（车辆工程专业论文）轿车行人碰撞中头部和下肢损伤分析以及防护措施的研究.pdf

硕士学位论文 摘要 在行人一车辆碰撞事故中，行人因为没有保护空间而成为易受伤害群体，事 故发生率极高。统计数据显示，行人事故中头部和下肢是主要的受伤部位。因此， 国内外车辆安全专家及研究人员对头部和下肢防护展开了大量的研究。 本文旨在分析人车碰撞事故中，汽车前部结构参数对人体头部与下肢损伤的 影响，并讨论人体头部和下肢损伤防护措施。 在m a d y m o 软件中改进了瑞典查尔摩斯大学开发的5 0 百分位行人多刚体 数学模型的肩部结构。通过增加胸锁关节、肩锁关节以及盂肱关节三个解剖学 关节及各组成骨骼，和定义关节的机械特性，并通过生物力学实验结果验证了 肩部模型的有效性，提高了肩部结构生物逼真度。以此行人模型作为本论文工作 中研究汽车与行人碰撞生物力学问题和参数分析的工具。参考世界各国汽车前部 几何形状统计数据，设定前部结构尺寸主要设计变量范围，并根据轿车产品前部 保险杠、发动机罩、前挡风玻璃结构几何形状尺寸分别建立了如下汽车与行人碰 撞分析基本模型：( 1 ) 汽车前部结构参数对人体下肢损伤影响分析模型； ( 2 ) 汽车前部结构参数对头部损伤影响分析模型；( 3 ) 行人头部防护气囊参数分析 及优化模型；( 4 ) 面向行人保护的保险杠设计分析模型。 运用正交试验设计方法，选择试验点，绘制趋势图和方差分析( a n o v a ) 研 究了汽车前部结构对头部和下肢损伤参数的影响规律以及影响程度。讨论了行人 头部防护措施。建立了头部防护气囊模型，并且求得气囊参数的最优解，最后探 讨了减少膝关节损伤的保险杠设计方法。 研究结果表明：降低保险杠高度，增加保险杠上下之间的宽度及保险杠与发 动机罩前端的距离可以减少汽车与行人碰撞时对行人膝关节的损伤；减少挡风玻 璃倾角，增加发动机盖倾角，增加发动机盖离地高度，可以减少行人头部损伤； 在保险杠横梁上安装缓冲塑料，胫骨加速度减少3 7 6 ，同时膝关节弯曲角度减 少5 1 9 ，在胫骨下端增加支撑结构，膝关节弯曲角度减少1 2 ，从而减少膝关 节损伤。 本文为研究行人与汽车碰撞生物力学问题和开发行人头部和下肢的防护技 术，提供了一套有效的工具和仿真分析方法。模拟计算结果可作为车辆安全设计 的参考依据。 关键词：行人肩部模型；损伤生物力学；头部损伤；下肢损伤；头部气囊； 保险杠 a b s t r a c t i nc a rt op e d e s t r i a na c c i d e n t s ，p e d e s t r i a nb e c 咖e s t ob ev u l n e r a b l ed u et o l 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 dl e a d st o h i 曲f r e q u e n c y a s s t a t l s t l c a d a t ai n d i c a t e st h a th e a da n dl o w e re x t r e m i t i e sa r e t h em a i ni n j u r yp a r t s s oe x e n s l v e r e s e a r c h e so nh e a da n dl o w e re x t r e m i t i e sp r o t e c t i o n h a v sb e e nc a e d o u tb yv e n l c i e s a f e t ye x p e r t sa n dr e s e a r c h e sb o t hh o m e a n da b r o a d t h i sp a p e ri s t oa n a l y z ei n n u e n c eo ff r o n ts t r u c t u r eo fac a r0 np e d e s t n a n 7 s l o w e rl i m b sa n dh e a di n j u r y ，a n dd i s c u s st h ep r o t e c t i o nm e a s u r e s f o 。o h et w ok e yp a r t i n j u r y i th a si m p r o v e dt h es h o u l d e ro f5 0p e r c e n t a g em a t h e m a t i cp e d e s t m nm o d e i d e v e l o p e db y c h a r m e l st e c h n i c a lu n i v e r s i t y i nm u l t i - b o d y c o d em a d y m o t h r o u g ha d d i n gs t e r n o c l a v i c u l a rj o i n t 、 a c r o m i o c l a v i c u l a