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

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MADYMO软件中改进了瑞典查尔摩斯大学开发的50百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(ANOVA)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37.6％，同时膝关节弯曲角度减少51.9％，在胫骨下端增加支撑结构，膝关节弯曲角度减少12％，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。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1研究的背景与意义

1.2国内外行人安全研究现状

1.3事故统计与损伤流行病学研究

1.4损伤生物力学

1.4.1损伤生物力学的基本理论

1.4.2人体损伤耐受极限

1.4.3人体损伤评估标准

1.5行人安全法规

1.5.1行人安全法规

1.5.2行人安全防护措施

1.6多刚体动力学基本理论简述

1.6.1单个刚体动力学

1.6.2多个刚体动力学

1.7本文研究目的和主要内容

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

2.2肩部解剖结构

2.3交通事故中常见的肩部损伤以及损伤机理

2.3.1肱骨近端骨折

2.3.2锁骨骨折

2.3.3肩胛骨骨折

2.3.4 盂肱关节损伤

2.3.5肩锁关节损伤

2.3.6胸锁关节损伤

2.4原模型肩部结构的局限性

2.5肩部模型修改

2.5.1胸锁关节(Sternoclavicular joint)

2.5.2肩锁关节(Acromioclavicular joint)

2.5.3 盂肱关节(Glenohumeral joint)

2.5.4铰链刚度特性及其运动范围

2.6肩部碰撞验证试验建立

2.7仿真结果分析讨论

2.8改进前后的行人-汽车碰撞与碰撞试验对比

2.9本章小结

第3章汽车前部结构参数对人体下肢损伤影响分析

3.1引言

3.2汽车—行人多刚体模型建立

3.2.1行人模型

3.2.2汽车模型

3.2.3人—车碰撞模型

3.3行人下肢损伤的参数分析

3.3.1参数选择

3.3.2 正交试验设计

3.3.3试验结果分析讨论

3.4本章小结

第4章汽车前部结构参数对头部损伤影响分析

4.1引言

4.2紧凑型轿车前部结构参数对头部损伤的影响分析

4.2.1人车碰撞模型

4.2.2参数选择以及实验设计

4.2.3试验结果分析

4.3大型轿车前部结构参数对头部损伤的影响分析

4.3.1参数选择以及实验设计

4.3.2试验结果分析

4.4本章小结

第5章行人头部防护气囊参数分析及优化

5.1行人头部防护措施

5.2车-人碰撞仿真模型的建立

5.2.1汽车模型的建立

5.2.2行人模型的建立

5.2.3气囊模型建立

5.2.4人-车碰撞模型的建立

5.3模型输出文件

5.4气囊模型参数分析及优化

5.4.1设计变量选择

5.4.2气囊参数影响分析

5.4.3方差分析

5.5气囊模型参数优化

5.6本章小结

第6章面向行人保护的保险杠设计

6.1前言

6.2仿真模型建立

6.2.1下肢冲击器模型

6.2.2汽车前部结构模型建立

6.2.3初始边界条件以及接触定义

6.2.4结果输出文件

6.3保险杠行人保护性能改进

6.3.1原始模型下肢保护性能评价

6.3.2下肢保护性能改进措施

6.4本章小结

总结和展望

参考文献

致谢

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