（机械工程专业论文）汽车侧碰撞中3岁儿童乘员的损伤风险分析及防护研究.pdf

汽车侧碰撞中三岁儿章乘员的损伤风险评估及防护研究 摘要 在侧碰撞中，由于被撞车门的侵入而产生的直接载荷，使坐在碰撞侧的儿童 乘员受到严重损伤和致命损伤的风险大大提高。正确使用儿童约束系统是减少碰 撞中儿童损伤或死亡风险的有效方法。而儿童乘车安全性受到儿童约束系统的特 性和汽车内饰件等因素的综合影响。因此，为了提高我国儿童乘车的安全性，开 展对汽车侧面碰撞中儿童乘员的损伤风险分析及损伤防护的研究工作具有重要意 义。 本文应用有限元和多刚体耦合的子结构方法建立了三岁儿童侧面碰撞仿真分 析模型，并通过台车试验结果对模型进行了验证。在此基础上建立了三岁儿童乘 员四种约束方案的计算机分析模型：( 1 ) 儿童假人无c r s 约束，无侧面安全气囊； ( 2 ) 儿童假人无c r s 约束，有侧面安全气囊；( 3 ) 儿童假人有c r s 约束，无侧 面安全气囊；( 4 ) 儿童有c r s 约束，有侧面安全气囊。通过对比四种情况下儿童 假人的运动学和动力学响应来分析侧面气囊和c r s 降低三岁儿童乘员在汽车侧 碰撞中损伤风险的效率。 针对目前儿童约束系统的研究工作主要集中在儿童座椅设计参数的改进、儿 童座椅不同固定方式的比较，对于儿童座椅与汽车车门内饰、座椅、安全气囊等 参数的优化配置缺乏深入研究的情况，本文采用多目标遗传算法对侧碰撞中儿童 约束系统进行优化设计。运用正交试验设计方法分析了相关设计参数的敏感性， 进而建立优化目标的回归代理模型，最后利用基于p a r e t o 最优解的多目标遗传算 法进行优化求解。 研究结果表明：儿童约束系统和安全气囊的配合使用能显著降低儿童乘员的 损伤风险，单独使用侧面安全气囊对儿童乘员在侧碰撞中的保护效果不如单独使 用儿童约束系统的情况，而仅使用侧面气囊并没有增加儿童约束系统头部的损伤 风险，不使用任何约束的儿童乘员乘车时的损伤风险是最高的。 对儿童约束系统的优化分析确定了该儿童约束系统主要设计参数侧面气囊的 泄气率常数为o 0 6 ，儿童座椅的上固定点位置o 2 5 m ，座椅下固定织带的刚度系 数o 5 。在最优设计配置条件下得到的儿童头部合成加速度峰值比初始值下降了 3 8 。本文的研究结果对国内的儿童乘员在侧碰撞中损伤防护研究具有一定的参 考价值。 关键词：侧面碰撞；三岁儿童乘员；损伤风险分析；优化设计 硕l j 学位论文 a b s t r a c t i na na c c i d e n to fc a rt oc a rs i d ec o l l i s i o nt h ed o o ri n t r u s i o no fs t r u c kc a ri st h e c a u s eo fr e l a t i v e i yh i g hr i s ko fs e r i o u so rf a t a li l l j u r i e st oc h i l dp a s s e n g e r s c h i l d r e s t r a i n ts y s t e m ( c r s ) u s e dc o r r e c t l yh a sb e e np r o v e dt ob ea ne f f e c t i v em e t h o dt o m i t i g a t et h ef i s k so fi n i u r ya n dd e a t hf o rc h i l d r e ni nm o t o rv e h i c l ec r a s h e s h o w e v e r t h ec a rs a f e t yp e r f o r m a n c ef o rc h i l do c c u p a n tp r o t e c t i o nw a si n f l u e n c e db yn o to n l y c h i l dr e s t r a i n ts y s t e mb u ta l s oa u t o m o t i v ei n t e r i o rs y s t e m s ot h a ti ti ss i g n i f i c a n tt o i n l p r o v et h ec a rd e s i g nt h r o u g ht h er e s e a r c ho np r o t e c t i o ns y s t e mo fc r s a n di n t e r i a f b rc h i l do c c u p a n t si ns i d ei m p a c t 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 y n a m i cs i m u i a t i o no fm u l t i - b o d yc o d ec 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 