rj o i n ta n dg l e n o h u m e r a l i o i n t ，d e f i n i n gt h ej o i n t sm a c h e n i c a l c h a r a c t e r st ot h es h o u l d e ra n de m p l o y l n gt h e b i o m e c h a n i c a le x p e r i m e n tr e s u l t st ov a l i d a t et h i sm o d e l ，s ot h eb i o f i d e l i t yo ft h e i t s s h o u l d e r h a sb e e ni m p r o v e db yad e g r e e t h em o d i f i e dm o d e l i su s e d a sat o o lt o f t h eb i o f i d e l i t ys t u d ya n dp a r a m e t e ra n a l y s i si nc a rt o p e d e s t r i a ni m p a c t i d e n t l 士l n g t h er a n g ef o rt h em a i nd e s i g nv a r i a b l eo ff r o n ts t r u c t u r e r e f e r r i n gt og e o m e t r y 0 l f r o n ts t r u c t u r ef r o ms t a t i s t i cd a t a ，a n dd e v e l o p i n gt h ef o l l o w i n g p a s s e n g e r c a rm o d e l b a s e do nt h ef r o n tg e o m e t r yo fac a rp r o d u c t i o no fe u r o p e ： ( 1 )t h ec a rm o d e l 士o r a n a l y z i n gt h ei n f l u e n c eo ff r o n ts t r u c t u r ep a r a m e t e ro nl o w e r l i m b sa n d h e a d 1 n 】u r y ； ( 2 )t h ec a rm o d e lf o r h e a dp r o t e c t i o na i r b a gp a r a m e t e ra n a l y s i sa n df r o n t s t r u c t u r e p a f a m e t e ro p t i m i z a t i o n ； ( 3 )t h ec a rm o d e lf o rb u m p e rd e s i g nb a s e do np e d e s n a n l o w e rl i m b sp r o t e c t i o n b ya d o p t i n gt h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n td e s i g n m e t h o dt oa s s i g nt h ev a l u eo l e v e r yp a r a m e t e r ，d r a w i n gt h et r e n dp i c t u r ea n d a n o v at oa n a l y z et h el n f l u e n c ea n d i 唧o r t a n c eo f f r o n ts t r u c t u r e so fp a s s e n g e r c a ro np e d e s t r i a nh e a da n d l o w e r e x t r e m i t i e si n j u r i e s i th a sd i s c u s s e dt h ep r o t e c t i o nm e a s u r e sf o r h e a d ，b u i l t h e a d p r o t e c t i o na i r b a gm o d e l ，a n dg a i n e dt h eb e s ta n s w e r st h r o u g ho p t i m l z a t l o nm e t h o d ， f i n a l l ys t u d i e db u m p e rd e s i g nm e t h o dt or e d u c er i s ko fk n e e1 n j u r y t h es t u d vr e s u l t si n d i c a t et h a tk n e ei n j u r yw i