轿车碰撞事故中儿童乘员的损伤防护技术研究

摘要

近几年来,道路交通事故每年导致约26万名儿童丧生,1,000万名儿童受伤。其中,车内儿童占有相当比重,汽车儿童乘员安全性问题受到世界各国的高度重视。由于汽车装备的常规座椅、安全带约束系统和安全气囊主要针对成人设计,在汽车碰撞事故中儿童乘员面临的伤亡风险远远高于成人。国外早在20世纪60年代就已经开展了儿童乘员安全方面的研究,欧、美、日等许多发达国家对儿童乘员约束系统已有专门的法规要求并已实施。我国有关儿童乘员安全方面的研究已经起步,首个《机动车儿童乘员用约束系统》(征询意见稿)已经通过网上公示阶段,有望近期出台。汽车儿童约束系统专为儿童乘车安全设计,但它在我国的实际使用情况存在两个问题:第一,使用率低；第二,误用率高。因此,开展儿童乘员损伤防护技术研究对于当前的中国具有重要的经济价值和社会意义。
　　 本文旨在研究儿童乘员交通伤流行病学特征；分析典型事故中儿童乘员的动力学响应；确定儿童乘员的损伤因为和损伤机理；评价不同碰撞条件下儿童约束系统的防护效率；改进儿童乘员的损伤防护技术；为提高儿童乘员安全性设计提供可靠的理论依据和有效的研究方法。为此目的,对美国CIREN数据库(1996—2005年)、FARS数据库(2000—2007年)及中国长沙市交警事故数据库(2001-2007年)中的儿童乘员事故数据进行了统计分析；采用多体动力学和有限元模型进行了事故重建分析,提出了一种基于多种软件(PC—Crash,LS-Dyna和MADYMO)相结合的儿童乘员两车碰撞事故重建方法,并将该重建方法应用到从德国GIDAS数据库中挑选的一起典型前碰撞和一起典型侧碰撞事故案例；进而采用多体动力学方法深入细致地研究了前碰撞条件下约束系统误用对防护效率的影响,构建了多项式回归(PRG)、Kriging及RBF神经网络代理模型,对儿童约束系统的设计参数进行了优化,并利用能量效率理论对儿童乘员碰撞过程中动能的耗散进行了深入分析；在侧面碰撞条件下,采用MADYMO软件中的PSM方法建立仿真模型,深入研究了不同碰撞角度下儿童增高座椅的防护效率和约束系统不同使用情况下侧面安全气囊的防护效率,并利用RBF神经网络构建代理模型,对影响儿童乘员和成人乘员损伤防护的侧面安全气囊的主要设计参数进行了优化研究。
　　 对国内外的儿童乘员事故数据进行统计分析发现,小型客车(轿车占较高比例)是主要事故车型；两车事故是主要事故类型；前碰撞和侧碰撞是主要事故形态；伤亡儿童乘员中,4-8岁儿童占有较高比例。与儿童乘员损伤风险密切相关的因素有碰撞类型、座椅位置、碰撞严重度、约束类型、儿童的年龄(体重)以及约束系统的使用情况等。使用的约束系统类型不同,儿童乘员的损伤部位也不尽相同。
　　 对典型儿童乘员事故进行重建的结果表明,使用提出的重建方法得到的事故车辆最终停止位置、运动轨迹、变形及儿童乘员损伤情况等都与事故案例记录基本吻合,这在一定程度上证明了该重建方法和模型的有效性。此外,从前碰撞事故重建结果可知,后倾的前排座椅靠背是导致儿童头部损伤的主要因为,头胸部运动的不同步导致了儿童颈部的损伤。从侧碰撞事故重建结果可知,侵入的车门是导致儿童乘员严重损伤甚至死亡的主要因为。前、侧碰撞事故重建结果都表明,安全带织带是导致儿童乘员胸、腹部软组织擦伤的主要因为。
　　 对前碰撞事故形态中儿童乘员的损伤防护技术进行研究的结果表明,与正确使用儿童约束系统情况相比,误用降低了儿童约束系统的防护效果,使得儿童乘员损伤风险增加；除Kriging模型外,PRG和RBF神经网络模型最优设计点对应的目标函数的仿真值都小于实验设计样本点中的最小值,PRG模型优化设计点处的目标函数的仿真值最小,比实验设计样本中的最小值降低了约14.7％,三个代理模型中,RBF神经网络模型的优化结果与仿真验证结果之间的误差最小,仅为2.6％,基于多个代理模型的优化方法有助于设计者鉴定设计空间不同区域内的其他优化结果；儿童乘员胸部加速度与缓冲能量效率并不直接相关,而是由安全带吸收的能量效率决定,安全带吸收能量效率越低,胸部加速度值也越低,安全带松弛会增加安全带吸收能量效率,与带定位式增高座椅相比,使用嵌入式增高座椅,安全带吸收能量效率也会增加。
　　 对侧碰撞事故形态中儿童乘员的损伤防护技术进行研究的结果表明,对于在车辆轴向方向上有运动分量的侧面碰撞,儿童增高座椅具有一定的保护效果,对于在车辆轴向方向上没有或有很小运动分量的侧面碰撞,儿童增高座椅的保护效果并不理想；对于误用增高座椅的儿童乘员,展开的侧面安全气囊不会明显增加其头、胸部损伤风险,对于正确使用增高座椅的儿童乘员,展开的侧面安全气囊能够降低其头、胸部损伤风险,无论误用或正确使用,颈部损伤风险都需视实际碰撞情况而定；优化后的侧面胸部气囊使得儿童乘员的头部合成加速度值和成人乘员的胸部VC值比初始模型中的相应值分别降低了约17.9％和49.7％,优化后的侧面胸部气囊既能有效保护儿童乘员又能有效保护成人乘员。
　　 随着轿车进入中国家庭步伐的加快,儿童乘员碰撞安全性问题越来越突出。本文从宏观角度对儿童乘员交通伤流行病学特征进行研究；从微观角度对典型儿童乘员事故进行重建研究；具体对发生频率较高的前、侧碰撞事故形态中儿童乘员的损伤防护技术进行了深入细致的研究。本论文可望对我国全面深入开展儿童乘车安全保护研究起到积极的推动作用。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 儿童乘员损伤防护研究的主要内容及方法

