前碰事故中侧向坐姿乘员的头颈部保护研究

摘要

随着我国汽车保有量的增加，车辆碰撞事故增多，其中，前碰事故数量接近半数，值得关注，且随着自动驾驶的趋势，乘员在驾驶舱内的坐姿将变得多样化，而当未来汽车内的乘员开启自动驾驶模式，方向盘收进仪表板后，乘员侧向坐姿时发生前碰，乘员的受伤情况值得被关注，由于头颈部位在碰撞事故中十分常见，也是绝大部分事故的致死原因，所以本文研究的关注点在人体的头颈部。　　本文研究的目的为建立生物逼真度高的乘员头颈部模型，验证后将其与仪表板，前玻璃，安全气囊一起搭建出侧向坐姿乘员正碰的乘员舱模型，进而研究不同前碰强度下乘员的头颈损伤，并且设计四点式安全带，对比三点式安全带，反向三点式安全带与四点式安全带对侧向坐姿乘员的前碰中对头颈的保护效果，分析乘员的头颈部在配备不同安全带的情况下的损伤响应。　　本文考虑了三种前碰速度(40km/h，50km/h，60km/h)，分析在三种速度，三种乘员舱模型下的乘员头颈部损伤，主要分析头部位移，转角，加速度，椎体最大应力，椎间盘最大应力与最大压应力。对比研究三种安全带的保护效果后发现四点式安全带对减少头颈位移，加速度以及颈椎应力方面有良好效果，并且通过其与反向三点式安全带的对比，说明了四点式安全带保护的全面性。反向三点式安全带在低速碰撞(40km/h)时的保护效果尚可，在高速碰撞(60km/h )时保护效果差，乘员的安全不能得到保障，且配备两种三点式安全带的乘员在前碰中有滑出座椅的可能，增大了乘员的损伤风险。相比之下，四点式安全带可以保障乘员不脱离座位，使风险减小且可控。　　通过对颈椎的应力分析，发现枢椎与隆椎最大应力偏大，髓核右边缘压应力偏大，纤维环左右两侧应力值偏大，有受伤风险。可以在此基础上对侧向坐姿乘员的约束保护系统进行改进，减小乘员可能受到的伤害，更好地保障自动驾驶模式下的乘员安全。

目录

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第1章 绪论

1.1 选题背景与意义

1.1.1 近年汽车发展数据及背景

1.1.2 头颈部损伤的研究意义

1.2 人体头颈部损伤研究现状

1.2.1 头部损伤研究现状

1.2.2 颈部损伤研究现状

1.3 人体头颈损伤分级，机理与准则

1.3.1 头部损伤分级，机理与准则

1.3.2 颈部损伤分级，机理与准则

1.4 课题来源

1.5 本文研究主要目的与方法内容

第2章 头颈部解剖学结构与生物力学

2.1 人体头部解剖学结构

2.1.1 头皮头骨解剖学结构

2.1.2 人体脑部解剖学结构

2.2 人体颈部解剖学结构

2.2.1 颈椎解剖学结构

2.2.2 脊髓解剖学结构

2.2.3 肌肉解剖学结构

2.3 本章小结

第3章 侧向坐姿前碰乘员模型的建模与验证

3.1 ES-II 假人模型

3.2 头颈部有限元模型

3.2.1 头颈基础模型

3.2.2 头颈肌肉几何模型

3.2.3 颈部肌肉有限元模型建模

3.3 颈部肌肉有限元模型验证

3.3.1 志愿者侧面碰撞实验

3.3.2 头颈有限元模型侧面碰撞验证

3.4 验证结果分析

3.5 混合假人模型

3.6 本章小结

第4章 三种乘员舱模型的建立与验证

4.1 三点式安全带约束系统模型建立与验证

4.1.1 侧面碰撞座椅和台车模型

4.1.2 三点式安全带模型

4.1.3 三点式安全带的侧碰约束系统模型

4.1.4 验证结果分析

4.2 三点式安全带乘员舱模型

4.3 反向三点式安全带乘员舱模型

4.4 四点式安全带约束系统模型建立

4.5 四点式安全带乘员舱模型

4.6 本章小结

第5章 三种乘员舱模型头颈部动力学响应及损伤分析

5.1 整车前碰模拟

5.1.1 整车正面碰撞模型的建立

5.1.2 整车正面碰撞模型的验证

5.2 侧向坐姿乘员前碰中头颈运动学分析

5.3 侧向坐姿乘员前碰中颈部局部生物力学响应

5.3.1 椎体生物力学响应

5.3.2 椎间盘生物力学响应

5.4 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