l lb e n e f i tf r o ml o w e r i n gh e l g h t o f t h eb u m p e r ，i n c r e a s i n gb u m p e rv e r t i c a l w i d t ha n dd i s t a n c eb e t w e e nt h eb u m p e r l e a d i n ga n dh o o dl e a d i n g r e d u c i n g t h ew i n d s c r e e na n 9 1 er e l a t i v et 0l e v e la n dh e l g h t m 硕士学位论文 0 fh o o dl e a d i n ge d g e ， i n c r e a s i n gt h e h o o da n g l ew i l l i m p r o v eh e a dp r o t e c t i o n d u r i n gl o w e rl i m b si m p a c tw i t hb u m p e r ，f i t t i n gt h ep l a s t i ce n e r g ya b s o r b e ro nt h e b u m p e rb e a mc a nr e d u c et h ev a l u eo ft h et i b i aa c c e l e r a t i o nb y3 7 6 ，a n dk n e eb e n d a n g e lb y1 2 s u p p l y i n gt h es t i f fs u p p o r ta t t h el o we n do ft i b i ac a nr e d u c et h e b e n d i n ga n g e lo fk n e eb y1 2 ，a n ds or e d u c et h er i s ko fk n e ei n j u r y t h i ss t u d yp r o v i d e sa ne f f e c t i v ea p p r o a c ha n ds i m u l a t i o nm e t h o df o rr e s e a r c h o ni i l j u r yb i o m e c h a n i c sa n dd e v e l o p m e n to fp 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 nh e a d a n dl o w e rl i m b s k e yw o r d s ：p e d e s t r i a ns h o u l d e rm o d e l ；i n j u r yb i o m e c h a n i c s ；h e a di n j u r y ；l o w e r l i m b si n j u r y ；h e a dp r o t e c t i o na i r b a g ；b u m p e rd e s i g n 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 集体己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：垂色参 日期：触分年上月矽日 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：0 乞参 导师签名。方为萄 i ，y ：一1 日期：硼矿年乡月哆日 日期：嬲年箩月哆同。 硕士学位论文 1 1 研究的背景与意义 第1 章绪论 随着我国国民经济的快速增长，国内汽车自主品牌的崛起，对汽车关键技术 掌握的增多，我国的汽车工业水平正在以史无前例的速度迅猛发展，奋力直追欧 美先进国家。汽车工业作为我国的支柱产业，为推动国民经济发展和技术水平进 步做出了巨大贡献。但同时，汽车保有量以每年一百万辆的速度递增，也为人类 带来纵多负面效应：交通拥挤、废气排放加剧了全球温室效应，更重要的是交通 事故成为了仅次于疾病的人类生命“杀手”。我国是汽车交通事故死亡人数最高的 国家之一，交通事故频繁发生，也给无数家庭带来巨大痛苦。数据表明，中国每 一万辆汽车造成人员伤亡是发达国家的几十倍，如表1 1 所示，这也更加说明我 国交通安全问题的严重性。2 0 0 6 年，全国共发生道路交通事故3 7 8 7 8 1 起，造 成8 9 4 5 5 人死亡，直接财产损失达1 4 9 亿元心3 。 表1 12 0 0 3 汽车大国交通死亡人数对比 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 者中的高危人群。来自欧洲的3 5 个国家统计数据表明：2 0 0 3 年在整个欧洲交通 事故中，行人平均死亡人数占总死亡人数的2 5 ，美国1 3 ，澳大利亚1 6 ， 日本高达2 8 ，而发展中国家印度和泰国则高达4 0 5 0 。