（光学工程专业论文）增设型儿童安全座椅的仿真研究.pdf

独创性声明 y 脚脚1 删8 删8 删0 删7 胛2 删f 5 删 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括为获得武汉理工大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：丞塑丝 日期： 关于论文使用授权的说明 如，f f 9 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内容， 可以采用复印、缩印或其他复制手段保存论文。 研究生签名：趁塑建 导师签名 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 我国近几年汽车产业高速发展，随之而来的交通安全问题得到越来越广泛 的重视。我国家庭轿车的普及使得儿童成为轿车中的常见乘员，因此低年龄段 乘员的安全问题逐步得到相关交通部门及研究机构的重视。这部分人群在车辆 碰撞中的保护一般通过在成人座椅上添置儿童约束系统实现。因此对儿童约束 系统进行研究，依据研究结果指导儿童约束系统的设计及使用，有利于切实保 障儿童乘员在车辆碰撞过程中的安全。 本文使用计算机仿真方法，对针对4 ，- 8 岁儿童设计的增高型儿童约束系统 在车辆正面碰撞中的动力学响应进行研究。使用p 6 多刚体正面碰撞假人模型， 在多刚体动力学软件m a d y m o 中建立车辆正面碰撞6 岁儿童乘员动力学仿真模 型。所建模型中包含：车辆地板、车辆后排座椅、增高型儿童安全座椅、混合 式三点式安全带模型、p 6 儿童假人模型。完成模型后，通过改变增高型儿童安 全座椅的设计及使用方法，来研究不同设计及使用方法对儿童动力学响应的影 响。仿真模型输出的参数有：头部合成加速度、胸部合成加速度、h i c 、颈部弯 曲力矩、颈部轴向力。尝试建立两种评价方法，使用以上5 个输出参数，对增 高型儿童安全座椅的使用情况进行评价，并相互验证。 仿真分析结果表明，使用该款增高座椅时，应尽可能将增高座椅牢固固定 在车辆成人座椅上，能够极大发挥其对6 岁儿童乘员安全的保护性能。基于该 结论，建议应该为增高型儿童安全座椅设计固定装置，将其与后排座椅牢固连 接。该措施能够大幅降低儿童乘员在车辆正面碰撞中所受到的伤害。 关键词：汽车正面碰撞；儿童伤害机理；增高型儿童安全座椅；儿童约束系统； 评价方法 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a u t o m o b il ei n d u s t r yi nc h i n ah a sb e e ne x p e r i e n c i n gar a p i dg r o w t ht h e s ey e a r s t h et r a f f i cs a f e t yp r o b l e mf o ll o w e dg a i n sm o r ea n dm o r ec o n c e r n w h il e t h e a u t o m o b i1 eisc o m i n gi n t oe v e r yf a m il y ，c h il d r e nb e c o m et h ee a s y s e e np a s s e n g e r s i nt h i sc i r c u m s t a n c e ，c h i l ds a f e t yi nt h ev e h i c l ec o l l i s i o nc a t c h e sm o r ea n dm o r e a t t e n t i o no ft h er e l a t e dt r a f f i ca g e n c i e sa n dt h er e s e a r c hi n s t i t u t e s o f t e n ，w e u s ec h il dr e s t r a i n ts y s t e mt op r o