基于正面碰撞和侧面碰撞中CRS误用潜在伤害的数值研究(共14页)

1、基于正面和侧面碰撞(pn zhun)事故中CRS误用(w yn)的潜在伤害的数值(shz)研究Tanya Kapoora， William Altenhofa， Anne Snowdona， Andrew Howardb， Jim Rasicoc，Fuchun Zhuc， Daniel Baggioa摘要：这项研究集中研究了正面和侧面碰撞事故中CRS误用导致幼儿的头部和颈部的受伤值。开发的Hybrid III模型的正面碰撞实验结合完全变形的有限元模型在加拿大机动车安全标准和联邦机动车辆安全标准下得到了验证，国家公路交通安全管理局也验证了此模型侧面碰撞的响应。此外，还开发了Q3/Q3s儿童碰撞试

2、验的假人模型。本文的目的是研究安全带松弛和顶部栓带缺失的情况下汽车碰撞时儿童的受伤程度。按照联邦机动车安全标准，hybrid III 三岁假人模型和Q3/Q3s假人模型在有安全带和顶部栓带以及没有安全带和顶部栓带的条件下进行了完整的正面和侧面碰撞的测试。此外，也研究了使用十字形刚性ISOFIX系统的影响。由于CRS误用导致的潜在伤害，分析头部和胸部的加速度，颈部载荷和力矩。分别观察CRS误用情况下Q3儿童假人模型的HIC15值在正面碰撞和侧面碰撞中分别增加了3040%和1020%。据观察，在没有顶部栓带的情况下hybrid III 三岁假人模型和Q3/假人模型分别增加了大约70%和40%。在是

3、否存在CRS误用时，正面和侧面碰撞下使用十字形的刚性ISOFIX系统减少了头部和颈部损伤值。CRS的误用导致的损伤值和接触相关的头部受伤可能性显著增加。使用一个刚性ISOFIX系统相比软性的LATCH能更好的抑制 CRS误用和减少损伤的可能性。关键词：儿童安全，头部和颈部潜在伤害，伤害指标，对策，CRS误用1 引言交通事故是一个全球性公共健康的主要挑战，需要加强努力，有效和可持续的预防(WHO，2004)。在世界范围内，每年道路交通事故中有1200000人死亡，50000000受伤。根据生殖与儿童健康局死亡事故数据分析报告系统得出，车祸是加拿大和美国孩子死亡的首要原因。在2005年度，由于车辆

4、事故导致的14岁以下儿童共有103人死亡和13649人受伤。在23.3%的交通事故中四岁以下的孩子受伤率为19.4%。根据国家统计和分析中心（NCSA）在2005年度美国15岁以下的儿童在交通事故中有2348人死亡和271000人受伤。在美国5岁以下的儿童在交通事故中受伤占25%（590）以及汽车碰撞事故中受伤的孩子所有儿童占20.6%（56000）。儿童和成人生理的不同增加了儿童在事故中头部和颈部受伤可能性。tingvall（1987）建立了儿童和成人之间最显著的生理差异。这种身体不同部分的差异会使一个孩子的重心更高，在事故发生后影响儿童头部和颈部在高集成环境下，机动车发生碰撞时更易损伤。此

5、外，孩子上颈椎的生物力学结构和性能加速诱导损伤风险的增加。儿童的发育差异也在伤害中发挥着作用，儿童的颈椎和一个正常成长和发育的临时的软骨关节相连接。随着孩子逐渐长大，这种软组织发生骨化。在婴幼儿，减少软骨结合的骨化，使脖子更容易断裂。由密歇根大学交通研究所(UMTRI)韦伯(1995) 发表的一份研究报告认为，年幼的孩子头部和颈部受伤是由于颈部生理和脆弱的颈部肌肉组织。这些因素降低了孩子能够承受高冲击力的限度。在一项由Gotschall et al 所做的研究中(1999)，表明头部受伤死亡在美国出生的五岁的儿童中死亡的主要原因。在11岁以下儿童，颈椎损伤约占机动车事故占所有的38% (Mou