在中国2 0 0 0 年至2 0 0 3 年间，行人受伤人数分别为5 5 1 0 4 ，7 5 1 3 7 ，7 6 7 7 9 ，6 8 0 4 0 ，分别占总数1 3 1 6 ， 1 3 7 5 ，1 3 6 6 ，1 3 8 ，2 0 0 4 年的行人死亡比例2 5 1 。比例虽然跟欧洲其平， 但死亡人数高达2 7 万人，这个数字也是相当惊人。因此行人安全愈来愈引起世 界各国安全专家的重视，尤其在我国，许多城市道路交通，普通国内公路都是机 动车、非机动车辆以及行人混和同行的交通模式，只有少数高速公路是封闭的机 动车道。混和交通模式作为我国道路交通的一大特色，在相当长的一段时间内难 以改观，因而行人交通安全是我国道路交通安全今后无法回避的问题。 行人一汽车碰撞事故发生的原因及其复杂多变，受道路交通环境、交通安全 法规制定与实施、公民交通安全意识、汽车安全性能等诸多因素影响，行人安全 轿车行人碰撞中头部和下肢损伤分析以及防护措施的研究 的研究工作非常艰巨。在我国由于特殊的道路交通现状，研究汽车一行人碰撞特 点，行人损伤防护，以及改进汽车安全性，设计出行人友好车身，都有着重要的 经济与社会意义。然而我国的汽车安全研究起步较晚，行人碰撞安全这项具有公 益性的研究，在我国几乎一遍空白，面对重重的社会阻力和巨大的挑战，更是任 重道远。 1 2 国内外行人安全研究现状 国外汽车专家对行人安全研究目前为止已有四十多年的历史。6 0 年代中期 澳大利亚r o b e r t s o n 等人就开始从事行人安全问题的研究。美国与欧盟于7 0 年代中期对行人安全问题展开了相关研究。7 0 年代开始，人们使用生物样本， 机械假人，以及数字仿真模型，展开了人体生物力学，损伤防护技术以及安全措 施的研究哺1 。8 0 年代开始，美国行人研究工作重点转移到行人交通事故数据研 究，并建立专门的行人事故调查与统计机构和事故数据库p c d s ，德国日本也建 立相应事故调查机构事故数据库，如德国的g i d a s ，日本的i t a r d a 等。通过 交通事故统计与深入分析，对行人损伤特点和事故原因分析，从而探讨出相应的 防护措施并制定合理的碰撞法规。1 9 9 7 年欧盟所属的欧洲车辆安全委员会 ( e e v c ) 成立行人工作组w g l 7 ，负责行人法规的制定工作，并于2 0 0 3 年欧盟 颁布了基于行人保护的法规“d i r e c t i v e2 0 0 3 1 0 2 e c ”。总结过去对汽车安全的研 究主要有以下几个方面：交通事故统计与损伤流行病学研究，损伤生物力学的研 究，行人安全试验与法规的研究，以及行人安全的防护措施的研究。 1 3 事故统计与损伤流行病学研究 交通事故损伤流行病学是应用流行病学的原理和方法，从人群的角度来研究 道路交通事故中损伤发生的特点及其危害程度和危险因素的分析，提出合理的防 范对策和措施哺1 。交通事故损伤流行病学研究的基础是可靠的事故统计数据，这 些数据应该是从交通管理部门、医院和保险部门等权威机构获得。通过事故调查 与分析，从大量的交通事故统计资料中寻找交通事故的原因，交通事故的发生特 点以及行人损伤的发生规律，确定人、车、环境在事故中的作用，以此作为立法 机构制定合理精确的安全法规、汽车企业生产安全汽车 以及交通管理部门实现 安全交通管理的依据和努力的方向，从而更好地预防和减少交通事故发生。 相对于车内乘员来说，行人在交通事故中由于没有车内空间的约束，其发生 碰撞时相对于车辆的位置以及运动状态的不确定因素复杂得多。 2 图1 1 行人事故中车辆碰撞部位分布( a i s2 6 ) 图1 2 行人受伤部位分布 图1 3 行人事故各碰撞速度下伤情严重程度分布 国际协调研究组织委员会( i h r a ) 对2 7 9 0 例行人碰撞事故统计分析显示， 行人与车辆碰撞过程中，造成行人损伤级别达a i s2 6 的主要碰撞部位为保险杠， 3 轿车行人碰撞中头部和下肢损伤分析以及防护措施的研究 发动机盖顶部，以及挡风玻璃，如图1 1 所示；行人损伤部位主要是下肢与头部， 分别3 1 4 和3 2 6 ，其中造成行人死亡主要部位为头部6 4 1 ，如图1 2 所示。 如图1 3 所示，行人伤情主要与速度有关系，9 5 的行人碰撞事故都发生在 5 0 k m h 以下，其中碰撞速度在2 5 k m h 以下，主要为轻伤，当速度在2 5 5 5 k m h 之间时，行人重伤的机率上升，当速度超过5 5 k m h 时，行人死亡机率为4 6 阳1 。 1 4 损伤生物力学 1 4 1 损伤生物力学的基本理论 损伤生物力学亦称为碰撞生物力学，是汽车被动安全研究的重要理论基础之 一。它主要研究在惯性力和接触力的作用下，人体各部分组织产生的生物力学响 应，并确定不导致解剖学组织破坏和生理功能变化或丧失的耐受极限。在行人事 故中，损伤风险最高的为下肢和头部，因此国内外汽车安全专家对这两部分的损 伤生物力学特性进行了大量的试验与仿真研究。 头部损伤是行人事故中致死的主要部位，分为颅骨和脑组织损伤，主要包括 颅骨骨折、脑裂伤、脑膜外血肿、硬膜外血肿、硬膜下血肿、脑震荡和弥漫性神 经轴突损伤等旧1 。