t e c tc h il dp a s s e n g e r si nt h ec a ri m p a c t ，s ot h e r e s e a r c ho fc h i l dr e s t r a i n ts y s t e mc a ni n d i c a t et h ed e s i g na n dt h eu t i l i z a t i o no f i t ，i no r d e rt op r o m o t et h es a f e t yo ft h ec h i l dp a s s e n g e r si nt h ea u t oc o l l i s i o n t h i st h e s i su s ec o m p u t e rs i m u l a t i o nt os t u d yt h eb e l t 。p o s i t i o n i n gb o o s t e ri n t h ev e h i c l ef r o n ti m p a c tb ya n a l y z i n gt h ed y n a m i co ft h ec h i l dd u m m y u s i n gap 6 m u l t i p l eb o d yf r o n ti m p a c td u m m y ，a na u t o m o b i i ef r o n tc o l l i s i o nd y n a m i cm o d e lw i t h a6y e a ro l dc h i l dp a s s e n g e rw a sb u i l ti nt h es i m u l a t i o np r o g r a mm a d y m o t h em o d e l c o n t a i n sv e h i c l ef l o o r ，r e a rs e a t ，b e l t p o s i t i o n i n gb o o s t e r ，h y b r i ds a f e t yb e l t a n dp 6d u m m ym o d e l s b a s e do nt h i sm o d e l ，b yc h a n g i n gt h ed e s i g na n du t i l i z a t i o n o ft h eb o o s t e r ，t h e i ri n f l u e n c eo nt h ec h i l dd y n a m i ci sr e s e a r c h e d t h eo u t p u t s o ft h es i m u l a t i o na r e ：r e s u l t a n th e a da c c e l e r a t i o n ，r e s u l t a n tc h e s ta c c e l e r a t i o n ， h i c ，n e c kz - c o m p o n e n tf o r c ea n dn e c ky - c o m p o n e n tm o m e n t t w oe v a l u a t i o nm e t h o d s b a s e do nt h ea b o v e5o u t p u tp a r a m e t e r sa r er a i s e di nt h i st h e s i s ，a n dt h e ya r eu s e d t oe v a l u a t et h ed i f f e r e n td e s i g n sa n du s e so ft h eb e l t p o s i t i o n i n gb o o s t e r t h es i m u l a t i o na n a l y s i sr e s u l ts h o w st h a t ，w h e nu s i n gt h i