e w h o l es i m u l a t i o nm o d e lw a sv a l i d a t e di na c c o r d a n c ew i t ht e s tr e s u l t s o nt h eb a s eo f v a l i d a t e dm o d e l ，f o u rs i m u l a t i o nm o d e l sw e r ed e v e l o p e d t h e s em o d e l si n c l u d e d ，( 1 ) c h i l dd u m m yi sn o tr e s t r a i n e db yc r so rs i d ea j r b a g ，( 2 ) c h i l dd u m m y i sn o tr e s t r a i n e d b yc r sb u ts i d ea i r b a g ，( 3 ) c h 订dd u m m y i sr e s t r a i n e db yc r sb u tn o ts i d ea i r b a g ， ( 4 ) c h i l dd u m m yi sr e s t r a i n e db yc r s a n ds i d ea i r b a g k j n e t i ca n dd y n a m i cr e s p o n s e s o fc h i l dd u m m yw e r ea n a l y z e dt oc o m p a r ee f f e c t i v e n e s so fs i d ea i r b a ga n dc r sf o r r e d u c t i o no fi n j u r yr i s k so f3y e a r so l dc h i l dp a s s e n g e r s i nv e h i c l es i d ei m p a c t c u r r e n tr e s e a r c ho nc r si sf o c u s e do ni m p r o v e m e n to fc h i l ds e a td e s i g n p a r a m e t e r s ，c o m p a r i n go fv a r i o u sa n c h o f a g ed e v i c e s o p t i m i z a t i o nd e s i g no fc h i l d r e s t r a i n ts v s t e mw a sc a r r i e do u ta si tw a sn o tc o n d i d e r e db e f o r ei nc o n f i g u r a t i o no f c h i l ds e a ta n dv e h i c l ei n t e r i o rs y s t e m d e s i g n o fe x p e f i m e n t sa n dp a r a m e t e r s e n s i t i v i t ya n a l y s i sw e r ec o n d u c t e dt 0 c o n f i r mt h ep r i m a r yd e s i g np a r a m e t e r s r e g f e s s i o ne q u a t i o n so fo p t i m i z a t i o no b je c t i v ew e r eo b t a i n e d o p t i m i z a t i o no ft h e e q u a t i o n sw a sf i n i s h e du s i n gn o n d o m i n a t e ds o r t i n gg e n e t i ca l g o r i t h m ( n s g a i i ) t h er e s u l t ss h o w e dt h a tc r si nc o m b i n n a t i o nw i t hs i d ea i r b a g c o u l d e f f e c t i v e l ym i t i g a t ei n j u r yf i s ko fc h i l dp a s s e n g e ri ns i d ei m p a c t s c r sw a sm o r e e f f e c t i v e l yt h a ns i d ea i r b a gw h e nu s e di n d i v i d u a l l y h o w e v e r ，s i d ea i r b a gd i dn o t i n c r e a s eh e a di i l j u r yf i s ko fc h i l do c c