6、sny et al .，2001)。头部和颈部受伤在伤害规模(AIS)2 +伤害中占更大的数量和严重程度(Arbogast et al .，2002)。根据舍伍德etal 的研究案例(2003)，超过80%的幼儿由于头部外伤发生的死亡。最常见的颈部损伤机制包括极端超屈曲导致盖膜的破裂和椎骨寰枕脱位错位(AOD)。和成年人相比儿童相对其他身体部位不成比例的头部大小的相对转动惯量单位加速度增加了。发育不完全的肌肉颈椎组合使得孩子在汽车碰撞中颈部损伤的风险增加了。头部损伤包括接触损伤以及惯性损伤，如颅骨骨折，硬膜外血肿，和额叶脑挫裂伤的接触损伤，颅骨骨折等损伤、硬膜外血肿和额叶挫伤接触损伤(Genn

7、arelli，1986)，很可能由于头部的偏移和汽车内饰的影响。Arbogast等人表明(2002)大量材料占用了孩子的可用空间，因此允许接触。头部外伤的主要关注的是由加速度引起的大脑皮层引起挫伤的脑损伤。儿童(r tng)约束的法律在19821987年生效(shng xio)，儿童安全座椅固定在汽车座椅使用不同的锚定装置。根据机动车安全法，标准210.2（加拿大运输(ynsh)，2002），所有新的加拿大汽车制造，于2002年9月1日或之后，都要配备低通用锚杆。然而，之前的车型，将儿童安全座椅固定使用安全腰带的汽车座椅。顶部栓带在两种情况下是强制性的。在一次严重事故顶部栓带提供额外的保护通过

8、限制孩子的运动控制系统(CRS)。韦伯在密歇根大学交通研究所发现使用顶部栓带使孩子的头在发生严重的正面碰撞时起到安全限制（韦伯，2000）。根据韦伯的研究，CRS为身体结构发育不成熟和成长不好的孩子提供了专门的保护措施。保护系统的主要目标是保护中枢神经系统损伤，碰撞的损伤程度都与身体的快速减速和车辆的结构体有关。所有CRS的工作原则就是创建一个对孩子紧密耦合的约束，碰撞的汽车，尽可能广泛的分配剩余负载的坚固解剖结构。限制车辆的设计限制和控制在碰撞减速机体的速率，从而减少力量作用于人体的表面，减少骨骼和内脏之间的差速运动（韦伯，2000）。在乘用车正确地安装和使用儿童安全座椅是非常有效， 1 -

9、 4岁的儿童婴儿死亡的风险降低了71%和54%，4岁及以下的儿童并减少69%的住院需要 (国家和运动，2004)。提出了面向CRS的机动车辆的碰撞与儿童约束只使用安全带，有效地减少78%严重伤害的风险（Arbogast等人，2004）。据德和赫尔利（2005），在加拿大，14岁以下的儿童死亡人数一直在100人/年在1998以来，自1999年以来主要损伤以在700人/年。在1998和2002年之间，共有402人死于轻型机动车事故，对于儿童来说，什么是致命的伤害，发现不正规的约束造成大约66%(1岁以下)，50%的幼儿(1-4岁)，97%的学龄儿童(4-8岁)31%，大一点的孩子(9-14岁)的受

10、伤(Chouinard和赫尔利，2005)。韦伯认为在北美，80%的儿童约束装置没有起作用(韦伯，2000)。不同类型的误用会对孩子限制性能有不同的影响。最常见的的误用形式相对错误较少，能够获得低水平的保护。极大程度的误用会使身体更容易受伤，即使不应该发生损伤的。如果所有四岁儿童乘客和年轻乘客被很好地保护，每年可以挽救162人的生命和预防20000人的伤害都是可以的。大约有29%的四岁儿童和年轻乘客没有儿童安全座椅，这使得他们受到致命的和非致命的伤害增加两倍，此外，约有85%的安全座椅约束不规范。对CRS的误用(w yn)最常见的形式是松弛(sn ch)的安全带和松弛(sn ch)的汽车安全带

11、(Eby and Kostyniuk， 1999; Decina and Lococo，2005;Decina and Knoebel，1997).在约束系统中存在松弛，结合给儿童使用成人安全座椅和儿童安全座椅，通常导致更大程度的头部偏移（头部相对于躯干的位移），头部和脊椎都面临更大的受伤风险。加拿大运输局在1998年完成的一项研究中发现至少32%的CRS设施不规范。这些规范的安装是顶部栓带26%的没有安装或连接在错误的位置的上。其他重要因素与滥用的范围包括大量的松弛和扭曲的顶部栓带(Rubin-Brown et al .，2007)。美国国家公路交通安全管理局(NHTSA)在2002年完成了

