i s t r i b u t i o nw a sa n a l y z e df o rt h ec h i l dh u m a nf em o d e l m i s u s ec a s e o fs e a t b e i t h a v i n g10 0m ms l a c kf o rt h ei m p a c t s h i e l dt y p ea n d5 - p o i n th a r n e s sc o n v e n t i o n a lt y p e c r sw e r ea n a l y z e db yf es i m u l a t i o n a n dm i s u s ec a s eo fh a m e s sh a v i n g10 0m m s l a c kf o rt h e5 - p o i n th a r n e s sc o n v e n t i o n a lt y p ea n di s o f i xc r s w a sa l s oa n a l y z e d b yf es i m u l a t i o n s r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ef r o n t a ls a f e t yp e r f o r m a n c eo fi s o f i x c r sw a st h eb e s t i s o f i xc r si m p l e m e n t sa s i m p l e ，r i g i da n ds t a n d a r d i z e dc o n n e c t i o nw i t hv e h i c l e i nt h i sr e s e a r c ht h ec h i l do c c u p a n tp r o t e c t i o ni ni s o f i xc r s w e r ea n a l y z e di nd e t a i l r e g a r d i n gt h a ti ti sv e r yi m p o r t a n to ft h en e c kp r o t e c t i o no fac h i l du n d e r4v e a r so l d a n dr e s t r a i n e db yaf o r w a r d f a c i n gc r s ，t h eu p p e rn e c kr e s p o n s ew e r ea n a l y z e di n d e t a i l t h eu p p e rn e c kf o r c ea n dm o m e n tw e r ec a l c u l a t e db a s e do nt h em o t i o no f t h e h e a d t h et o r s op o s ea n dt h ec o n t a c tb e h a v i o ro ft h ec h i na n dc h e s tw e r ed i f f e r e n t b e t w e e nt h ed u m m ya n dc h i l dh u m a nf em o d e l d i f f e r e n tc o n t a c tb e h a v i o rc a u s e d d i f f e r e n tc o n t a c tf o r c e a n dt h eu p p e rn e c kf o r c ew a sa f f e c t e d b yt h ec o n t a c tf o r c e a n dt h eh e a di n e r t i a lf o r c e f o rt h eh y b r i di i id u m m y m o d e l ，t h eu p p e rn e c ks h e a ra n d t e n s i o nf o r c ew e r el a r g ew h i l ef o rt h ec h i l dh u m a nf em o d e lt h eu p p e rn e c k s h e a r i v 博士学位论文 f c l r c ew a ss m a l la n dt h et e n s i o nf o r c ew a s a t o p t e t h e rf o r c el i m i t e rw a sp r o p o s e d l a r g e t or e d u c et h el o a d i n g st ot h eh e a d ，n e c ka n d c h e s to ft h ec h i l dp o s i t i o n e di nt h ei s o f i xc r s f o re v a l u a t i n gt h ee f f e c t i v e n e