u p a n ti ns i d ei m p a c t c h i l dp a s s e n g e rh a d h i g h e s ti n j u r yr i s kw h e nt h e yw e r en o tr e s t r a i n e di nc a r o p t i m i z a t i o nr e s u l t si n d i c a t e dt h a tm a i nd e s i g np a r a m e t e r so fc h i l dr e s t r a i n t s y s t e mw e r em a t e r i a lp e r m e a b i l i t y0 0 6o fs i d ea i r b a g ，l o c a t i o n 一0 2 5 m0 ft o pt e t h e r i nx d i r e c t i o n ，s t i f f i l e s sc o e f f i c i e n t0 5o fl o w e ra n c h o r a g e i nt h eo p t i m i z e d c o n d i t i o n ，t h ep e a kv a l u eo ft h eh e a da c c e l e f a t i o nw a sr e d u c e db y3 8p e r c e n t ，p e a k i v a l u eo ft h o r a xa c c e l e r a t i o nw a sa l s or e d u c e d k e yw b 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 ；坷u r yr i s k ；o p t i m i z a t i o n 硕十学位论文 1 1 研究的背景及意义 第1 章绪论 随着汽车工业的发展以及汽车保有量的增加，交通事故伤亡已经成为威胁人 类自身安全的世界第一大公害。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。而从我国道 路交通事故统计年报看乜1 ，2 0 0 8 年我国发生的交通事故中，正面碰撞比例为 2 7 3 1 ，而侧面碰撞占据3 6 8 6 ，因侧面碰撞造成的人员伤亡比例为3 7 0 2 ，引 起的直接财产损失占2 4 3 9 。侧面碰撞已成为发生频率最高和造成人员伤亡最多 的事故形态。 交通事故中儿童乘员的伤亡已经成为一个很严峻的问题。世界卫生组织调查 数据显示，2 0 0 2 年有4 9 7 3 6 名0 4 岁的婴幼儿在道路交通事故中死亡，同时有 1 3 0 8 3 5 名5 1 4 岁的儿童在交通事故中死亡口1 。在我国，随着私家车数量的逐步增 加，儿童乘员的安全性问题也越来越受到家长及全社会的重视。从我国道路交通 事故统计年报看心1 ，2 0 0 8 年4 2 4 3 名1 5 岁以下的儿童在交通事故中死亡，有1 7 1 1 2 名1 5 岁以下的儿童在交通事故中受伤，其中1 6 岁儿童乘员的死亡和受伤比例最 高，分别为2 8 8 和2 0 8 。 美国国家公路交通安全局( n h t s a ) 2 0 0 2 年的统计报告显示：在1 9 9 9 年死 于交通事故中的o 1 2 岁的儿童乘员中有3 2 是由于汽车侧碰撞事故引起的，其中 乘坐在碰撞侧的儿童乘员有5 5 受到了致命损伤。加拿大的有关侧碰撞交通事故 统计资料也表明碰撞侧是最危险的位置。此外，当儿童约束系统( c r s ) 安装在碰 撞侧座椅时，车身的侵入量对儿童乘员损伤的影响非常大h 1 。d k l i n i c h 等人畸1 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，使坐在碰撞侧的 儿童乘员受到严重损伤和致命伤的风险大大提高，因此要致力于研究汽车侧面碰 撞中碰撞侧儿童乘员的损伤防护。 由于儿童的生理解剖学特征与成人有很大的差别，专为成人设计的乘员约束 装置，如安全带和安全气囊等能有效地减少成人在交通事故中的损伤或死亡风险， 但对于儿童乘员却达不到同样的保护效果。儿童约束系统是专为儿童乘员设计的 乘车保护装置。在欧美很多国家和地区，儿童约束系统每年都挽救了很多儿童的 生命。但是儿童约束系统在我国的使用率还相当低。 汽车侧碰掩中3 岁儿童乘员的损伤风险分析及防护研究 因此，评估汽车侧碰撞中儿童乘员的损伤风险，研究儿童损伤机理，对于提 高儿童约束系统的使用率具有一定的促进作用。同时对儿童约束系统进行优化设 计，以减少侧碰撞中儿童乘员的伤亡风险，从而提高汽车侧面碰撞中儿童乘车安 全性，为我国汽车碰撞事故中儿童乘员的安全性研究做出一点贡献。 1 2 车内儿童乘员安全性的研究现状 儿童乘员安全是汽车碰撞安全领域的重要研究课题之一。早在上世纪6 0 年代 国际上就开始了关于儿童乘员安全性的研究。