sb e l t p o s i t i o n i n g b o o s t e r ，f a s t e n i n gi tt ot h er e a rs e a ti sp r e f e r r e d b e c a u s eb yd o i n gs o ，t h e6 y e a ro l dp a s s e n g e rc a nb es u f f i c i e n t l yp r o t e c t e di nt h e v e h i c l ef r o n ti m p a c t b a s e d o nt h i sc o n c l u s i o n ，i ti ss u g g e s t e dt h a te n g i n e e r ss h o u l dd e s i g nf i x t u r e sf o rt h e b o o s t e rt oc o n n e c ti tt ot h er e a rs e a tf i r m l y t h i sd e s i g nc a ne f f i c i e n t l yr e d u c e t h ei n j u r er i s ko ft h ec h i l dp a s s e n g e r si nt h ea u t o m o b i l ef r o n ti m p a c t k e yw o r d s ：a u t o m o b i l ef r o n ti m p a c t ；c h i i di n j u r em e c h a n i s m ；b e l t - p o s i t i o n i n g b o o s t e r ；c h i l dr e s t r a i n ts y s t e m ；e v a l u a t i o nm e t h o d i i 武汉理工大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目勇乏i 第l 章绪论。1 1 1 我国车辆道路安全现状1 1 2 道路车辆儿童乘员伤害现状2 1 3 国内j , b j h 童乘员伤害研究2 1 3 1 儿童乘员交通伤流行病学3 1 3 2 儿童乘员伤害机理5 1 3 3 儿童乘员安全评价方法7 1 3 4 儿童乘员安全的研究方法8 1 4 本课题的研究意义、目的和重点9 第2 章儿童约束系统l o 2 1 儿童约束系统的分类1 0 2 2 增高型儿童安全座椅l l 2 2 1 增高型儿童安全座椅的分类。l l 2 2 2 增高型儿童安全座椅的特点。1 2 2 3 儿童乘员伤害评价指标1 4 2 4 儿童约束系统法规1 5 2 4 1 美国汽车安全法规f m v s s 15 2 4 2 欧洲汽车安全法规e c e 和e e c 1 7 2 4 3 我国汽车安全法规1 8 2 4 4 儿童约束系统的法规要求。18 第3 章碰撞仿真研究方法2 l 3 1 碰撞仿真软件介绍。2 1 3 1 1l s d y n a 介绍2 l 3 1 2m a d y m o 介绍2 2 3 2m a d y m o 软件理论基础2 3 3 2 1 多刚体系统。2 3 3 2 2 有限元模型2 4 3 2 3 安全带模型。2 5 3 2 4 加速度场2 6 3 2 5 接触模型。2 6 3 2 6 伤害参数2 7 第4 章建立仿真模型并验证。2 8 4 1 建立仿真模型2 8 4 1 1 车辆成人座椅建模。2 9 4 1 2 安全带模型建立一3 0 4 1 3 假人模型3 2 4 1 4 增高型安全座椅模型3 2 4 1 5 模型的加速度场3 3 武汉理工大学硕士学位论文 4 1 6 假人与增高座椅的定位3 4 4 1 7 3 点式安全带的定位3 5 4 1 8 完成仿真模型。3 7 4 2 验证仿真模型。3 7 第5 章仿真结果分析3 9 5 1 仿真输出伤害指标。