1.2 儿童生理学特征及损伤机理

1.2.1 头部

1.2.2 颈部

1.2.3 胸部

1.2.4 腹部

1.2.5 四肢

1.3 儿童乘员损伤评价方法

1.3.1 头部损伤标准

1.3.2 颈部损伤标准

1.3.3 胸部损伤标准

1.3.4 儿童假人的保护参考值(Protection Reference Values,PRV)

1.3.5 损伤风险分析

1.4 汽车儿童约束系统标准法规及NCAP儿童安全保护要求

1.4.1 欧洲ECER44

1.4.2 美国FMVSS213

1.4.3 中国《机动车儿童乘员用约束系统》(征询意见稿)

1.4.4 Euro-NCAP

1.4.5 NHTSA-US NCAP

1.4.6 C-NCAP

1.5 儿童乘员约束系统

1.5.1 儿童约束系统的类型

1.5.2 儿童约束系统的保护原理

1.5.3 儿童约束系统的使用情况

1.5.4 儿童约束系统的保护效果

1.5.5 先进的儿童约束系统设计理念

1.6 儿童人体测试装置

1.7 国内外儿童乘员损伤防护研究的现状

1.7.1 国外

1.7.2 国内

1.8 本课题的研究目的及主要研究内容

1.9 本章小结

第2章 儿童乘员交通伤流行病学研究

2.1 概述

2.2 国外儿童乘员道路交通事故特征

2.2.1 美国CIREN数据库儿童乘员交通事故特征

2.2.2 基于Multinomial逻辑回归的儿童乘员损伤严重度研究

2.3 中国长沙地区儿童乘员道路交通事故特征

2.3.1 数据来源

2.3.2 统计分析

2.3.3 结果与分析

2.3.4 讨论

2.3.5 结论

2.4 儿童乘员损伤风险影响因素分析

2.5 前碰撞中儿童乘员损伤特征

2.6 侧碰撞中儿童乘员损伤特征

2.7 本章小结

第3章 儿童乘员事故重建研究

3.1 概述

3.2 两车碰撞事故重建方法与理论分析

3.2.1 两车碰撞事故重建方法

3.2.2 两车碰撞动力学分析

3.2.3 两车碰撞非线性动态响应有限元分析

3.2.4 多体动力学响应分析

3.3 前碰撞事故重建

3.3.1 事故案例描述

3.3.2 事故重建模型的建立

3.3.3 重建结果分析

3.3.4 讨论

3.3.5 结论

3.4 侧碰撞事故重建

3.4.1 事故案例描述

3.4.2 事故重建模型的建立

3.4.3 重建结果分析

3.4.4 讨论

3.4.5 结论

3.5 本章小结

第4章 前碰撞中儿童乘员的损伤防护技术研究

4.1 概述

4.2 仿真模型介绍

4.2.1 仿真模型的建立

4.2.2 仿真模型的验证

4.3 儿童约束系统误用分析

4.3.1 假人的运动学和动力学响应

4.3.2 损伤指标及参数峰值

4.4 基于多个代理模型的儿童约束系统防护性能优化

4.4.1 代理模型方法

4.4.2 儿童约束系统仿真模型的概述

4.4.3 儿童约束系统的优化

4.4.4 结果与讨论

4.4.5 结论

4.5 儿童乘员动能耗散分析

4.5.1 能量效率理论

4.5.2 能量密度分析

4.5.3 能量效率与胸部加速度

4.6 本章小结

第5章 侧碰撞中儿童乘员的损伤防护技术研究

5.1 概述

5.2 仿真模型的介绍

5.2.1 LS-Dyna有限元模型

5.2.2 MADYMO多体模型

5.3 侧面碰撞中增高座椅对儿童乘员的防护效率

5.3.1 仿真模型的概述

5.3.2 仿真结果分析与讨论

5.3.3 讨论

5.3.4 结论

5.4 侧面安全气囊对儿童乘员的防护效率

5.4.1 仿真模型的概述

5.4.2 仿真结果分析与讨论

5.4.3 讨论

5.4.4 结论

5.5 基于儿童乘员与成人乘员损伤防护的侧面安全气囊参数优化

5.5.1 基于RBF神经网络代理模型的优化方法

5.5.2 仿真模型的概述

5.5.3 侧面胸部气囊的优化

5.5.4 优化结果

5.5.5 讨论

5.5.6 结论

5.6 本章小结

总结与展望

参考文献

附录 A 攻读学位期间发表的学术论文

附录 B 攻读学位期间参与的科研项目

致谢