在过去的2 5 年里，儿童约束系统的 结构设计及其安全性评价一直是相关领域研究的核心内容，各国研究人员在c r s 的设计、试验、分析、建模及安全性评价等方面做了大量的研究工作。 1 2 1 儿童约束系统的使用评价 对儿童约束系统的使用评价这个领域的工作主要包括提高c r s 的使用普及率 和减少c r s 的误用率两块内容。 在c r s 的使用推广方面，美国、加拿大、澳大利亚、瑞典、西班牙等国家和 地区均由国家相关部门进行了相应的统计分析工作，结果表明目前在欧美地区儿 童约束系统的使用已经达到了一个很高的使用率，c r s 对儿童乘员的保护效果也 得到了普遍认可 1 。以美国为例，1 9 7 4 年的一项调查显示1 0 岁以上儿童乘员只 有7 在乘车时使用了乘员约束装置，而从1 9 7 8 年田纳西州首先推出强制儿童乘 车使用c r s 开始，c r s 的使用率直线上升，在1 9 9 5 年n h t s a 的一份报告显示在 美国年龄小于1 岁的儿童乘车使用c r s 的比例已达到8 8 ，之后由于各州法令提 高了儿童使用c r s 的年龄要求，到2 0 0 6 年n h t s a 调查结果中5 岁以下儿童使用 c r s 的比例为8 4 ，同时还发现一个现象：使用安全带的驾驶员让乘车儿童使用 c r s 或安全带的概率为9 1 7 ；而不使用安全带的驾驶员使用约束装置保护儿童 的概率只有6 2 3 ，这充分表明提高驾驶员安全意识的重要性。而德国联邦公路研 究所2 0 0 5 年一项调查结果显示，在欧洲5 岁以下儿童使用c r s 的比例已超过9 0 。 综合大量调查统计结果可以发现，c r s 的使用率随着儿童年龄和体重的增加呈明 显的下降趋势，与之相对的则是安全带的使用率随之逐步上升。 在c r s 的误用调查方面，大量研究表明c r s 的误用会严重降低c r s 的保护 效果，而目前c r s 的误用率始终处于一个较高的程度，如何降低误用率成为一个 广泛关注的研究课题【1 2 叫引。c r s 的误用主要包括座椅安装方向是否正确、c r s 与 车辆的连接是否牢固以及安全带的导向是否正确、儿童安全带带扣是否锁止及约 束带长度调节是否合适、滑动夹套定位及座椅倾角的锁止是否正确等情况。表1 1 列出了n h t s a 几次相关的c r s 调查结果，从中我们可以发现目前严重的c r s 误 用现象极大削弱了该装置的保护效果，而且越简单的c r s 装置误用率越低。随着 2 硕j ：学位论文 对不同类型c r s 的潜在误用概率的深入研究，欧美地区已充分认识到防止c r s 误 用的重要性，开始以法规强制的方式推广使用特定的连接装置( 如欧洲的i s o f i x 装置，美国的l a t c h 装置) 来予以减少误用。从表1 1 可以看到u 打c h 装置的 推广使得美国c r s 的误用率出现显著下降。2 0 0 6 年欧洲一份报告指出其调查人群 中c r s 的误用率仍高达6 3 ，但具有i s o f i x 装置的却全都被正确使用，充分证 明了该装置的显著效果。 表1 1n h t s a 儿童约束系统误用情况调查结果 1 2 2 儿童约束系统的性能评价 这方面的研究工作主要包括儿童约束系统的结构设计和动态性能分析两个领 域。儿童约束系统的设计必须兼顾材料力学，人体工程学，儿童心理学等多方面 因素。主要工作包括安全带的结构形式、布置方式、佩戴舒适性和适用范围，研 究新型适用的安全带，研究合理可靠的儿童约束系统定位装置等。c r s 的各项性 能测试主要是通过法规规定的试验来检验，所以试验方法优化的研究是非常重要 的工作，包括假人模型的选择、试验座椅总成的调整、台车碰撞试验脉冲的优化、 侧面碰撞和后面碰撞安全性能的分析等。同时国外研究人员也一直在结合计算机 仿真方法建立仿真模型来替代部分实际试验，便于产品开发阶段的优化设计。 1 2 2 1 儿童约束系统的结构设计 瑞典v o l v o 公司的j a k o b s s o n 等n 提出一种新的后排座椅设计方案，该座椅集成 能够满足不同身材儿童乘员需要的双级增高坐垫，再配合先进的安全带限力器和 侧面安全气帘能够很好地保护4 岁到1 2 岁的儿童乘员。法国雷诺汽车公司c o u t u r i e r 等人n 引则通过试验验证了i s o f i x 装置配合安全带预张紧器在正面碰撞中对q 6 岁 儿童假人的保护效果，发现这两种装置在碰撞过程中对大龄儿童乘员能起到非常 有效的保护作用。美国的w e b e r n 刚通过研究后向式儿童约束系统的保护效果发现： 对比前向式c r s ，后向式产品在碰撞时能有效减轻颈部的拉力并防止脊椎上部的伤 害从而更好地保护年龄较小的儿童乘员免于严重受伤甚至死亡。 3 汽车侧碰撞中3 岁儿童乘员的损伤风险分析及防护研究 1 2 2 2 儿童约束系统的性能测试 由于c r s 动态性能测试主要是通过台车试验来完成，所以提高试验设备和试 验方法的可靠性和真实有效性是不可或缺的工作。目前汽车儿童约束系统动态性 能评价主要是依据不同年龄段的儿童测试假人及相关的数学仿真模型乜吼圳在试验 条件下的动态响应值，因此，开发具有更高生物逼真度的儿童假人模型从而获取 更接近真实情况的伤害评价指标也是各方面研究的重点。