12、6个州的统计研究发现，所有安装的关键CRS误用占72.6%。特别是敞蓬货车的CRS的误用大约占82%。松弛的汽车安全带(固定车辆的CRS)和CRS顶部栓带用于限制孩子CRS指出，最重要的滥用原理(Decina Lococo，2003)。Brown等人（2005）从两个专门的儿童医院的医疗记录数据并结合与澳大利亚汽车司机的和车间访谈分析了损伤数据。这项研究集中在3-8岁的儿童，损伤机制的分析表明，造成头部受伤通常是由于头部接触的汽车内饰。这些头部接触通常发生在有过多的头部偏移，因为缺少上半身限制，由于误用限制，或者被占用。更为严重的脊髓损伤也发生在过度的头部运动相结合，并与约束滥用相关的。脊髓损

13、伤多发生在颈椎和胸椎与安全带配合不好，在发生碰撞前没有安全带或者安全带不合理（Brown等人。，2005）。然而，最严重的脊髓损伤发生在儿童座椅的误用，结果导致过度头偏移。在另一项由Arbogast等人进行的研究（2002）观察头部受伤的发生由于汽车安全带安装儿童约束松弛的儿童安全带。随着汽车安全带附件的松弛，乘坐空间和时间相对减少，缺少CRS安全带，使得胸椎在孩子躯干和后座的相对运动中更灵活。这项集中研究调查由于CRS误用而使幼儿在正面和侧面碰撞事故的头部和颈部受伤情况。开发的Hybrid III模型的正面碰撞实验结合完全变形的有限元模型在加拿大机动车安全标准和联邦机动车辆安全标准下得到了验

14、证。此外这个模型也由国家公路交通安全管理局在近侧碰撞下得以验证，还开发了Q3/Q3s儿童碰撞试验的假人模型(Q Advanced，2005;Carlson et al.，2007;LS-DYNA，2006;LS-DYNA，2007)。本研究的目的是探讨安全带松弛效应和顶部栓带的缺失在车辆碰撞时幼儿头部和颈部的受伤。这两种模型是观察儿童安全座椅误用的最常用的模型。然而CRS误用的模型损伤结果并未系统的调查。数值模拟是在联邦机动车辆安全标准下发生正面和侧面碰撞测试条件，利用Hybrid III假人和Q3s假人模型在安全带存在和缺失的条件下进行的，并在顶部有顶部栓带。此外，也对采用十字型刚性ISOF

15、IX系统影响进行了研究。包括头部和胸部的加速度分析，颈部载荷和力矩完成调查由于CRS误用的潜在伤害。2 数值方法使用有限元分析的CRS，以及所有其他组件的数学模型包括座椅、安全带和垫子。CRS的数值模型包含的完整可变形性包括材料非线性和CRS不同组件的接触定义。不同组件的数值模型细节在本研究提出的附录A中。完成了没有变化的人体测量测试设备的数值模型的调查。通过CRS制造商和安全机构的Hybrid III 3岁大的假人的广泛使用，在正面和侧面碰撞的条件，这是人体试验装置在调查中使用的主要原因。此外，本研究也纳入了在碰撞条件下的Q3和Q3s模型，相对于Hybrid III模拟。动态松弛的收敛性和收

16、敛公差(gngch)之间的迭代次数分别指定为1000和0.0001。Hybrid III和CRS之间的接触(jich)，包括安全带，带扣。CRS的泡沫(pom)填充曲面是通过基于点球接触算法实现。按照所有接触定义静态和动态摩擦系数的值被分别指定为0.25和0.2。类似的接触定义也包括Q3/Q3s模型和CRS模型。台车试验按照FMVSS213标准在Graco公司的台车的实验台上完成，图一a说明了实验测试中观察到的FMVSS213的加速度脉冲。数值模型结合了先前已经利用FMVSS213标准和CMVSS 208标准测试验证的加速度脉冲。此外，NTHSA测试研究中心在2002年也进行了台车测试。这个测

17、试是在没有车体但有刚性侧架的台车测试。变形的CRS模型结合Hybrid III三岁假人模型验证了近侧碰撞。图1（b）说明了ANPRM FMVSS 213（试验号4585）从这些台车测试中观察到的加速度脉冲。图1 （a）FMVSS213标准下最高最低加速度限值以及台车实验值（b）4584加速度脉冲值本研究的目的是调查两个主要类型的误用的数值影响，即缺乏顶部栓带和安全带在正面和侧面碰撞事故中的潜在伤害。顶部栓带被删除模拟“无顶绳”条件的影响，第二种类型的滥用(安全带松弛)，前调整安全带没有完成。观察模拟胸部和安全带之间的松弛程度大约2.5厘米。数值仿真分析了在有没有CRS误用的情况下软性的LATC