s so f t h et o p - t e t h e rf o r c el i m i t e r ，f es i m u l a t i o n sf o rt w oc o n d i t i o n s ，c r si np r o p e ru s ea n d c r sh a r n e s sh a v i n gs l a c k ，w e r ep e r f o r m e d r e s u l t ss h o w e dt h a tt h eh e a da n dc h e s t a c c e l e r a t i o n sa n du p p e rn e c kf o r c ea n dm o m e n tw e r er e d u c e d r i d e d o w na n dr e s t r a i n t e n e r g yd e n s i t ya n dt h er e s t r a i n te n e r g yd e n s i t yr e l a t e dw i t ht h ec r sh a r n e s sa n dc r s i n s t a l l a t i o ns y s t e mw e r ec a l c u l a t e da n da n a l y z e do ft h er e l a t i o nw i t ht h ec h e s t a c c e l e r a 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 td e p e n d e n to nt h e r i d e d 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 ya b s o r b e db yt h e c r sh a r n e s s ( i e ，t h ec h e s ta c c e l e r a t i o nw i l li n c r e a s ew h e 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 ec r sh a r n e s si n c r e a s e s ) a st h e r ei sn o ta ni n t e r n a t i o n a ls t a n d a r df o rs i d ei m p a c ts l e dt e s t ，i nt h i sr e s e a r c h f u l lc a rs i d ei m p a c tt e s t sw e r ea n a l y z e d r e s u l t so ft h r e ef u l lc a rs i d ei m p a c tt e s t so f q 3 sa n dc r a b i6 m od u m m i e sr e s t r a i n e db yt h r e et y p e so fc r s s ( f o r w a r d - f a c i n g ， r e a r f a c i n g a n dc a r b e d t y p e ) w e r ea n a l y z e d a n dc o m p a r e d e x c e p tt h ec h e s t d e f l e c t i o n ( 2 3 3m m ) o ft h eq 3 sr e s t r a i n e db yaf o r w a r d - f a c i n gc r se x c e e d i n g s l i g h t l yt h et h r e s h o l d ( 2 3m m ) ，a l li n j u r yc r i t e r i aw e r el o w e rt h a nt h r e s h o l d s a l t h o u g ht h ed o o rb e l t l i n ei m p a c tt h ed u m m y sh e a dt h r o u g ht h ec r ss i d es h e l l i n d i r e c t l y , t h eh i c15w a sv e r yl o w t h i sw a sb e c a u s et h ec r ss i d es h e l la b s o r b e d l o t so fi m p a c te n e r g y ，a n dt h ed u m m y sh e a dw a sc o n t a i n e di nt h ec r ss h e l la l la l o n g a s i m p l ef em o d e lo fs i d ei m p a c tw a se s t a b l i s h e db yu s i n gt h eh y b r i di i id u