为了提高儿童约束系统 安全性分折的试验和仿真精度，美国已着手进行用更合理准确的有限元方法来建 构h v b r i di i i 型碰撞假人有限元模型的研究，欧洲也早已开展研究新一代的q 系列 儿童假人模型来替代目前普遍使用的p 系列儿童假人心2 3 1 。 1 2 2 3 儿童约束系统的仿真分析 由于在产品开发阶段通过试验进行优化设计很不方便。因此国外研究人员一 直在探索使用仿真方法来替代这一阶段的台车试验。法国的l e f e u v e 等人心们较早将 仿真分析方法引进到c r s 设计研究中来，他们在c r s 设计过程中对数学方法的应 用进行了研究，并分别使用弹性静态和弹性动态方法完成了c r s 数学建模及分析。 加拿大e m a ma ，s e n n a hk 等人心5 1 使用m a d y m o 软件建模分析碰撞事故的剧烈 程度和接触表面的材料特性对前向儿童乘员动态响应的不同影响。维吉尼亚大学 的l e x v a i lr o o o 、c h r i s t o p h e rs h e r 、) l ，o o d 等人心印也是利用台车试验验证过的 m a d y m o 模型来研究在使用车用安全带固定的增高坐垫时安全带各主要特征参 数对4 到1 0 岁的大龄儿童乘员动态响应的影响。加拿大温莎大学的q i a nw a n g ， t a n y ak a p o o 等人心7 1 则使用l s d y n a 软件建立了3 种刚性和可变形的儿童约束系 统模型进行正面碰撞有限元仿真分析，再与葛莱公司进行的儿童座椅台车试验结 果相结合来研究正面碰撞时前向式儿童约束系统对3 岁儿童乘员的保护作用。在 i n i c h 等乜盯的研究中，采用有限元模型和事故重建实车碰撞试验相结合的方法， 真实模拟儿童头部损伤的各种情景以探索婴儿头部碰撞时的响应特征及颅骨的耐 受极限，并依据事故重现得到的各种响应数据来定义参数建立起一个六个月婴儿 的有限元模型，能够较好地模拟不同的伤害性和非伤害性加载情况。 1 3 汽车侧面碰撞中儿童乘员安全性的研究现状 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。尽管对侧面碰撞中儿童乘员 损伤防护的研究工作稍晚于正面碰撞，但国外儿童安全方面的专家对于汽车侧碰 撞中儿童乘员损伤防护也取得了一些研究成果。 n a g a b h u s h a n a 等人心钉通过分析1 9 9 1 2 0 0 5 年n a s s c d s 数据库中的统计数据 得出，儿童乘员在乘车时的乘坐位置分布如图1 1 所示，通过分析发现6 6 的儿童 4 硕士学位论文 乘员坐在汽车座椅第二排的位置，其中有7 7 的儿童乘员在汽车侧碰撞事故中受 到损伤。 5 0 彤 加 主3 5 蚤3 0 求2 5 旧2 0 1 5 1 0 5 0 一所有儿童口受伤儿童 鏊 懑豳 鬻 囊 糍 麟 瓣 圈夔i 霸 渊 爨锻； 豳厦警。1 覆i l 霞蓥 i l鍪 囊 图 l l l 羽墨 荔； 荔 谰e 矗墨_ 蹩 搿； 黪 汽车侧碰撞中3 岁儿童乘员的损伤风险分析及防护研究 ： 3 5 兰3 0 丑2 5 器；： 1 0 ； 一所有儿童四受伤儿童 z a ) s a e j 2 2 4 议粟b ) 碰撞位置 图1 3 碰撞位置分布 a n i lv k h a d i l k a r 等人口2 3 研究了儿童乘员和小个子乘员侧碰撞防护的设计要 求，指出影响侧碰撞保护效果的参数为车门内饰填充材料的使用及其材料特性， 髋部约束装置和侧面气囊。目前的汽车设计中可能存在的问题是气囊的设计并不 能提供给所有身材的乘员相等的保护作用。提出进一步的工作是要设计足够敏感 的气囊应满足不同身材的乘员。 评价侧面碰撞中儿童约束系统的保护性能也是汽车侧面碰撞中儿童乘员安全 性的重要研究内容。台车试验的目的必须能重现整车侧面碰撞的运动特性，且以 一种更简单、更普通的方法。侧面碰撞特征由以下因素来衡量：车辆加速度，车 辆速度，侵入深度和侵入速度，以及几何测量如c r s 与车辆侧面结构的距离等。 e c e r 9 5 对多种车型进行了多次整车侧面碰撞试验，对目前市场上各种车辆的侧碰 撞受损程度进行了概括，大多数车辆侧面碰撞情况为： ( 1 ) 侵入速度范围为7 1 0 m s ； ( 2 ) 侵入深度为2 5 0 m m 左右； ( 3 ) 台车加速度范围为1 0 1 5 9 ； ( 4 ) 车门高度为5 0 0 m m 左右； ( 5 ) 门与c r s 中心线的距离为3 0 0 m m 左右。 在此基础上，欧美等国家的专家研究提出了多种台车试验方案引。 柏林科技大学( t e c h n i c a lu n i v e r s i t vo fb e r l i n ) 最早提出c r s 侧面碰撞台车试 验采用两个台车来实现减速和侵入的模拟。车门装在撞击台车上，c r s 装在汽车 座椅上，汽车座椅装在被撞台车上，装有车门的台车去撞击装有c r s 的台车，实 现车门的侵入及座椅的减速。