18、H系统和十字刚性的ISOFIX系统在正面和侧面碰撞的情况。图1中规定台车实验中在正面碰撞中X的正方向为刚性座椅，加速度脉冲图1(b)是利用纯模拟的条件，图1 b规定在侧面碰撞中加速度脉冲为Y轴负方向。近侧碰撞试验是在一个刚性壁的存在下完成的，对刚性壁进行网格划分，一个网格代表一个汽车侧面结构位置的座位压降，相邻的CRS从Z1定位508毫米。坐垫到刚性壁的高度约762毫米。刚性壁向前延伸的距离大约690毫米，以确保与头部在同一平面上。刚性壁是LS-DYNA定义的刚性材料，图2说明在有刚性壁的情况下Q3s儿童模型的近侧碰撞。所有的数值模拟是利用个人电脑配备的2.6GHz AMD 速龙处理器双4GB

19、 RAM的LS-DYNA版本的970修订版5434a进行分析的。图2 侧面(cmin)碰撞中Q3s配置(pizh)的刚性壁3 数据分析从虚拟(xn)模型仪器中提取儿童乘员损伤数据，包括加速度和负载。Hybrid III 3岁儿童假人和Q3 / Q3s模型的三轴加速度计安装在头部、胸部和骨盆，分别表现在X、Y、Z轴。假人颈部提供的六个输出包括脖子上部和下部的三个力和三个力矩在坐标轴上。头部和胸部的加速度利用公式一计算，XYZ坐标分别位于头部和脊柱。力和力矩用公式二和公式三计算，分别在x，y，和z轴当地坐标系统位于脖子的位置。所有的数据测量按照SAE J211中规定的虚拟局部坐标和10kHz的采样

20、率，并过滤数值结果。参照Butterworth4相位所描述的进行数据过滤，在数据分析前完成过滤。3.1 头部伤害指标公式一中计算的合成加速度用来计算HIC在公式四中。这里的合成加速度是表示假人头部重心的重力加速度，时间为秒。在15和36毫秒的间隔内分析HIC，NHTSA建议HIC15 和HIC36的限制值分别为570和1000.4 结果与讨论对Hybrid III 3岁儿童(r tng)假人和Q3 / Q3s模型(mxng)在是否(sh fu)有CRS误用的情况下完成了FMVSS213测试条件正面和侧面碰撞的数值模拟。此外也研究了十字形刚性的ISOFIX系统的影响。仿真结果比较了头部和胸部的加

21、速度、负载和力矩。表1-4汇总了所有Hybrid III 3岁儿童假人和Q3 / Q3s模型的损伤参数的高峰值。表1 Hybrid III模型在正面碰撞中分别接入柔性LATCH和刚性ISOFIX接口CRS各种损伤值柔性LATCH刚性ISOFIX没有误用安全带松弛无顶部栓带没有误用安全带松弛无顶部栓带头部加速度59.563.260.547.95448.5胸部合成加速度59.255.54441.954.532.7头部伤害指标（HIC15）304.7335.56332.5173.4217.84179.5头部伤害指标（HIC36）325.2339415.8174.2280283.8上颈部合力22602

22、26723801937.719551780下颈部合力1473.915301589.3776899754上颈部合力矩33.23025.126.833.920.5下颈部合力矩143.9143174.2143.4158137正向位移235283397209247250表3 Q3模型在正面碰撞中分别接入柔性LATCH和刚性ISOFIX接口CRS各种损伤值柔性LATCH刚性ISOFIX没有误用安全带松弛无顶部栓带没有误用安全带松弛无顶部栓带头部加速度57.568.264.5605756.5胸部合成加速度55.4504145.552.237.2头部伤害指标（HIC15）310430382256247242

23、头部伤害指标（HIC36）345530578256411303上颈部合力236623242924243124012398下颈部合力89115372055824931.8764上颈部合力矩16.719.713.51826.514.914.9下颈部合力矩123133.3134120122.25110正向位移331346457282305326表3 Hybrid III模型在侧面碰撞中分别接入柔性LATCH和刚性ISOFIX接口CRS各种损伤值柔性LATCH刚性ISOFIX没有误用安全带松弛无顶部栓带没有误用安全带松弛无顶部栓带头部加速度60.655.664.248.452.250.6胸部合成加速度