m m ya n d c h i l dh u m a nf em o d e l t h eh e a d ，c h e s ta n dp e l v i sr e s u l t a n ta c c e l e r a t i o np e a k sw e r e c o m p a r a b l eb e t w e e nt h et e s ta n ds i m u l a t i o n s i n t h i sr e s e a r c h ，b a s e do nt e s t sa n df es i m u l a t i o n s ，t h eb e h a v i o r , r e p o n s e sa n d i n j u r yp a r a m e t e r so ft h ec h i l do c c u p a n tr e s t r a i n e db yd i f f e r e tt y p e so fc r s sw e r e a n a l y z e d b yu s i n gah y b r i di i i3y od u m m yf em o d e la n dac h i l dh u m a nf em o d e l ， f es i m u l a t i o no ff r o n t a ls l e dt e s t sf o rf o u rt y p i c a lt y p e so fc r s sw e r ec o n d u c t e d a t o p t e t h e rf o r c el i m i t e rw a sp r o p o s e dt or e d u c et h el o a d st ot h ec h i l dh e a d ，n e c ka n d c h e s t b ya p p l y i n gt h et h e o r yo fr i d e d o w na n dr e s t r a i n te n e r g ye f f i c i e n c i e s ，t h e r e l a t i o no ft h ee n e r g ye f f i c i e n c i e sa n a dt h ec h e s ta c c e l e r a t i o nw a sp r o p o s e d i tw a s f o u n dt h a tt h et o r s op o s ea n dt h ec o n t a c tb e h a v i o ro ft h ec h i na n dc h e s tw e r ed i f f e r e n t b e t w e e nt h ed u m m ya n dc h i l dh u m a nf em o d e l r e s u l t so ft h r e ef u l lc a rs i d ei m p a c t t e s t so fq 3 sa n dc r a b i6 m od u m m i e sr e s t r a i n e db yt h r e et y p e so fc r s sw e r e a n a l y z e da n dc o m p a r e d as i m p l ef em o d e lo fs i d ei m p a c tw a se s t a b l i s h e db yu s i n g v 基于试验和仃限元仿真的儿章乘员正面和侧面碰撞安全研究 t h eh y b r i di i id u m m ya n dc h i l dh u m a nf em o d e l h o p et h a tt h i sr e s e a r c hc a nb ea g o o dr e f e r e n c ef o r 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 hw o r ka n dt h ee s t a b l i s h m e n ta n d e x e c u t i o no ft h ec h i l do c c u p a n ts a f e t yr e g u l a t i o ni no u r c o u n t r y k e yw o r d s ：c h i l do c c u p a n t ；c r s ；f r o n t a ls l e dt e s t ；f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ； s i d ei m p a c tf u l lc a rt e s t ；h y b r i di i i3 - y e a r - o l dd u m m y ；3 - y e a r o l dc h i l d h u m a nf em o d e l v i 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：胡住日期：翮年肛月膳日 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“4 ) 作者签名： 导师签名： 日期：o p f 年，月，f 日 日期：每略年，z 月，f 日 博一f ：学位论文 第1 章绪论 机动车交通事故已成为造成儿童伤亡的一大重要因素。