试验如图1 4a )所示。后来车门由平板代替，汽车 座椅由e c e r 4 4 试验座椅代替。试验条件如图1 4b ) 所示。 欧洲交通研究实验室t r l ( t r a n s p o r tr e s e a r c hl a b o r a t o r y ) 提出用铰链连接的 呷一 硕士学位论文 车门来模拟车门的侵入b 引。铰链连接的车门被1 0 0 k g 重的摆捶撞击。由于摆捶的 质量轻，无法模拟好侵入情况。在铰链车门的基础上，北欧国家提出用曲形板来 表示车门，固定在台车支架上，侵入速度由台车的初始速度来模拟。开始运动后， 台车逐渐减速，在和c r s 及儿童假人的接触过程中实现侵入。此方案被t n o 公司 用平板实践了。 a ) 初始方案b ) 改进方案 图1 4 柏林科技大学c r s 侧碰台车试验 i s 0 1 4 6 4 6 试验程序口3 1 是建立在t r l 试验方案基础上。用一铰链连接的车门实 现侵入，e c e r 4 4 试验座椅放置在台车上，并与台车行进方向成9 0 。角。为了避 免车门与试验座椅靠背间的相互作用，将靠背往前偏置1 0 0 m m 。如图1 5 所示。，? 车门与试验座椅坐垫垂直，与地面成1 5 。角。试验模拟的侵入量为2 5 0 m m ，最大 侵入速度为9 m s 。 图1 5l s 0 1 4 6 4 6 试验图1 6 折形板方案 代表车门的刚性板的形状被多次讨论了，采用平板，弯曲板和折形板分别进 行试验后，折形板的最大优点是它能模拟最大程度的侵入，这是平板所不能实现 的。最后，折形板车门方案形成，如图1 6 所示。在台车减速过程中，车门开始侵 入。c r s 中心线与铰链门的距离为3 0 0 m m 。试验程序考虑到侧碰撞中最坏的情况。 台车减速度由d e l t a v 为2 5 1 【m h 来实现。固定车门的铰链由移动铰改成旋转铰。 7 汽乍侧碰撞中3 岁儿童乘员的损伤风险分析及防护研究 t n o 试验程序口3 3 是基于早期的i s 0 1 4 6 4 6 。主要区别是t n 0 采用的是平板， 及不一样的可变形吸能材料。t n o 试验程序可用于前向式c r s 和后向式c r s 的 试验。只是前向式c r s 台车试验程序一直没有实践。 柏林科技大学后来也是采用了铰链连接车门的概念。t u b 从1 9 9 9 年开始研究 试验程序，构思被i s ow g l 所采纳。与i s 0 1 4 6 4 6 最大的不同是车门放置的方向、 不同的车门板形状和不同的可变形吸能材料。另外靠背和安全带上固定点在y 方 向是可移动的，且紧紧固定在侵入门板上，以实现整车侧碰撞中汽车座椅和b 柱 的位移。在t u b 试验程序中车门是垂直地面的。折形板由更厚更软的吸能材料来 填充。t u b 试验在2 0 0 5 年底被n p a c sp r o g r a m m e ( n e wp r o g f a m m ef o r t h e a s s e s s m e n to fc h i l dr e s t r a i n ts v s t e m s ) 选为试验方案。 德国车辆俱乐部( g e 珊a n ym o t o r i n gc l u b ) 采用白车身来做c r s 试验口引。将 白车身固定在台车上，与台车成8 0 。角，且在上面固定一个车门，不模拟侵入。 台车由初始速度为2 5 k m h 开始减速，减速度为1 5 9 。此方案最大的优点是可重复 性强。 1 4 中国车内儿童乘员安全性的研究 1 4 1 中国儿童乘车安全问题的现状 随着私家车进入家庭，我国儿童乘员的安全问题越来越突出。在我国，婴儿 乘车一般由大人抱着，而稍大些的孩子通常直接坐于车内座椅，系成人安全带或 不系安全带。在撞击速度差4 8 k m h 的汽车碰撞事故中，儿童乘员将受到相当于其 身体重量3 0 至6 0 倍的惯性力，若没有使用任何约束装置，儿童乘员将被抛出座 椅而与车内物体或其它车乘人员发生撞击，更严重的将被抛出车窗外，这对于身 体结果还处于生长发育阶段的儿童乘员来说是相当危险甚至是致命的。 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，c r s 的平均使用率为5 左右，正确使用率不超过2 b 舢。目前我国还没有像国外那种 儿童座椅专营店，儿童座椅一般在像北京、上海等大城市的大型商场或儿童用品 专营店有销售，在中小城市几乎见不到有儿童座椅销售。而在我国销售的儿童座 椅中，国外品牌如欧洲和日本品牌占了相当大的比重，价格也相对较高。国内生 产的儿童座椅也多是引进国外技术，产地多集中在浙江、宁波等地。从制造技术 上讲，目前国内已有一些厂家具备了儿童座椅的生产能力，但在技术和研发试验 等方面却基本还要依赖国外厂家支持，且其中大部分产品用于外销口引。 我国儿童约束系统使用率低的原因主要是人们的乘车安全意识还比较薄弱。 