24、80.585.269424142头部伤害指标（HIC15）239203.8288172.4180.2172头部伤害指标（HIC36）147.4133182.5174.6175.3167.2上颈部合力1449.615471561111710051041下颈部合力177019871919.598610251047.2上颈部合力矩102.697115.656.555.655.614.9下颈部合力矩193.9179.6196.5134.3138141.6横向位移213220217169189169表4 Q3模型(mxng)在侧面碰撞(pn zhun)中分别接入柔性LATCH和刚性(n xn)ISOFI

25、X接口CRS各种损伤值柔性LATCH刚性ISOFIX没有误用安全带松弛无顶部栓带没有误用安全带松弛无顶部栓带头部加速度156.5178.4156.658.553.356胸部合成加速度99.49786.554.35150.5头部伤害指标（HIC15）735750919237228237头部伤害指标（HIC36）400376437.7231175172.8上颈部合力2159.817832472.4112511971140下颈部合力213418252465714963733上颈部合力矩37.839.437.117.919.21614.9下颈部合力矩44.652.3643.637.634.735.5横

26、向位移2262372271962091964.1 定性分析图3说明配备Q3假人时，CRS存在误用或者没有误用时假人头部最大正向偏移的结构观察。观察到由于安全带松弛假人模型头部轻微向前位移。对于没有配置软性的LATCH顶部栓带，观察到伴随巨大的碰撞CRS向前有更大的位移。观察比较软性的LATCH和刚性的ISOFIX在没有顶部栓带的情况下头部和颈部 有更大的位移。所有的CRS配置观察时最大的头侧向位移的Q3s假人的配置在图4中展出。在安全带松弛时，注意到假人头部有稍大的侧向位移。观察在CRS是否误用配置软性LATCH条件下CRS和头部模型之间的联系。十字形刚性ISOFIX的联系没有观察，观察了在软

27、性LATCH和刚性ISOFIX条件下脚和刚性壁的联系。图3 正面碰撞中Q3人体模型使用LATCH和ISOFIX接口在CRS是否存在误用时的头部和CRS的最大正向位移量图4 侧面(cmin)碰撞中Q3人体模型使用(shyng)LATCH和ISOFIX接口(ji ku)在CRS是否存在误用时的头部和CRS的最大横向位移量4.2 头部和胸部的响应图5和6分别展示了Hybrid III和Q3 / Q3s儿童假人模型在有无CRS误用的情况下由此产生的头部和胸部加速度曲线的时间函数。4.2.1 正面碰撞在正面碰撞中，观察配置有软性的LATCH，由于安全带的松弛而导致的头部合加速度。观察到由于安全带松弛的存

28、在使得Hybrid III 3岁儿童假人假人和Q3头加速度峰值分别增加了大约8%和20%。由于安全带的松弛，孩子头部向前的位移增加，如图3所示，增加Y轴坐标的头部加速度。表1和表2分别列出了Hybrid III和Q3儿童假人的最大头部偏移。Hybrid III模型由于安全带的松弛，使得头部向前偏移大约增加了20%。在没有顶部栓带情况下进行数值模拟，对Hybrid III 3岁大的假人头部加速度峰值均相似。对于Q3假人模型，由于没有顶部栓带，使得头部合成加速速度增加了10%。在顶部栓带由于大位移的CRS缺失的模拟发生在峰值延迟。此外，观察到这些峰值持续时间比非误用情况时间较长。观察这两个模型的更

29、大的头部偏移。Hybrid III三岁模型和Q3模型的头部向前倾斜量分别增加了大约70%和40%。这增强了孩子头部损伤相关的可能性，同时在是否有CRS误用的情况下观察胸部合成加速度的峰值。表1和2也汇总了HIC15和HIC36头部损伤的值，Hybrid III三岁和Q3两种模型在CRS误用时在HIC15标准下分别增加了10%和30-40%的值，增加了孩子头部惯性伤害的概率。观察CRS误用或者没有误用，使用刚性ISOFIX系统比软性LATCH系统合成加速度大约减少了20%。特别是在使用刚性ISOFIX系统替代软性LATCH系统时，在没有顶部栓带的条件下Hybrid III三岁模型和Q3模型的头部