3 9 5 2 论文仿真模型选定4 0 5 3 1 模型l 与模型2 的对比4 0 5 3 2 模型3 与模型l 的对比4 2 5 3 3 模型4 与模型l 的对比4 4 5 3 4 模型5 与模型2 的对比4 7 5 3 5 模型6 与模型l 的对比。4 9 5 3 66 个模型仿真后的儿童伤害指标对比。5 1 5 4 仿真模型评价的初步探讨5 3 5 4 1 排序分布评价法5 3 5 4 2 权重评价法5 4 5 4 3 评价方法的讨论5 6 5 5 仿真模型分析结论。5 7 全文总结与展望5 7 参考文献6 0 附录a 攻读学位期间发表的论文及申请的专利6 3 致谢6 4 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 该章节介绍国内外近几年道路车辆碰撞事故情况，并介绍其中学龄儿童乘 员的安全状况及伤害方式，对学龄儿童乘员在车辆上的伤害情况产生整体认识。 最后概述该论文的研究重点、研究目的及研究意义。 1 1 我国车辆道路安全现状 我国汽车工业进入二十一世纪后得到迅速发展。2 0 0 0 年，我国汽车产量达 到2 0 6 9 0 6 9 辆，销售2 0 8 8 6 2 6 辆，汽车产销量双双突破2 0 0 万辆。2 0 1 0 年，我 国汽车产销双双超过1 8 0 0 万辆，分别达到1 8 2 6 4 7 万辆和1 8 0 6 1 9 万辆，同比 分别增长3 2 4 4 和3 2 3 7 ，稳居全球产销第一。十年时间里，我国汽车产销量 增长约8 倍。然而不可忽视的是，随着道路上车辆的迅速增多，车辆驾驶员从 一种职业变为广大群众，驾驶员的道德素养、驾驶技术和安全意识参差不齐， 以及其他原因导致道路车辆交通事故成为我国安全事故导致人员死亡的主要原 因。2 0 0 9 年全国共发生各类事故4 1 3 7 5 2 起，死亡9 11 7 2 人。其中全国共发生 道路交通事故2 3 8 3 5 1 起，造成6 7 7 5 9 人死亡，分别占当年事故和死亡人数的 5 7 6 和7 4 3 。但相比2 0 0 4 年，我国道路交通事故从4 6 5 万起减少到2 3 8 万起，死亡人数从9 4 万人减少到6 7 万人，分别减少近5 0 和3 0 。说明随 着我国对道路交通安全的重视程度的提升，交通事故发生率有明显降低。 随着我国对汽车安全越来越重视，各个研究所与大学对汽车主动安全与被 + 一锷 。n l 星2 h i3 星4 h 15 星5 + 星 图l - 10 9 年c n c a p 评分结果统计图 动安全的研究也越来越多。汽车主 动安全是指尽量自如的操纵控制 汽车的安全系统措施，通过这些系 统降低汽车发生交通事故的可能 性；汽车被动安全是指汽车在发生 事故后对车内乘员及车外人员的 保护。在被动安全方面，国家相继 发布了正面碰撞、侧面碰撞和后面 碰撞法规以规范汽车被动安全要 求。同时于2 0 0 6 年，我国实施 c - n c a p ，全称c h i n a - n e wc a r a s s e s s m e n tp r o g r a m ，即中国新车 跖 撕 加 坫 m 0 o 武汉理工大学硕士学位论文 评价规程。c - n c a p 通过对市场上销售的车型进行主要三种碰撞试验，依据试 验数据对各评价指标结果进行评分和分级，最高分为5 1 分，星级最低为1 星级， 最高为5 + 。图1 - 1 为0 6 年至0 9 年c - n c a p 对中国市场销售的乘用车碰撞测试 星级评分结果统计嘲。 1 2 道路车辆儿童乘员伤害现状 据公安部交通管理局统计，2 0 0 4 年全国有7 0 7 7 名1 5 岁以下的儿童在交通 事故中丧生，有2 8 0 1 6 名1 5 岁以下的儿童在交通事故中受伤。2 0 0 6 年我国1 2 岁以下儿童在交通事故中的死亡人数所占比例为4 6 7 u 。据国际交通安全机 构的统计，交通事故中死亡人员中，每1 0 个人至少有1 个是儿童1 。2 0 0 2 年， 世界卫生组织的调查数据表明，在道路交通事故中，有4 9 7 3 6 名0 - - 4 岁的婴幼 儿死亡，1 3 0 8 3 5 名5 - - 1 4 岁的儿童死亡。