根据新浪网友的问卷调查显示，有7 5 6 6 的汽车内没有安装儿童约束系统；有 3 9 9 5 的家长都曾经让孩子坐在危险的副驾驶位置；有4 3 1 2 的家长认为乘车时 8 硕十学位论文 由母亲怀抱或坐在成人腿上是对儿童有效的保护；有1 0 0 5 的驾驶员认为安全气 囊是对儿童乘员的有效保护口6 1 。 1 4 2 国内儿童乘员安全性的研究现状 虽然国际上车内儿童乘员安全性的研究工作已经开展了很多年，但在国内这 仍是一个较新的课题。我国对儿童乘员保护方面的研究才开始进入起步阶段，目 前只有少许相关的研究机构或重点大学的学术团队对儿童乘员安全性法规、儿童 约束系统的建模仿真及台车试验等进行了初步的研究，研究成果相对较少。 中国汽车技术研究中心的袁健等口7 1 重点比较了美国f m v s s 、欧洲e c e 以及日 本保安标准对儿童约束系统所提出的具体技术要求，对我国儿童约束系统的立法 工作起到了一定的指导价值。江苏大学的葛如海等0 8 3 对儿童约束系统进行了较全 面的概述，介绍了c r s 的定义、工作原理、分类、影响其安全性能的关键部件及国 外c r s 研发阶段各种技术的应用现状等主要内容，并简要指出了未来c r s 的研究重 点。 江苏大学的苗强等刚使用m a d y m o 软件对某类型c r s 进行了仿真研究，并利 用验证后的模型对c r s 的设计参数进行了灵敏度分析，为新型c r s 开发提供了理论 依据。湖南大学的杨杏梅等h 叫同样利用m a d y m o 软件建模研究增高座椅对6 岁儿 童乘员的保护效果，分析得出了增高座椅的设计参数对儿童乘员的响应及损伤风 险的影响，为进一步改进增高座椅的设计提供了参考依据。而湖南大学的高伟等“订 同学则最先在中国开展汽车侧碰撞中儿童乘员安全性的研究工作，分析了汽车不 同碰撞速度下儿童乘员的运动学和动力学响应。同济大学的方圆等h 2 1 对儿童乘员 约束系统的分类和组成以及相应的发展进行了概述，展望了先进的设计理论、计 算机仿真技术应用和系统化研究策略给儿童乘员约束系统研究开辟的前景。 清华大学和宁波均胜工业有限公司于2 0 0 7 年3 月建立起国内第一个汽车儿童 安全座椅碰撞试验室，清华大学在这一领域进行了不少的探索工作，罗萌、唐亮 等h 3 1 利用m a d y m o 软件模拟e c er 4 4 法规的正面碰撞台车试验环境进行c r s 建模 及仿真分析，对儿童约束系统及台车试验系统设计参数对儿童乘员动态响应的影 响进行了分析；李可瑞、王步康等h 4 1 对汽车儿童约束系统的动态碰撞试验方法进 行了研究，其根据国外相关标准和法规结合试验室现有的试验条件，设计制作了 c r s 动态试验中使用的试验座椅总成及相关附件，研究了试验方法与流程，为今后 国内完善相关试验能力积累了经验。 1 5 本文研究目的和主要内容 文献乜1 中综合统计显示：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。侧碰撞中，由于被撞车门的侵入而产生的直接载荷，使坐在碰撞侧 9 汽车侧碰撞中3 岁儿童乘员的损伤风险分析及防护研究 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，研究汽车侧碰撞中 儿童乘员的运动学和动力学响应，可为改进汽车的安全性和儿童约束系统的优化 设计奠定基础，同时对我国儿童乘员安全防护研究工作的全面展开作出一点贡献。 本文采用计算机仿真的方法评估了儿童乘员在侧碰撞中的损伤风险，进而对 儿童约束系统进行优化设计，主要研究内容如下： ( 1 ) 汽车碰撞中儿童乘员安全性方面的文献研究。总结了车内儿童乘员安全 性的研究现状，重点分析了汽车侧面碰撞中儿童乘员损伤防护的研究现状和中国 车内儿童乘员安全性及儿童约束系统的研究工作。 ( 2 ) 以国内某款轿车为基本模型，用多刚体和有限元耦合的方法建立了儿童 约束系统侧面碰撞仿真模型。整个模型的有效性通过台车试验结果进行了验证， 并在此基础上对儿童乘员在侧面碰撞中的损伤风险进行评估。 ( 3 ) 对侧碰撞中儿童约束系统的设计参数进行正交试验设计、全因子试验 设计，确定主要的设计参数，进而建立设计目标的回归代理模型，并利用基于 p a r e t o 最优解的多目标遗传算法对优化目标的近似模型进行求解。 l o 硕士学位论文 第2 章机动车儿童乘员用约束系统综述 2 1 儿童约束系统的分类 汽车儿童安全座椅有多种分类标准h5 删。目前市场上销售的汽车儿童安全座 椅主要有婴儿型、婴幼儿型、全能型和增高型座椅。一岁以下的婴儿使用婴儿型， 婴幼儿型或全能型；一岁到四岁的幼儿使用婴幼儿型，全能型或儿童增高座椅； 四岁到八岁的儿童使用全能型或儿童增高座椅。婴儿用是躺卧的方式；幼儿用可 分为前向式、后向式或两者兼用式，学童用是使用可以把学童垫高的增高座椅， 学童被垫高之后就可以使用成人座椅安全带。 按照约束系统的通用性汽车儿童座椅可分为： ( 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 ) 半通用类，安装配备有l 虹c h i s o f i x 辅助固定点的座位； ( 3 ) 受限类，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： ( 4 ) 指定车型类，整体式或只能在指定车型上使用( 通常供残疾人使用) 。 