据美国国家公路交通 安全局( 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 ，n h t s a ) 的统计数据，在 2 0 0 6 年平均每天有5 名0 至1 4 岁的儿童死于机动车交通事故，5 6 8 名在交通事故 中受伤【l 】。另据日本厚生劳动省的统计，2 0 0 2 年1 至4 岁死亡的12 4 9 名儿童中 死于意外事故的比例最大( 2 3 4 ) ，其中3 4 5 的意外事故是交通事故引起的【2 j 。 据我国公安部交通管理局数字显示，2 0 0 6 年1 2 岁以下儿童在交通事故死亡人数 中所占比例为4 6 7 【3 j 。 由于儿童的生理解剖学特征与成人有很大差别，专为成人设计的乘车保护装 置，如安全带和安全气囊，能有效地保护成人在交通事故中不受伤害或减少伤害， 但对于儿童乘员来说却可能是致命的。儿童乘员约束系统( c h i l dr e s t r a i n ts y s t e m ， 简称c r s ) ，即儿童座椅是专为儿童乘员设计的乘车保护装置。上世纪6 0 年代初 期美国和欧洲国家最先开始c r s 的研发1 4 j ，现在c r s 的使用在欧美国家已相当 普及，但在发展中国家，如中国，c r s 的使用率还相当低。 美国是最早建立儿童乘员安全法规的国家。最早的儿童乘员安全法规m v s s 2 1 3 ( 后来改为f m v s s2 1 3 ( f e d e r a lm o t o rv e h i c l es a f e t ys t a n d a r d s ) ) 颁布于1 9 7 1 年【5 j 。欧洲于1 9 8 1 年颁布了儿童乘员安全法规e c er 4 4 5 1 。随着对儿童乘员安全 问题研究的不断深入，这两部法规都经历了多次修改和增补。日本的新车评价试 验j n c a p 于2 0 0 1 年开始对儿童乘员约束系统进行法规评价。 本章绪论分成6 节，前4 节分别介绍基于机动车交通事故统计数据的儿童乘 员损伤特征分析，儿童乘员安全法规，儿童座椅的主要类型和特征及使用状况调 查，中国儿童乘员安全问题的现状，第5 节概述儿童乘员安全的国内外研究现状， 第6 节是关于本研究工作的总体介绍。 1 1 基于机动车交通事故统计数据的儿童乘员损伤特征分析 儿童安全是碰撞安全领域的重要课题之一，包括儿童行人安全，骑车安全及 乘车安全。据德国的统计数据【6 】，在德国道路交通事故中伤亡的儿童数量呈逐年 递减的趋势，然而就行人，骑车及乘车这三项状况来看，乘车中伤亡的儿童数量 最多。2 0 0 5 年德国有2 42 4 7 名o 至1 2 岁儿童在道路交通事故中受伤，其中3 8 是作为汽车乘员，2 8 作为骑车者，2 9 是作为行人，另有5 是其他。在1 0 2 名 死亡的儿童中，接近5 0 死于车内乘员，3 3 死于行人，16 死于骑车，另有4 是其他。 相对于缺少保护的行人和骑车者，乘车的儿童在车辆自身吸收碰撞能量而保 茎茎薹些塑至里兰堡塞墼! ! 蓁耋篓里堡彗堡里塞堡塞耋譬塞 护其不被外界物体撞击的情况下应该更安全，从这层意义上来说乘车出行是一种 相对更安全的出行方式。然而儿童作为车内乘员的伤亡率比作为行人和骑车者的 伤亡率更高，原因可从三方面分析。首先儿童乘车的比例本身就比步行和骑车的 比例高，尤其对于年砉争较小的儿童；其次机动车相关的交通事故中车辆撞击速度 相对较高，即事故的严重程度较大；再有，对儿童乘员的乘车保护不足，如儿童 座椅或安全带的使用不当或未使用任何约束装置，这也是造成儿童乘员伤亡的原 因之一。本节主要引用美国和欧洲的交通事故统计数据，分析儿童乘员在不同类 型碰撞事故中及使用不同类型儿童乘员约束系统( c r s ) 的受伤特征。 掘沃尔沃保险公司( v o i v i a ) 的交通事故数据库中记录的1 9 7 6 至1 9 9 6 年间 瑞典发生的交通事故，对其中0 至1 5 岁的42 4 2 名儿童乘员( 4 77 为女珐，5 2 - 3 为男孩) 的受伤特征进行了统汁分析】。图ll 所示为各种碰撞类型所占比例， 其r f l 混合碰撞定义为包含两种或两种以上碰撞类型的事故，混合事件定义为包含 碰撞与翻滚或翻转的事件。显然j f l 斫碰撞发生的比例域高其次是侧面碰撞。 儿 璋c 乘员在车内不同座位的伤亡比例分枷如图12 所示。右侧与左侧座位的伤亡 比例最高，而中r j 座位的伤亡比例最低，还有约2 5 的儿奄乘员在事故发生时位 于前排座椅，主要是使片j 后向式c r s 的婴幼儿或年龄较大的孩子。需要说明的是 从图l2 所示的座位分布情况并不能完全说明由于某座位的伤亡比例低该座位就 安：争，因为在统计中并末考虑小同座位的实际使用率。 