在所有5 - 1 4 岁儿童的死因当中，交 通事故致死排在第二位，第一位是溺水。在我国，根据北京市交管局的统计 数据显示，我国儿童因交通事故导致的死亡率是欧洲的2 5 倍，美国的2 6 倍 e l 另据研究数据表明，正确使用儿童约束系统，能够有效降低车辆碰撞时儿 童所受伤害。n h t s a 统计数据表明，在乘用车碰撞事故中，相比不使用儿童约 束系统，使用儿童约束系统可以使l 周岁以下儿童车祸死亡率降低7 1 ，使l 4 周岁儿童车祸死亡率降低5 4 ，使4 7 周岁儿童受伤率降低5 9 。 因此，在乘用车上为婴幼儿乘员正确添加儿童约束系统能够有效保护儿童 乘员在车辆碰撞中免受致命伤害，并有效降低所受伤害等级。然而随着我国乘 用车在家庭中的普及，儿童乘员安全并没有得到足够保障，家长对儿童约束系 统的认识很低，没有为儿童乘员配置合适的儿童约束系统。同时，国内市场上 的儿童约束系统鱼龙混杂，有昂贵的符合欧美相关标准的进口产品，也有国产 的质量无保证产品。在我国相关安全标准颁布之前，由于没有法规的约束，国 内生产商的产品良莠不齐。随着近几年人们乘车安全意识的不断增强，汽车儿 童座椅越来越受人们重视。我国本定于2 0 1 0 年6 月出台第一部有关儿童和车安 全的强制性国家标准机动车儿童乘员用约束系统，如今延期出台。它的实施 有利于对儿童约束系统市场进行规范，也有利于国家未来的健康成长。此法规 的颁布在淘汰一批不合格儿童安全座椅生产商的同时，能够督促生产企业重视 产品质量与法规要求，投入资金进行产品研发，在产品上选用优质材料。 1 3 国内9 1 ) l 童乘员伤害研究 早在上个世纪，欧美等发达国家就开始进行儿童乘员的安全保护方面的研 2 武汉理工大学硕士学位论文 究，给予高度的重视。这些国家的相关机构在对多年的研究数据总结分析后得 出大量相关结论，依此制定了一系列相关法规、标准，使儿童乘员在车辆碰撞 事故发生中能够得到有效的保护。目前世界上主要有以下几大标准：欧洲e c e r 4 4 0 3 标准、美国j p m a a s t m 、加拿大c m v s s2 1 3 、日本j i s 等，澳大利亚、 中国台湾等地也相继颁布了对应标准。其中以欧洲的要求最为严格。在我国， 对儿童乘员安全性问题还没有受到广泛的重视，儿童约束系统的研究和应用尚 处于起步阶段，现今还没有正式的相关的法律法规颁布，儿童约束系统的重要 性并没有在相关人群中普及。但是由于车主日益增强的安全意识，他们越来越 重视汽车儿童座椅的使用。各个研究院及高校中的相关机构开始着手研究儿童 约束系统。这些年来，儿童约束系统领域的主要工作集中在儿童安全系统的宣 传和普及，以及在国外多年来儿童乘员约束系统的研究理论基础上，对儿童安 全座椅进行设计和生产。 1 3 1 儿童乘员交通伤流行病学 国外对儿童乘员的损伤部位及损伤原因进行了大量的统计和研究，这对于 深入理解儿童乘员在车辆碰撞中的伤害，以及高效改进儿童约束系统的安全保 护性能有极大的重要性。s a l t z m a n 等人的研究发现，儿童中枢神经系统损伤， 是导致车辆碰撞中儿童乘员死亡的主要原因哺。i s a k s s o n h e l l m a n 等人研究发 现，在各种碰撞方式与约束系统类型中，儿童乘员受伤频率最高的部位是头部 和脸部驯。z i n k 等人研究并提出，以往对儿童乘员在车辆碰撞中的伤害研究主 要在身体生理伤害上，但事故后各种伤害对儿童带来的心理创伤也不可忽视 u 叫。儿童乘员伤害风险的主要因素包括：碰撞方式，乘坐位置，碰撞严重度， 约束系统，儿童年龄或体重，约束系统使用状况等。 1 3 1 1 碰撞方式与儿童乘员乘坐位置 h e l l 等人研究发现，在车辆侧面碰撞事故中，儿童乘员受到a i s 3 + 伤害的 风险较高1 j 。美国研究人员通过对相关统计的研究发现，儿童在汽车翻滚事故 中受到m s 3 + 伤害的风险最高u 副。在所有车辆交通事故中，车辆侧面碰撞事故 占2 4 ，翻滚事故占7 ，而车辆正面碰撞事故占5 2 ，远高于前两种碰撞方式。 