其中t e a s d a l eg 等人认为脑挫裂伤是最常见的脑损伤，主要源 于血管和组织破坏，并且在脑回的脊部最为严重0 | ，o m m a v aa k 等人认为硬膜 下血肿时一种危险程度极高的损损伤，它源于桥状静脉与动脉的撕裂，而硬膜外 血肿损伤机制主要是惯性因素，如线性加速度和角加速度1 。g e n n a r e l l it a 等 人认为弥漫性神经轴突损伤是闭合性脑损伤中一种严重的原发性损伤，是导致脑 外伤病人死亡的主要原因，它的严重行取决于角速度大小、持续时间以及其实角 加速度大小和方向2 | 。行人车辆事故中，行人下肢损伤源主要为车身前结构中 的保险杠和发动机罩前缘引。a s h t o n 等人研究了行人下肢的伤害机理并指出： 在车辆侧向撞击行人下肢过程中，侧向作用力和轴向扭转载荷的综合作用下，导 致下肢多重伤害n4 i 。主要的损伤形式有股骨骨折、膝关节损伤( 股骨骨节骨折、 胫骨骨节骨折和膝关节韧带断裂) 、小腿骨折( 胫骨骨折和腓骨骨折) 。大腿骨折 主要是由于股骨与发动机罩前缘碰撞产生弯曲变形而导致的骨折。膝部损伤主要 是因为车辆前保险杠与膝部碰撞时膝部承受的冲击力引起，其中弯曲和剪切变形 是膝部主要的损伤机理。当膝关节附近受到冲击时，由于股骨运动延迟，胫骨骨 节与股骨骨节会产生错位，而使得膝关节的组成韧带拉伸变形，并在腓骨骨节与 胫骨骨果间隆起之间产生集中应力，当集中应力过大就会导致胫骨或股骨骨节横 向骨折。当膝关节发生侧向弯曲时，外侧的韧带和中间侧韧带都会受到拉伸， k a j z e r 的实验中发现，当膝关节的平均侧向弯曲角度超过1 5 。时就会出现韧带撕 裂n5 1 。小腿骨折主要是由于胫骨和腓骨撞击保险杠产生的弯曲变形而引起的。 4 硕士学位论文 弯曲变形导致集中应力，在载荷同侧是压应力，而对侧则是拉应力，应力过大就 会产生胫骨或腓骨骨折。 1 4 2 人体损伤耐受极限 行人损伤风险最高的部位为头部与下肢，因此这里讨论的耐受极限也是针对 这两部分而言。人体的耐受极限是指人体某部分对损伤载荷的承受能力，它定义 为导致某种损伤发生或达到某种损伤标准阀值时的载荷大小，它是损伤生物力学 研究的重要内容，也是损伤防护研究的理论基础。 表1 2 颅骨耐受极限 世界各国的研究通过大量的实验，针对颅骨的耐受极限进行预测【1 6 l 。其预 测值通过碰撞力体现。如表1 2 所示。 由于脑组织的复杂性，目前没有公认的最完善的评价脑损伤的标准，而现在 使用最广泛评价头部的损伤指标h i c 值，它是美国政府基于美国韦恩州立大学 l i s s n e r 等人提出的w s t c 曲线而建立，w s t c 也是最早将头部耐受极限通过线 性加速度量化，h i c 值定义如下： 1 胱= f ( 乞一) ( f 2 口( f 砂) 2 5k ( 1 1 ) 1 2 。l j “l 式1 1 中a 代表头部质心合成加速度，t 代表h i c 值达到最大时的时间间隔，在 行人事故中计算值为最大为1 5 m s 。由于h l c 指标只考虑加速度和作用时间，而 没有考虑角速度和角加速度，因此该指标并不能精确地预测脑组织损伤。 下肢的耐受度是通过人体试件在各种载荷条件下与人一车事故中人体的损 伤状况联合确定的。主要通过弯矩，轴向压力，剪切力等来刻画，如表1 3 所示。 另外膝关节在1 6 k m h 的侧向碰撞下耐受极限为：碰撞力2 5 7 0 3 7 ，弯矩为 1 0 1 2 1 。 下肢损伤标准主要采用e e v c 行人法规，欧洲汽车工业协会( a c e a ) 对该法 规实验方法提出了部分修改，分为两个阶段对车型进行评价，现阶段主要要求满 足a c e a ( p a r t a ) 的评价标准。即采用腿部冲击器对汽车前保险杠进行冲击实 验，冲击速度为1 1 1 m s ，要求模拟膝关节的节点相对位移不大于6 m m ，上下两部分的 弯曲角不大于2 1 。，在下部接近膝关节处测得的冲击加速度不大于2 0 0 9 。 5 轿车行人碰撞中头部和下肢损伤分析以及防护措施的研究 表1 3 下肢长骨损伤耐受极限川 1 4 3 人体损伤评估标准 人体损伤的严重程度可由损伤评估标准来表示。损伤评估标准可分别从力 学、生理学或社会学的角度对人体功能丧失、解剖结构损坏、社会经济损失等 进行定量表示。从这些角度出发，损伤评估标准可以分为三类： ( 1 ) 解剖学尺度：按损伤发生的部位、损伤类型和损伤程度来评定。这种评 定标准用损伤本身而不是损伤产生的后果来衡量受伤程度。这类损伤评定标准 中最有名的是简略损伤标准a b b r e v i a t e di n j u r ys c a l e ( a i s ) 。 ( 2 ) 生理学尺度：按损伤导致人体生理学变化的程度来评定。其评定值会在 损伤的治疗期间变化。这类标准中的代表是g l a s g o wc o m a 标准( g c s ) 。 ( 3 ) 社会学尺度：主要按对伤员和社会造成的损害来评定。这类标准并不对 伤害本身进行评定，而是评定伤害对伤员造成的经济损失、生活质量损失和对 社会造成的损失。