30、向前偏移的模拟数值分别减少了60%和40%。与十字型刚性ISOFIX系统的结合表现出胸部加速度减小。在没有顶部栓带的条件下，观察刚性ISOFIX系统中Hybrid III三岁模型和Q3模型的胸部合成加速度分别减少了25%和10%。此外，结合使用刚性ISOFIX系统在有安全带和没有顶部栓带的条件下观察到两种模型在HIC15标准值大约减少30-50%。因此刚性的ISOFIX有效的减少了孩子两种加速度和接触引起的头部损伤的概率。与软性LATCH系统相比，刚性ISOFIX减少了CRS误用导致的伤害值。4.2.2侧面(cmin)碰撞在侧面(cmin)碰撞中Hybrid III三岁模型，观察头部合成加速(

31、ji s)速度的峰值，对于Q3模型，由于缺少安全带使得头部加速度的峰值大约增加了15%。由于模型头部和刚性壁的相关性使得Q3模型有较高的相对值（表4）。此外，在安全带松弛的系统中这两种模型头部横向位移大约增加了5%。在没有顶部栓带的条件下两种模型的头部横向位移影响并不大。Hybrid III三岁模型的头部加速度大约增加7%。表3和4 汇总了CRS误用和没有误用条件下的头部损伤标准的峰值。没有顶部栓带使得Hybrid III三岁模型和Q3模型得HIC15标准值增加了10-20%。因此，安全带松弛和没有顶部栓带增加了孩子头部受伤接触和惯性的概率。与软性LATCH系统相比较，该十字形刚性ISOFIX

32、系统使得模型头部的横向位移明显减少。观察在没有顶部栓带的条件下刚性ISOFIX系统使得Hybrid III三岁模型和Q3模型的头部合成加速速度分别减少了大约25%和65%。使用此系统表现出在侧面碰撞下胸部合成加速度减小了。刚性ISOFIX系统和软性LATCH系统相比，在CRS存在与否的条件下，两个模型的胸部合成加速度大约减少50%。此外，相比软性LATCH系统，刚性ISOFIX系统在CRS存在与否的条件下HIC15的值减少了约65-75%，也减少了横向位移20%。因此基于两个模型的头部响应，可以说刚性的ISOFIX系统减少了孩子在侧面碰撞中接触和加速度的值。它相比软性的LATCH系统限制了CR

33、S误用的影响。4.3 颈部(jn b)响应图7和8分别(fnbi)说明了在在不同的碰撞(pn zhun)条件下，Hybrid III三岁模型和Q3模型CRS是否存在误用颈部合成力和力矩的时间函数。4.3.1 正面碰撞在正面碰撞下，由于没有顶部栓带使得Hybrid III三岁模型和Q3模型得颈部合成力大于增加了5%和25%，但缺少安全带的条件下影响并不大。表1和2也汇总了两种模型的颈部合成力的峰值。对于Q3模型，在存在CRS误用时，合成颈部力增加了约75-85%。同时观察两个模型的合力的峰值，在CRS误用和没有误用的情况下。没有顶部栓带会使颈部合成力矩增加了10-15%。Q3模型在没有顶部栓带是

34、颈部旋转量会更大。极端超屈曲导致盖膜的破裂和椎骨导致大气气溶胶的分离。因此，由于缺少顶部栓带会使得孩子由于惯性而受到损伤的可能性更大。研究CRS误用和正常使用，使用刚性ISOFIX系统可以减少两种模型20-25%的颈部合力和20%的合成力矩。因此刚性ISOFIX系统有效的减少了伤害。4.3.2 侧面(cmin)碰撞在侧面(cmin)碰撞条件下，没有(mi yu)顶部栓带会分别增加Hybrid III三岁模型和Q3模型颈部合力8%和15%。由于安全带的松弛，Hybrid III三岁模型的颈部合力增加了15%，观察CRS误用和正常使用时同时两种模型的合成力矩。比较两种模型的合成力矩，得到Hybri

35、d III三岁模型的合成力矩值比Q3模型相对较高。这归因于两种模型的几何形状和刚度的不同。Q3/Q3s模型比Hybrid III三岁模型长14毫米，此外，Hybrid III三岁模型的硬度约是Q3/Q3s模型的十倍。结合刚性ISOFIX系统可以使两种模型的颈部合力减小35%和55%。此外还可以减小两种模型的合成力矩的50%。因此，刚性的ISOFIX系统可以减小侧面碰撞中孩子颈部的受伤概率。5 结论 在正面和侧面碰撞的实验中，Hybrid III三岁模型和Q3模型结合CRS误用或者正常使用进行了数值研究。研究了安全带松弛和没有顶部栓带这两种类型的误用。此外还研究了使用刚性ISOFIX系统的影响，