相关科研人员通过统计1 9 8 8 年至1 9 9 5 年美国道路交通事故并分析统计数 据发现，在导致儿童乘员死亡的事故中，坐在没有安全气囊的副驾驶位置上的 儿童死亡率是坐在后排座椅儿童死亡率的2 8 倍，坐在安全气囊在碰撞中打开 的副驾驶位置上的儿童死亡率是坐在后排座椅儿童死亡率的2 倍，而坐在后排 座椅正中间的儿童死亡率比坐在后排座椅成人座位上的死亡率低1 0 至2 0 u “。 r o t h m a n 的研究表明，在车辆侧面碰撞事故中，儿童乘员坐在成人座椅上的受 武汉理工大学硕士学位论文 伤风险比坐在后排座椅正中间的受伤风险大u 钊。 1 3 1 2 碰撞严重度 由于测量车辆碰撞严重度技术条件比较复杂，难度较高，因此国内外对碰 撞严重度的相关研究较少。p a i n e 等人通过建立前向式儿童约束系统，对导致 乘员死亡的道路交通事故中的儿童乘员伤害进行研究和分析，得出的结论是： 碰撞速度与受伤严重度之间相关程度不高，而车辆的侵入量和乘员受伤严重度 有正相关的关系副。另外有研究人员发现，碰撞严重度和儿童腹部伤害程度有 正相关关系u 。 1 3 1 3 约束系统 i s a k s s o n h e l l m a n 通过分析v o l v o 的数据库发现，依据儿童乘员受伤风险 由高到低排列的约束系统依次是：不使用任何约束系统，使用成人座椅安全带 系统，使用增高型座椅，使用后向式约束系统。c o r n e j o 等人研究发现，头部、 脸部、颈部和四肢是配备前向式儿童约束系统的儿童乘员较容易受伤的部位 m 。研究人员研究发现，在车辆正面碰撞事故中，儿童乘员使用后向式约束系 统时，头部和四肢的受伤风险最高驯。另外，儿童所乘坐空间部位的安全气囊 是否打开，对儿童受伤风险也有影响。安全气囊打开情况下，儿童受伤几率为 8 6 ，而没有安全气囊或安全气囊未打开情况下，儿童乘员受伤几率为5 5 u 。 1 3 1 4 儿童年龄或体重 i s a k s s o n h e l l m a n 的通过对大量车辆事故统计数据的研究发现，当儿童由 于年龄或体重原因，由之前一种儿童约束系统转为另一种儿童约束系统时，受 到伤害的风险会显著增高。当儿童到达4 周岁时，其车辆约束系统由适合2 4 岁年龄阶段的后向式幼儿安全座椅改为适合4 - - 8 岁年龄段的增高型儿童安全 座椅时，容易在车辆碰撞中受到伤害。8 岁的儿童，其约束系统由增高型儿童 安全座椅改为成人座椅安全带系统时，受伤的风险同样较高。而在同一种约束 系统内比较，如增高型儿童安全座椅或者成人座椅安全带系统，年龄越大的儿 童受到伤害的风险越低u 。 1 3 1 5 约束系统使用状况 k o s s a r 通过研究发现，正确使用儿童约束系统能够降低碰撞事故致使几率 7 1 ，而错误使用儿童约束系统，则无法起到降低儿童乘员在碰撞事故中受伤程 度的作用，几乎和不使用儿童约束系统时儿童乘员受伤的程度一致比川。 统计数据表明，相对于只使用成人安全带，使用增高型安全座椅能够使碰 撞中4 7 岁儿童受伤的风险降低5 9 ，同时可以改变儿童在交通事故中的伤害 模式，使严重伤害( a i s 2 ) 的发生率降低。在美国相关机构重视4 一- 8 周岁儿童 乘车安全之后，通过对增高型儿童安全座椅的推广，4 8 周岁儿童在事故中的 4 武汉理工大学硕士学位论文 死亡人数从1 9 9 6 年以来逐年下降，2 0 0 6 年的死亡人数相比1 9 9 6 年下降约 3 3 2 2 。 1 3 2 儿童乘员伤害机理 国外相关研究表明，在致命的碰撞事故中，后排座椅位置上1 2 岁以下儿童 的死亡风险比前排座椅位置上1 2 岁以下儿童的死亡风险低3 5 至5 0 ，且后排 中心位置上儿童的死亡风险比两侧位置约低1 0 - 2 0 。因此，学龄儿童在乘 坐车辆时，应坐在后排中心位置，并配合成人三点式或两点式安全带使用儿童 增高座椅或增高坐垫。儿童不是成年人身材的简单缩小，其各个部位在碰撞中 受到的伤害机理相对成人都有不同。下面将把人体分为头部、颈部、胸部、腹 部以及四肢对车辆正碰中儿童乘员的伤害机理进行讨论。 头部是安全保护的重点部位，头部的碰撞可能导致严重脑部损伤。成年人 的头部重量占自身体重的6 ，而六岁儿童头部的所占比重为1 6 。