这类标准有i c s ，i p r ，h a r m 等。 对于交通事故中的损伤评估，我们一般采用a i s 标准。a i s 是美国汽车医 学协会( a a a m ) 制定的一个解剖学尺度的损伤评定标准。这一标准原本用于界 定机动车辆碰撞中的损伤程度，现已被用于烧伤，枪伤等。a i s 是一种描述损 伤对生命威胁程度的指标，共分为7 个等级，a i s 的等级值越高就说明该项损 伤对生命威胁性就越大，但a i s 各等级数值之间并没有定量对应的关系，其具 体的分级标准如表1 4 所示n 引： 其中下肢的损伤主要包括骨骼骨折、关节损伤、软组织损伤，虽然不会致 命，但是却是致残的主要原因。按a i s 分级，根据损伤部位和程度，一般在1 到3 级之间，即轻伤、轻微伤和重伤。 对于汽车碰撞事故中的脚踝损伤分类。美国矫形外科脚踝组织协会创伤委 员会发展了一个新的系统n9 。系统命名为脚踝损伤严重程度( f a s s ) ，将脚踝 损伤按照严重程度( f a s s s ) 和损伤程度( f a s s i ) 分为9 1 个类型。之所以 采用了2 种程度划分，是因为它们代表了损伤的两个不同的方面。如果一辆汽 车设计得能有效地降低损伤，那么严重程度的平均标准就会下降；同时，如果 一种损伤的医疗治疗变得更有效，那么损伤程度的标准就会下降。 6 硕上学位论文 表1 4 a i s 损伤分类标准 1 5 行人安全法规 1 5 1 行人安全法规 目前，世界不同国家和组织都有自己的行人法规和行人安全评价的实验方 法，安全评价试验比较有影响力的是欧洲汽车安全委员会( e e v c ) ，国家标准 化组织( i s o ) 和国际协调研究机构( 1 h r a ) ，其中i s o 组织主要是用于汽车 部件的研究与技术开发，而不用于法规试验。由于中国的正碰与侧碰法规都是参 考欧盟e e v c 而制定，所以在此只详细介绍e e v c 行人法规。 小腿冲 击器 图1 4e e v c 行人法规冲击器试验 1 9 8 7 年欧盟所属的欧洲车辆安全委员会( e e v c ) 成立了工作组w g l 0 ，负责 行人保护指令中子系统冲击试验的评价研究，于1 9 9 4 年1 1 月提交了一个评价汽 车前部结构与行人碰撞的推荐试验方法。1 9 9 7 年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，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。2 0 0 3 年1 1 月，欧 盟根据e e v c 行人安全试验方法颁布了行人保护法规d i r e c t i v e2 0 0 3 1 0 2 e c 。 由于利用实车与实验用行人假人进行碰撞的实验费用较高，测试过程复杂， 实验结果的重复性较低，且假人的姿势及碰撞前假人相对于实车的位置等对碰撞 7 轿车行人碰撞中头部和下肢损伤分析以及防护措施的研究 结果影响较大，因此目前一般都采用冲击器模型对汽车前部进行评价。该试验方 法主要包括以下几个子试验，见图1 4 ： ( 1 ) 小腿模块试验，当保险杠高度小于5 0 0 m m ，小腿冲击器与保险杠碰撞试 验； ( 2 ) 大腿( u p p e rl e g f o r m ，包括骨盆) 模块试验，当保险杠高度大于5 0 0 m m ， 将进行大腿冲击器与前保险杠和发动机罩前缘的碰撞试验； ( 3 ) 头部模块试验，包括儿童头部冲击器与发动机盖顶部的碰撞试验，成人 头部冲击器与发动机盖顶部和挡风玻璃碰撞试验。试验条件分两个阶段施行，具 体见表1 5 1 8 。 表1 5 第一阶段e e v c 行人法规头部冲击器试验条件与要求1 表1 6 第一阶段e e v c 行人法规下肢冲击器试验条件与要求 大腿冲击试验条件，如碰撞速度和碰撞角度并没有确定的数值，根据不同车 型前部结构参数而定：如图1 5 所示，横坐标为发动机盖高度，纵坐标为保险杠 前缘相对于发动机盖前缘伸出长度，曲线为冲击器拟采用的碰撞速度。根据发动 机盖高度和保险杠伸出长度值在图上的交叉点，在最近的曲线上的投影为冲击器 所采用的碰撞速度。如图1 6 所示，横坐标为发动机盖高度，纵坐标为拟采用的 8 硕士学位论文 碰撞角度，a 、b 、c 三条曲线分别为保险杠伸出长度为0 m m ，5 0 m m 和1 5 0 m m 。 发动机盖高度值在曲线上的投影，其对应的纵坐标即角度为冲击器所采用的碰撞 角度。 表1 7 第二阶段e e v c 行人法规头部冲击器试验条件与要求 表1 8 第二阶段e e v c 行人法规下肢冲击器试验条件与要求 1 5 2 行人安全防护措施 随着汽车研究的不断深入，行人安全已经引起了国内外研究的广泛重视，目 前各国主要采用主动防护方法和被动防护方法来提高行人保护的安全性。主动防 护方法是在汽车与行人碰撞事故发生前或在事故发生时主动采取一些措施来避 免事故发生或减小事故后果；而被动防护方法则是通过改变车身结构或防护设备 来减少在碰撞过程中对行人产生的伤害。 