图il 含儿童乘员的碰撞娄型分布图l2 儿童乘员车内位置分布1 ” 图1 3 给出了不同年代儿童乘员的受伤风险。在1 9 7 6 至1 9 9 6 年间，不受伤 的比例从约6 0 升高到接近8 0 ，而受严重伤的比铆从3 5 下降到l5 。这一 方面得益于车辆奉身的碰撞安全性能的提高，更重要的原因是关于使用c r s 及安 全带的宣传教育活动的开展及儿童乘员安全法规的实施使得c r s 的使用率太幅 提高。 关于约束系统的使用对降低儿童乘员受伤风险的有效程度可用公式( 1 1 ) 进 行评价。在这42 4 2 名伤亡的儿童乘员中，使用约束系统( r e s t r a i n e d ) 的儿童乘 员受m a i s1 损伤的人数所占比例为2 04 ，受m a i s2 损伤的比例为36 ；而 博一j 二学位论文 未使用约束系统( u n r e s t r a i n e d ) 的儿童乘员受m a i s1 损伤的比例为3 l ，受m a i s 2 损伤的比例为1 1 4 。根据式( 1 1 ) 可求出约束系统的使用对降低m a i s1 损 伤的有效性为3 4 ，对降低m a i s2 损伤的有效性为6 8 。可见，使用约束系统 是提高儿童乘车安全的关键。 。一i n j u r y r i s l c r e s t r a i n e d 一删“叼垆z s 庀删砌甜 ，11 、 r 一一 上上一， i n j u r y r i s k ， e 甜。砌p d 式中i n j u r yr i s k 表示受伤人数所占比例。 摹 、一 剑 匿 $ 制 8 0 6 0 4 0 2 0 0 n 1 1 1 b ，w 勰， 7 6 8 08 l - 8 5 年份 8 6 - 9 09 l 9 6 t - - 3 无损伤 口m a i s1皿m a i s2 圈m a i s 3 + 图1 31 9 7 6 至1 9 9 6 年不同时期的儿童乘员受伤风险【4 】 不同约束方式对儿童乘员的保护效果不同。据美国警察署2 0 0 0 年的交通事故 统计数据，对有详细记录的9 2 名5 岁以下儿童乘员的相关事故进行了分析【7 1 。对 造成儿童乘员致命伤的原因归类为以下6 个方面：不可生还，约束系统存在重大 误使用，被抛出座位，与其他车乘人员或车内物品撞击，非灾难性正面碰撞，非 灾难性侧面碰撞。被认为是不可生还的事故中，儿童乘员的座位被侵入到没有生 存空间或由于火灾或被水淹没而死亡。由约束系统的误使用导致的死亡是约束系 统存在重大误使用如未将c r s 固定或固定得非常不牢靠或未使用c r s 背带约束 儿童乘员。因被抛出座椅而造成死亡的事故中c r s 都是用车辆座椅三点式安全带 正确固定的，儿童乘员被抛出可能是由于c r s 的肩带夹使用不当或未使用，或在 车辆翻滚过程中儿童乘员的肩部从背带中滑出。与其他车乘人员或车内物品撞击 的情况是有证据表明的，并且未观察到儿童乘员与车内构件发生了撞击。非灾难 性正面碰撞和非灾难性侧面碰撞事故被认为是有生存机会的事故，不包含上述四 种情形。 表1 1 列出了包含这9 2 名儿童乘员的事故类型及原因。其中5 0 的事故被认 为是不可生还的，1 2 的事故被判断是由于约束装置存在重大误使用造成的。有 2 9 的事故虽是非灾难性事故但却造成了儿童乘员的死亡，这说明c r s 的保护性 能需要进一步提高。在这些事故中，车与车之间的撞击有6 9 件( 排除了发生火灾 的事故) 。4 1 的事故中有大质量车参与。关于这9 2 名儿童乘员的致命伤，有3 5 名儿童的伤情不清楚，余下的5 7 名儿童的致命伤情况及其百分比如表1 2 所列。 3 基于试验和有限元仿真的儿童乘员正面和侧面碰撞安伞研究 8 0 以上的致命伤是头部损伤，1 6 的致命伤是颈部损伤。 关于这9 2 名儿童乘员所使用的c r s 类型，4 7 的事故中使用的是前向式 c r s ，1 1 的事故中使用的是护板式坐垫型c r s ；8 的事故中使用的是后向式 c r s ；2 的事故中使用的是坐垫型c r s ；1 的事故中使用了未被认证的c r s ； 另有3 2 的事故不清楚使用的是什么类型的c r s 。 表1 1 造成儿童乘员死亡的原因分类7 】 表1 2 儿童乘员受致命伤状况【7 】 于2 0 0 0 年1 0 月成立的e e v c 儿童安全研究工作组w g l 8 对欧洲的c r e s t , 英国的c c i s ，德国的g i d a s ，法国的i r t a d 和l a b 交通事故数据库记录的数 据信息进行了分析【8 j ，总结了碰撞事故中关于不同类型c r s 约束下的儿童乘员损 伤特征。按c r s 所适用的儿童乘员的体重等级( 从0 ，o + ，i ，i i ，i i i 组体重依次 递增如表1 3 所列) 将所使用的c r s 分成9 类，如表1 4 所列。从表1 4 可知， 就正面碰撞而言，对婴幼儿( 0 i 组) 来说，头部和颈部是最需保护的部位；随着 年龄的增长，身高增加，从使用前向式或后向式c r s 到使用坐垫及成人安全带， 头部、胸部和腹部的保护变得更为重要。 