图2 1 是市场上常见的几种汽车儿童安全座椅的图片。 a ) 婴儿提篮b ) 婴儿移动睡床c ) 后向式c r s d ) 前向式c r se ) 增高座椅f ) 增高座垫 图2 1 市场上常见的汽车儿童安全座椅 汽车侧碰撞中3 岁儿童乘员的损伤风险分析及防护研究 2 2 儿童约束系统的组成 早期的儿童约束系统仅由一些钢管结构组成，简单的钩挂在汽车座椅靠背上。 经过不断的发展，如今的儿童约束系统在结构和约束方式等方面已经取得了显著 的提高，一般包括主体骨架结构，由约束带、带扣和调节机构构成的儿童安全带 系统，由吸能材料和织布等构成的座椅套以及把c r s 固定在车辆上的连接机构( 如 i s o f i x l 玎c h 等装置) 或通过成人安全带固定的引导装置h ”。 l a t c h 是l o w e r a n c h o r sa n dt c t h e r sf o rc h i l d r e n 的简称，翻译成中文是下扣 件和栓带。在汽车内完整的l 盯c h 系统包括座位下方两侧，座垫和椅背交接处两 个固定在座椅上的下扣件( l 0 w e r a n c h o r s ) ，和座椅靠背上方一条固定在车上的栓 带( t e t h e r ) 。下扣件和栓带的接头都有标准化规格，符合l 虹c h 系统的儿童安全 座椅，在座椅两侧和椅背上方同样位置也有三个兼容的接头。 欧洲国家要求所有汽车都必须提供符合规定的i s o f i x ( i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d s o r g a n i z a t i o nf i x ) 儿童安全座椅固定系统，能够让驾驶人快速、稳固、正确地固定 儿童安全座椅。欧洲的i s o f i x 的发展比l 盯c h 还早，最初的构想大概在1 9 9 0 年便开始了，i s o f i x 标准实际实施也比l 盯c h 系统早两年。i s o f i x 主要目标是 要为固定儿童安全座椅提供一个标准、通用的方式，能避免儿童安全座椅固定上 的错误，且能进一步提升儿童安全座椅保护的功能。i s o f i x 安全系统包括下固定 系统和上端固定点。这套系统可提供一个极其可靠和方便的刚性固定点，能为儿 童座椅提供理想的支持和保护引。 两类固定装置在结构方面的差异是i s o f i x 只允许使用刚性的底部连接件， 而且不一定需要使用顶部链绳，c r s 与车身的连接是刚性的，如图2 2 所示；而 l a t c h 的底部连接件有可变形和刚性两种，同时必须使用顶部链绳，如图2 3 所 示。 上固定点埝登篱遂k ：j 、鼙 一爹j 。 下固定点一 a ) 图2 2i s o f l x 固定装置 1 2 硕上学位论文 a ) 配有可变形连接件的l a t c hb ) 配有刚性连接件的乙盯c h 图2 3l 虹c h 固定装置 在儿童约束系统的组成里，固定机构、调节机构、锁止机构和儿童安全带部 分等在法规中都有严格的部件试验测试，其设计必须遵循相关的要求，同时尽量 满足使用的便利性，而主要框架结构的设计则按照人体工程学以舒适性为设计原 则。 2 3 儿童约束系统的保护作用 儿童的身体特征与成年人有很大的差别，所以目前车辆上配备的主要为保护 成年乘员而设计的约束系统并不适用于儿童乘员，甚至可能会对儿童乘员造成一 定的伤害。世界上很多国家和地区都规定了一定年龄以下的儿童乘员必须使用专 门的儿童约束系统，以降低和减少儿童乘员在车辆事故中所受的伤害。 2 3 1 儿童乘员的特殊性 儿童有着特殊的身体结构，他们的骨骼尚未发育完全、头部所占身体重量的 比重也更大些等，这都导致了他们在车祸中所受的伤害也有其特殊性。 2 3 1 1 儿童解剖学 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h 8 1 。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 4 所示。除了儿童头部比重大而需要额外保护外，另一个 1 3 汽车侧碰掩中3 岁儿童乘员的损伤风险分析及防护研究 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h 9 1 。 图2 4 成长中的儿重身体比例 2 3 1 2 儿童损伤机理研究 导致儿童头部损伤的原因有两个：接触和惯性力矩啼们。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 岁时才发育成熟哺。儿童从l 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) 啼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，儿童颈部肌肉尚未发育成熟，颈部韧带还比