目前，国内外对于行人保护的主动防护方法主要有乜： ( 1 ) 采用辅助制动装置，降低汽车与人碰撞的速度，从而降低对人的损伤。 ( 2 ) 采用电子探测系统，避免事故的发生。 9 3 5 0 2 5 0 2 0 0 1 5 0 l o o 5 0 4 5 4 0 3 5 3 0 越1 5 峨 期 帮! o 1 5 l o 气 o 0 轿车行人碰撞中头部和下肢损伤分析以及防护措施的研究 碰撞速度( k l i 沛) 2 02 53 0 3 5 4 0 o 。 。 - - - |卡-一肛- 。 似 卜序斗 。 ： j q 争 ：。- 厂 ：，； 净斗 i ，： 一7 。 。1 i i 。， j； j i 母 。r i 。 7 | 。，。 卜7 。f ，- ： ； 产 ： 古 j 二 ： i 歹 ： ，j 。 斗 j ， l - x i - i - - - - i - - - ，j ll + - | f够 5 5 06 0 06 5 07 0 07 5 08 0 08 5 09 0 09 5 01 0 0 01 0 5 0 发动机盖前缘离地高度m m ) 图1 5 不同汽车前部结构，大腿冲击器所采用的碰撞速度 、 、 皋： 1 入 了、 一 2 - ：b l - - q - - - x 二、 、- 。 。i i 。朱 、。r 。 。 、汰 、。 - i - -i - - - 。i - - - - -i - - - - ，- - - - j - - ( ： b a 5 5 06 0 06 5 07 0 07 5 08 0 08 5 09 0 09 5 01 0 0 01 0 5 0 发动机蔫前缘离地高度( m m ) 图1 6 不同汽车前部结构，大腿冲击器所采用的碰撞角度 (曼越半丑晕婆翅噬 硕r 上学位论文 ( 3 ) 加强交通管理，普及交通安全知识，提高市民交通安全意识，采用车辆 限速装置。 由于行人与汽车发生碰撞的位置一般为汽车前部，被动防护方法主要通过改 变汽车前部造型和结构和增加防护设备，具体包括以下几个方面： ( 1 ) 改变保险杠的结构和性能来降低对行人下肢的损伤； ( 2 ) 改变发动机罩的结构和性能来降低对行人头部的损伤； ( 3 ) 改变翼子板的支撑结构和性能，设计成容易压溃变形的结构，降低对行 人头部的损伤。改变汽车前部造型，寻求对行人损伤较小的汽车前部造型； ( 4 ) 采用自动弹升式发动机罩，有效增加发动机罩与发动机舱中的零部件之 间的间隙，避免行人头部与硬物接触，降低对行人头部的损伤； ( 5 ) 采用汽车前保险杠安全气囊和前风窗安全气囊，降低对行人头部的损伤。 1 6 多刚体动力学基本理论简述 目前在汽车被动安全中，多刚体动力学法是碰撞生物力学和汽车碰撞分析最 常用的研究方法之一，主要用于研究碰撞过程中人体和车辆各个部分的动态响 应。而最具代表的商业软件是以荷兰国家科学研究院( 简称t n o ) 研究开发的 m a d y m o 软件，该软件具有完整的较高的生物特性多刚体假人模型库，具有建 模简便，运算速度快等优点。 1 6 1 单个刚体动力学 y 图1 7 单个刚体的运动 如图1 7 所示，一个空间运动的刚体，刚体上的任意一点的相对于某固定 点的空间位置可由下面的矢量公式表示 舰一船+ n 如果知道每个时刻的位置，可求出该点的速度和加速度： x il + w i x 豫 1 1 ( 1 2 ) ( 1 3 ) 轿车行人碰撞中头部和下肢损伤分析以及防护措施的研究 朋= 而+ 惭船+ w f ( m 藏) ( 1 4 ) 矢量可由三个标量合成，这里的矢量运算可转化为标量矩阵的计算。 对于任何单一刚体的外力，都可以简化为过质心的一个力f i 和一个转矩 t i 。由牛顿第三定律和动量矩定理，可建立力和物体位移、速度和加速度相关 的运动方程。 m i 而一r ( 1 5 ) 惭+ m 正m 一兀( 1 6 ) 式1 5 和1 6 中，是关于重心的惯性张量，皑是角速度向量，厩是合成力的向 量，z 是关于重心的合成扭矩向量。 在m a d y m o 中，单个刚体要给出下列初始要素：质量，质心在体坐标系 中的坐标，惯性矩和它的方向；形状的构成，一个物体可由多个椭球、平面或 有限元曲面等构成，形状的定位以及加载和卸载特性等。 1 6 2 多个刚体动力学 在m a d y m o 各版中，有c o n f i g u r a t i o n 这一节。它是树状结构，主 要用于描述模型的连接关系。在多刚体系统动力学中有详细的描述。它形 成了联系多个刚体的关联矩阵、通路矩阵。关联矩阵用来描述系统内各刚体与 铰的关联状况，通路矩阵用来描述系统内各刚体与零刚体之间的通路状况。确 定连接关系后，每一个刚体的位置( 子刚体) 都是相对于系统内上一个刚体( 父 刚体) 的位置定义的。 下面以两个用椭球表示相连的刚体说明两者建立的联系，和几个相关的坐 标系。 db c s p a r e n tb c s 图1 8 两个刚体之间的坐标关系 每个刚体有自己的体坐标系，铰接点坐标系，质心和椭球中心。但铰接点 坐标系，质心以及惯性矩的方向和椭球中心以及椭球轴的方向，都是相对于自 己的体坐标定义的。但在实际应用时，并没有标明两者的体坐标系。