此外，成 年人头颈部的高度是自身身高的1 6 ，而儿童的头颈部的高度是自身身高的 1 4 ，如图卜2 所示比引。因此，儿童重心相对于自身身高比成年人更高，在车 辆碰撞中头部带动身体运动的倾向更大，与周围物体碰撞的可能性相对成人更 高。国外相关研究表明，无论何种碰撞类型和约束类型，车辆碰撞事故中，儿 童乘员损伤频率最高的部位是头部和脸部。相关研究表明，接触和惯性力矩是 导致儿童头部损伤的主要原因。接触是指，碰撞过程中，儿童头部与汽车内饰 件碰撞发生的接触，与车内其他乘员在碰撞中的接触也属于接触。由于接触导 致的儿童头部损伤通常有擦伤、挫伤及伴随有脑组织损伤的粉碎性骨折，因此 典型的头部接触损伤有脑膜外血肿、前脑叶挫伤及骨折。惯性力矩或加速度导 致的头部损伤一般是软组织损伤，例如脑膜下血肿。 新生儿3 岁6 岁成人 图1 2 儿童与成人身体比例对比图 图1 3颈椎示意图 武汉理工大学硕士学位论文 颈部是人类极为重要也比较脆弱的部位，颈椎的损伤会导致脊髓损伤、神 经疾病甚至高位截瘫。颈椎共有7 块，称为c 卜c 7 ，如图卜3 所示。5 0 以上 的颈部运动由寰枕关节和寰枢关节完成，剩余的5 0 的颈部运动均匀的分部于 c 3 7 间关节。c 1 - c 3 颈椎在儿童4 岁才逐渐接合，到1 0 岁接合完全。因此，儿 童上颈部c 1 - c 3 椎间小关节相对水平的方位使得在较小的力作用下就会发生脱 臼现象。另外，儿童颈部肌肉和韧带尚未完全发育，因此儿童在乘车时若错误 使用约束系统，很可能增加颈部损伤的风险。相关研究表明，儿童的颈椎在车 辆碰撞中能够承受较大的变形而不发生骨折，因此导致颈部的脊髓被拉伸，过 度的脊髓拉伸会导致脊髓损伤，这种伤害是儿童颈部的典型损伤，而在成人损 伤中较为少见。有相关研究数据统计表明，6 0 - 7 0 的儿童颈部骨折发生在c 1 或c 2 ，而对成年人来说c l 或c 2 处的骨折几率仅有1 6 ，这是由于儿童和成人 的颈部枢轴位置不同导致的，儿童颈部枢轴在c 2 或c 3 ，成年人颈部的枢轴在 c 6 附近。 人体胸部的骨骼构成主要是肋骨，胸部的主要器官是肺和心脏。相比成人， 儿童的心脏在儿童胸腔内占据有更高的体积比例。另外，儿童头部相对于整个 身体的比重较大，因此儿童的整体重心更靠近头部，相比成年人来说重心更高， 因此导致在碰撞时，人体与约束系统的接触方式上，儿童与成人会有不同。例 如在车辆正面碰撞事故中，由于儿童头部质量占整体比重较大，会在惯性力作 用下牵引身体围绕安全带的腰带部分或肩带部分转动。儿童的肋骨比成人的肋 骨更有韧性，能够承受更大变形而不发生折断，因此儿童肋骨骨折现象比较少 见，但儿童胸腔内部器官的损伤风险却因此增加。另外，a n n e m a r i e 等人认为 成人的髂前上棘突出明显，是安全带的解剖固定点。但是儿童髂前上棘在1 0 岁 之前基本没有成型，因此成人安全带无法正确定位，在碰撞时肩带会发生位移， 复杂的运动情况会导致胸腔内部器官损伤或其他部位损伤比圳。国外相关研究表 明，儿童过早使用成人安全带会增加内脏伤害的危险。 腹腔内包含有肝、脾等重要器官。由于骨骼发育及内脏发育速度不一致的 原因，儿童的腹部与成年人的腹部相比较为凸起。在车辆碰撞中，一部分运动 能量会分布在质量较小且较为凸起的腹部区域，而此区域内有较多脏器，因此 儿童将可能同时多个器官在碰撞中受到损伤。相关研究表明，人体骨盆的髂脊 在安全带的腰带定位中起到极为重要的作用，而该骨骼在儿童1 0 岁时才会发育 成熟，因此1 0 岁前儿童使用安全带时，腰带部分导致的儿童腹部损伤被叫做 “座椅带症状。儿童“座椅带症状”的典型损伤部位是皮肤、腹部实体及空 体器官、腰脊柱和骨盆，对碰撞后儿童健康的危害也较为严重。另据欧洲统计 结果表明，4 1 0 岁儿童的主要伤害为腹部伤害，占碰撞中伤害比例为2 6 瞄。 6 武汉理工大学硕士学位论文 因此对学龄儿童而言，应优先保护腹部。座椅带的几何形状和座椅的外形设计 都可能影响到儿童腹部、骨盆和腰脊柱的损伤风险，但对减轻这方面伤害的儿 童约束系统设计及安全带设计的相关研究现在仍然较少。 在车辆碰撞中，四肢所受伤害一般是骨折，严重的会导致截肢，但一般不 会危及生命。