36、通过定量和定性的分析，可以得出以下结论：1 在CRS配置软性的LATCH系统时，如果安全带松弛，头部合成加速速度在正面和侧面碰撞中分别增加了12%和15%（仅仅考虑Q3模型）。在这个研究中，认为当平均这两种模型的响应时使用刚性ISOFIX系统轻微的减小头部合成加速度的峰值。2 对于Q3模型，在使用软性LATCH系统缺乏顶部栓带条件下头部合成加速度增加了12%，而当使用刚性ISOFIX系统时，头部合成加速度的峰值在较小程度上有所减小。3 Hybrid III三岁模型安全带松弛会使得头部向前偏移值增加了20%，在没有顶部栓带的情况下，Hybrid III三岁模型和Q3模型头部前部偏移值分别增加了7

37、0%和40%。4 两种CRS误用的形式使得Q3模型HIC15的值在正面和侧面碰撞时分别增加了30-40%和10-20%。此外，安全带松弛和没有顶部栓带会增加孩子由于获得加速度导致的头部受伤的可能性增加。5 在正面和侧面碰撞(pn zhun)时，没有顶部(dn b)栓带会使得(sh de)Hybrid III三岁模型和Q3模型的颈部合力分别增加了5-10%和15-25%。此外在安全带松弛时发生侧面碰撞会使颈部合力值增加约15%。没有顶部栓带会使得两种模型颈部旋转量增大。6 使用十字形刚性ISOFIX系统，在正面和侧面碰撞中头部合成加速度分别减小了20%和25-65%。同时头部的前部位移和横向位移

38、分别减小了40-60%和20%。因此，刚性ISOFIX系统有效的减小了头部接触伤害和惯性伤害的可能性。7 正面碰撞下，CRS误用和正常使用，使用刚性ISOFIX系统，使得两种模型的颈部合力和合成力矩分别减小了20-25%和20%。在侧面碰撞中，颈部合成力矩减小了50%。因此刚性ISOFIX系统有效的减小了孩子颈部受伤的概率。8 在同样的测试条件下，发现Q3模型的颈部弯曲量大于Hybrid III三岁模型的。这导致头部位移增大和头部接触伤害以及颈部惯性伤害的可能性，这两种伤害都是孩子在汽车碰撞时发生伤害的主要原因。致谢对卓越Auto21网络中心提供的财政支持表示感谢。感谢Graco公司的实物的贡

39、献。此处表示和分析结论，意见不一定状态或反映固瑞克公司。结论、观点和分析表达并没有标明和反映Graco公司。附录A的数值模型开发A.1 CRS模型儿童座椅使用Graco公司提供的计算机辅助设计(CAD)界面建模的。按照ASTM D638M(ASTM，2004)完成拉伸试验，为了确定聚丙烯材料在大变形下各部分CRS标本的机械特性。用游标卡尺测量到不同面板部分CRS的厚度为3.5和4.5毫米。CRS生成两个不同的截面属性，既将Belytschko-Tsay壳元素分配给厚度分别为3.5和4.5毫米CRS区域。各向同性软性的塑料材料模型，利用Von米塞斯屈服准则选择模型CRS的聚丙烯材料特性。密度值、

40、杨氏模量、泊松比分别为800kg/m3，0.842Gpa和0.3。儿童座椅的网格是由12728个节点和12728年壳牌元素组成。A.2 安全带的约束和锚固技术安全带的建模是通过一系列的CRS开口和渠道以及符合FMVSS 213标准假人模型。为了减少计算时间，部分通常接触CRS后面的安全带使用一维建模。连接到安全带的一维元素和二维元素用于建模，安全带和模型之间通过节点刚性体接触。安全带较低的三个部分经过孩子模型腹股沟并直接连接CRS。为了评估安全带的力学特性，在CRS标本提取装载/负载条件下获得安全带特性的信息完成拉伸试验。这些测试是在室温下速度为25mm/min液压Tinius-Olsen试验机下完成。从拉伸样本提取的安全带的装卸特性包含CRS的从材料模型。图一说明了从样本中提取的安全带特性。LS-DYNA里的织物材料模型选择(xunz)模型化的二维安全带有限元模型，密度值、杨氏模量、