4 博十学位论文 表1 3e c er 4 4 中按体重对儿童的分类【9 j 表1 4 碰撞事故中不同类型c r s 约束下儿童乘员的主要损伤特征8 】 虽然机动车碰撞事故中侧面碰撞事故所包含的儿童乘员的数量约为正面碰撞 事故所包含的儿童数量的1 2 到2 3 1 0 , 1 1 】，但儿童乘员在侧面碰撞事故中受严重或 致命伤的风险却比其他类型的碰撞事故高【1 0 , 1 2 , 1 3 】。据德国深入的交通事故调查数 据库数据，儿童乘员在侧面碰撞事故中的死亡风险为正面碰撞事故的两倍【l 引。 通过对广泛且深入的交通事故统计数据的分析，总结了c r s 约束下的儿童乘 员在侧面碰撞事故中的受伤特征。在侧面碰撞事故中，儿童乘员的受伤程度与其 坐于车辆的位置有关，因为除车辆加速度外，车辆侧面结构的侵入量也是造成侧 面碰撞事故中乘员伤害的非常重要的因素。因此一般而言位于碰撞侧的儿童乘员 的受伤风险高于非碰撞侧的儿童乘员的受伤风险【1 2 , 1 3 , 1 4 1 。坐于后排座位的儿童乘 员的受伤风险低于前排座位儿童乘员的受伤风险，这对正面和侧面碰撞都如此 15 , 1 6 】。在侧面碰撞事故中，位于碰撞侧儿童乘员最易受伤的身体部位是头部、面 5 基于试验和有限元仿真的儿章乘员正面和侧面碰掩安全研究 部、颈部、胸部和下肢【1 2 , 1 3 , 1 4 , 1 7 】。有研究指出头部、胸部和颈部易受严重伤害， 因此需要通过改善c r s 的设计才能更有效的减轻这些部位的伤害【1 2 , 1 3 , 1 8 j 。通过对 深入的交通事故统计数据的分析知道对位于碰撞侧的儿童乘员造成头部a i s5 - 6 伤害的来源主要是与车门、侵入的物体、a b 柱及前排座椅的撞击；而造成头部 a i s1 - 3 伤害的来源主要是与侧面车窗的玻璃框及塑料饰板的撞击【1 2 , 1 3 j 。车门上 部车窗胶条区域是常造成头部伤害的区域【l 。 儿童乘员在正面和侧面碰撞事故中的受伤特征不同，c r s 在设计上应该综合 考虑不同类型碰撞事故中对儿童乘员的保护。c r s 最初是为儿童乘员的正面碰撞 保护设计的，儿童乘员安全法规也是从建立正面碰撞法规开始的。 1 2 儿童乘员安全法规 最早的关于儿童乘员安全的法规是美国于19 7 1 年颁布的m v s s2 13 ，即 f m v s s2 1 3t 引。1 9 8 1 年欧洲颁布了儿童乘员安全法规e c er 4 4 5 1 。随着对儿童乘 员安全问题研究的不断深入，这两部法规都经历了多次修改和增补。日本于19 9 9 年在道路交通法中加入了专门针对儿童乘员保护的内容，即自2 0 0 0 年4 月1 日起， 不满6 岁的儿童乘车时必须使用儿童专用座椅。j n c a p ( j a p a nn c a p ) 于2 0 0 1 年开始对儿童座椅进行法规评价【l9 1 。中国的碰撞标准制定工作组于2 0 0 3 年开始 研究制定机动车儿童乘员用约束系统强制性标准，目前该标准已在公开征求 意见【3 1 。 1 2 1 美国的儿童乘员安全法规 美国联邦机动车安全标准f m v s s 中与儿童乘员安全相关的法规有多部，其 中针对儿童乘员约束系统的f m v s s2 1 3 和针对乘员保护的f m v s s2 0 8 是与儿童 乘员安全直接相关的法规，另外一些f m v s s 法规虽未提及儿童但所针对的汽车 安全问题与儿童乘员相关，如头部约束标准f m v s s2 0 2 ，座椅系统标准f m v s s 2 0 7 ，座椅安全带标准f m v s s2 0 9 等【2 们。 f m v s s2 0 8 乘员碰撞保护法规，于1 9 6 8 年实施【2 0 1 。该法规通过比较车 辆动态试验中假人加速度等的实测值与法规限定值来评价车辆的防撞性，同时还 对手动的和自动的约束装置有具体的性能要求，目的是降低车辆乘员的受伤程度 和死亡人数【2 1 1 。由于安全气囊造成的儿童乘员伤亡事故倍受关注，在新的2 0 8 法 规中增加了关于减少安全气囊对儿童乘员伤害的新规定【2 们。 f m v s s2 l3 儿童乘员约束系统法规，于l9 7 1 年颁布。该法规规定了用于 机动车辆和飞机的c r s 的要求【2 1 1 ，包括动态台车试验，标签和安装说明书书写 规范及防火性规定。动态台车试验检查的项目包括头部和胸部加速度，头部和膝 部的前方移动量，c r s 的结构完整性，背带和带扣的性能，座椅的位移量及对儿 6 奄乘员的容纳性。1 9 9 5 年该标准增加了一倍的碰撞试验用儿童假人数量；在1 9 9 6 年又提高了所使用假人的几何尺寸和重量范围。这些修改的目的是为了让试验能 更真实的反映使用c r s 的儿童乘员的状况。目前还在讨论把体重2 95k g 的h y b r i d i i i1 0 岁儿童假人纳入试验对象【如i ，这就要求c r s 的动态试验闽值需包含重3 23 k g 的儿童乘员的响应。 1 2 2f m v s s2 1 3 与e c er 4 4 比较 欧洲儿童乘员安全法规e c er 4 4 于1 9 8 1 年颁布。与f m v s s2 1 3 相似，e c e r 4 4 在改进过程中增加了有关减轻或避免安全气囊对儿童乘员的伤害，增加试验 的儿章假人数量等内容。另外还增加了侧面碰撞试验及国际