人体上身对下肢部件碰撞试验的影响研究

摘要

随着汽车安全研究的不断深入，行人安全问题也日益被各国学者所重视，包括欧盟和日本在内的许多国家和地区已经制订了一系列针对道路交通事故中行人保护的法规，我国也于2009年颁布并实施了行人保护法规《汽车对行人的碰撞保护》。然而，有研究表明，法规中所用的下肢冲击器并不能很好的反映人车碰撞过程中的真实情况，其对汽车安全性能的评价仍有待改进。而下肢冲击器缺乏上身柔性连接是影响其评价性能的一个重要因素。因此，本文将分别对人与车、单腿与车及下肢冲击器与车这三种碰撞形式中腿部的损伤进行研究，以分析人体上身对行人腿部损伤造成的影响。
　　本文在文献研究的基础上，采用HyperMeshl2.0及LS-DYNA971等软件，验证了研究所需的汽车模型、行人模型、单腿模型及下肢冲击器模型，建立并求解了SUV及轿车分别与行人模型、单腿模型和下肢冲击器模型的碰撞仿真。通过对仿真中行人腿部出现的损伤进行分析，对比腿部在有无上身作用下的膝关节弯曲角度、膝关节剪切位移及胫骨加速度三项损伤指标的差异。
　　以汽车碰撞行人模型的损伤指标为基准，通过对比各组碰撞仿真模型结果中的损伤值以及损伤后参数的变化趋势，发现如下结论:1）在SUV碰撞单腿模型中，大腿与SUV整个前部结构接触，且没有受到上身的重力作用，使得膝关节弯益角度减小;同时，由于单腿质量较整人小，因而惯性较小，腿部模型速度突变较快，从而导致胫骨加速度增大;且大腿缺乏上身柔性牵引，碰撞后单腿模型的大腿将获得更大速度，而小腿则受膝关节牵引，其横向位移变化较行人差异不明显，从而导致单腿模型膝关节剪切位移增大。2）而对于低矮的轿车而言，行人单腿部在碰撞后既没有上身的柔性牵引也没有汽车的前部结构的支持，因而迅速弯曲，并与发动机罩发生碰撞，导致了膝关节弯曲角度偏大;弯曲角度的迅速变化使得韧带牵扯小腿回弹，导致胫骨加速度偏小;由于回弹现象的出现，使得胫骨端向内靠近股骨端移动，降低了膝关节剪切位移变化。3）而在下肢冲击器碰撞试验中，由于冲击器惯性比整人小，又缺乏上身柔性牵引，因而导致碰撞响应过于迅速;且损伤数据又均是采集的最大值，因此不论是SUV还是轿车的碰撞试验，三个参数都有偏大的趋势，其偏差百分比最小值已达24.6％，最大的甚至高达369.2％，可见上身质量对下肢冲击器在评价汽车安全性时的影响不容忽视。本研究定性分析了行人上身对下肢部件碰撞试验的影响，有助于提高下肢部件试验在评价汽车安全性时的准确性。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国外主要研究现状

1．2．1 行人交通事故流行病学及下肢损伤生物力学研究

1．2．2 行人安全评价方法及法规

1．3 国内的主要研究现状

1．4 主要研究方法

1．4．1 交通事故统计分析

1．4．2 实验研究

1．4．3 仿真研究

1．5 本文研究目的与研究内容

1．5．1 本文的研究目的

1．5．2 本文的研究内容

第2章 行人下肢损伤生物力学

2．1 人体下肢的解剖学结构

2．1．1 股骨、胫骨和腓骨

2．1．2 髋关节

2．1．3 膝关节

2．2 行人下肢损伤生物力学

2．2．1 行人下肢损伤类型

2．2．2 行人下肢损伤机理及耐受限度

2．3 行人下肢损伤评测的方法

2．3．1 PMHS试验

2．3．2 机械模型

2．3．3 数学模型

2．4 本章小结

第3章 有限元模型及其验证

3．1 TRL下肢冲击器有限元模型及验证

3．1．1 下肢冲击器各部件材料的选择

3．1．2 下肢冲击器评价参数的定义

3．1．3 下肢冲击器的标定仿真

3．2 行人有限元模型及单腿模型的建立

3．2．1 行人有限元模型简介

3．2．2 行人腿部有限元模型建立

3．2．3 腿部损伤参数的测量方法

3．3 汽车有限元模型

3．3．1 SUV整车模型

3．3．2 轿车整车模型

3．3．3 整车模型的简化

3．4 碰撞有限元模型的建立

3．4．1 SUV与行人模型及单腿模型碰撞仿真的建立

3．4．2 轿车与行人模型及单腿模型碰撞仿真的建立

3．4．3 下肢冲击器与SUV及轿车碰撞仿真的建立

3．5 本章小结

第4章 整车与人体模型的碰撞仿真结果及分析

4．1 SUV与行人及行人单腿有限元模型的碰撞仿真

4．1．1 碰撞仿真结果与分析

4．1．2 SUV与行人碰撞中人体上身对下肢损伤的影响

4．2 轿车与行人及单腿有限元模型的碰撞仿真

4．2．1 碰撞仿真结果与分析

4．2．2 轿车与行人碰撞中人体上身对下肢损伤的影晌

4．3 本章小结

第5章 下肢冲击器模型与整车碰撞仿真结果及分析

5．1 SUV与下肢冲击器碰撞仿真结果分析

5．1．1 下肢冲击器的运动学响应

5．1．2 下肢冲击器的膝关节碰撞响应

5．1．3 SUV与下肢冲击器碰撞中人体上身对损伤的影响

5．2 轿车与下肢冲击器碰撞仿真结果分析

5．2．1 下肢冲击器的运动学响应

5．2．2 下肢冲击器的膝关节碰撞响应

5．2．3 轿车与下肢冲击器碰撞中人体上身对损伤的影响

5．3 本章小结

总结和展望

参考文献

致谢