体坐标系 是由铰接点的形式和位置以及c i j 和c j i 确定的。比如，如果一个旋转铰，通 过c i j 可以计算出父刚体坐标原点的位置。在定义一个刚体时，首先要确定一 个体坐标的位置。为了方便，一般使体坐标的位置与父刚体铰接点的位置一致。 硕上学位论文 铰接点的形式和位置确定后，要定义它的运动特性。如铰接点的旋转角度 与受到的阻力之间的关系。 多个刚体的计算，是单个刚体运动方程的集成。可用虚功原理来计算在各 个刚体之间存在的未知的铰力和扭矩。用位置向量变分i j i 九和方位的变分断f 乘方程( 1 4 ) 与( 1 5 ) ，而后将它们相加，并对系统所有体求总和。 罗觑k i n r + 梳鼽恸+ m m 一无 to ( 1 7 ) 应用变分原理、矩阵运算可计算出各刚体的速度和角速度。 1 7 本文研究目的和主要内容 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对 人体头部和下肢损伤影响分析工具，基于法规要求，讨论人一车碰撞的防护技术。 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 ) 对人体肩部的解剖结构以及损伤机理进行研究。在瑞典查尔摩斯大学开 发的行人多刚体模型基础上，增加了胸锁关节、肩锁关节以及盂肱关节三个解剖 学关节以及各组成骨骼； ( 2 ) 讨论汽车前部各个结构参数对人体下肢损伤的影响程度以及规律。以 e e v c 下肢损伤指标为目标值，通过正交试验设计方法来进行试验选点，通过直 观的水平趋势图和极差计算，分析出各个结构参数对损伤参数的影响趋势和影响 显著性。 ( 3 ) 分别就大型豪华轿车和经济型轿车前部各个结构参数人体头部损伤的影 响程度以及规律进行讨论，分析各个结构参数对头部损伤的影响趋势和显著性。 ( 4 ) 以某款车的为基础建立多刚体模型，讨论头部防护设备一前风挡玻璃安 全气囊参数的研究。 ( 5 ) 根据具体车型，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，探 讨了面向行人安全的保险杠设计方法。 轿车行人碰撞中头部和下肢损伤分析以及防护措施的研究 第2 章行人仿真模型的肩部生物逼真性改进与验证 2 1 前言 如表2 1 所示，i t a r d a 2 0 0 1 年度调查报告指出，在轻伤和重伤损伤级别中， 腿部受伤比例最大，分别为4 1 9 和5 0 7 ，头部比例位居第二，分别为1 8 和 1 8 5 ：在死亡损伤级别中，头部比例最大，占6 0 心引。从以上数据可知，行人 汽车碰撞事故中，头部和下肢是主要的受伤部位，并且头部损伤是致死的主要原 因。无疑行人防护的重点落在头部与下肢两个部位。 在车行人碰撞事故中，从运动过程角度来说，首先是小腿与保险杠发生接 触，由于下肢在短时间内受到外力撞击加速度突然增大，此时行人会以其动态质 心为原点进行旋转，接着是大腿与发动机盖前缘的碰撞，然后是肩部与发动机盖 的作用，最后是头部与汽车前部发生碰撞。因此下肢和肩部先于头部发生碰撞， 头部的碰撞状态很大程度上受到这两部分动力学响应的影响，头部损伤风险的预 测准确性取决于下肢和肩部的生物逼真性，然而在过去相当长的时间内，行人安 全的研究忽略了肩部对头部响应的影响。本文的研究主要是基于杨济匡等人在 m a d y m o 环境下开发的行人多刚体模型，此模型的下肢生物特性得到了很大改 善，详细描述可参考文献f 2 3 1 ，其下肢模型包括一个仿人体膝关节 ( h u m a n 。l i k e k n e ej o i n t ) 与可骨折小腿( b r e a k a b l el e g ) ，能够准确地预测腿部骨折 以及膝关节损伤。然而肩部相对人体真实偏“硬”。譬如在同等的实验条件下，原 模型的肩峰一肩峰的相对位移量几乎为零，与c o m p i g n es 等人2 0 0 3 年进行的 p m h s ( p o s tm o r t e mh u m a ns u r r o g a t e s ) 尸体实验结果1 ：肩峰一肩 表2 11 9 9 3 2 0 0 0 行人事故中损伤部位分布 1 4 硕士学位论文 峰平均3 9 m m 的相对位移量相比相差甚远，通过仿真试验与尸体试验结果对比发 现，过硬的肩部对头部起到一定的保护作用，从而不能准确地预测其损伤风险。 本文旨在细化肩部模型，提高其生物逼真性，从而完善整个行人仿真模型。 2 2 肩部解剖结构 人体肩部由肱骨、肩胛骨和锁骨及其附属结构组成，共有六个部分构成了肩 关节复合体：胸锁关节、肩锁关节以及盂肱关节三个解剖学关节和肩胸、肩峰下 两个关节样结构以及啄锁间的韧带连接。肩关节因受颈部肌肉的悬吊和肩胛、胸 壁间肌肉的牵引固定于胸廓上部两侧。前部通过锁骨、胸锁关节与胸骨相连，后 部通过肩胛、胸壁以及韧带等软组织与胸壁相连。 ( a ) 前视图( b ) 后视图 1 上角2 上缘3 一肩胛切迹4 肩胛下窝5 内侧缘6 一下角7 一外侧缘8 盂下结节9 关节盂 1 0 盂上结节1 1 一啄突1 2 一肩峰角1 3 肩峰