儿童四肢a i s 2 + 损伤主要是骨折瞄“，因此工程师和科学家对四肢 损伤机理方面的研究较少。 1 3 3 儿童乘员安全评价方法 目前国内# b j l 童乘员在车辆碰撞中的评价工具以假人实验和仿真模型为 主。假人实验是使用各个年龄段儿童假人模型，配合儿童约束系统或汽车座椅 台架进行碰撞试验。通过安装在假人模型上的各种传感器输出假人关键部位的 加速度、力、力矩和变形量，再对这些实验数据进行分析研究，这是目前的主 要评价工具。仿真模型是在计算机中依据实验的模型以及模型各个参数建立数 字模型；再通过仿真软件对数字模型进行求解，再对数字传感器输出的仿真数 据进行分析研究。同时，不论是假人实验还是仿真模型，都要按照儿童约束系 统的相关规范进行设定，对输出的实验和仿真数据也要按照相关规定采样。 儿童乘员安全评价由安全法规与安全评估体系组成。安全法规的制定考虑 到包含人类社会、自然环境、汽车科技等领域的诸多因素，通过国家政府相关 安全法规的颁布，能够使车辆儿童乘员相关企业规范产品的设计与生产，有利 于制定相关法律。世界各发达国家都对汽车碰撞安全性做出强制要求，制定适 合当地区域的法律法规。美国联邦机动车安全法规( f m v s s ) 和欧洲法规( e c e 和e e c ) 是当今的两大法规体系，具有代表性。其他国家和地区在这两个法规 体系的基础上，建立各自的法规，如日本j i s 、加拿大c m v s s 2 1 3 、澳大利亚等 国家。美国在机动车被动安全性的研究领域，是起步最早也是研究体系最完善 的国家。如今在相关领域发展几十年后，美国的联邦机动车安全法规已经形成 了完整的体系，有3 0 项法规是关于被动安全性的。上世纪6 0 年代后期，随着 欧洲相关研究的开展和深入，也依据统计和研究结果制定被动安全性法规，经 过多年的研究、实施，也形成了比较完善的被动安全性法规体系。除了侧撞安 全法规以外，其他各项法规与美国的法规无本质区别。由于欧洲采用产品认证 制度，因此e c e 和e e c 法规均制定有便于理解和操作的详细试验方法，比美国 f m v s s 法规更加便于操作。 安全评估体系是指伤害评估标准和体系，它是衡量交通事故中人员受到伤 害程度的指标。它一般从生物力学与解剖学角度出发，选择可以导致乘员丧失 某种机能或死亡的物理量。一般使用物理参数或相关函数对评估体系指标进行 7 武汉理工大学硕士学位论文 定义。例如头部加速度、颈部弯曲力矩、胸部变形量等。在确定安全评价指标 后，需要确定评价指标的阀值，若超过该阀值，人体相关部位会发生失效或无 法恢复的损伤。各个评价指标的阀值依据年龄或者体重身高的不同而不同。 1 3 4 儿童乘员安全的研究方法 对车内儿童乘员安全的研究涉及到的领域比较广泛，包含医学、生物力学、 汽车相关理论、统计学等众多学科，对这些学科展开相关学习和研究，有利于 对该领域研究展开全面有效的认识，提高研究结果的可信性和准确性。在对儿 童约束系统进行研究时，应将儿童约束系统分解为安全带、安全气囊等乘员约 束和保护装置，进而分块对其进行研究。主要研究方法和机械工程的运动学研 究方法类似，有实验方法、计算机仿真方法。此外由于国外相关机构有对交通 事故的特性统计，因此国外使用统计研究方法对儿童乘员安全开展研究分析。 1 3 4 1 实验方法 实验方法以乘员模型分类可以分为活人志愿者、尸体、动物和假人四种。 前三种由于危险性、伦理道德、动物保护等原因现今已经很少采用。如今国内 外车辆碰撞安全的相关实验研究均使用假人作为研究对象。 实验方法按照载体可以分为实车碰撞实验和台车碰撞实验。车碰撞实验使 用一辆完整的汽车，在车内放置假人，进行正面、侧面、追尾及与另一辆实车 的各种角度碰撞试验。该实验方法具有直观性、准确性和权威性，是汽车被动 安全研究中最有效的研究手段。但是该实验研究方法成本高，试验周期长，完 全依靠实车碰撞试验来验证产品动态性能需要花费高昂的费用和大量的人力及 相当长的时间，因此不具有大规模使用可行性，一般用于最终验证。 台车实验能够近似模拟实车碰撞效果。台车试验是一种模拟实车碰撞的试 验，利用平台车产生与实车碰撞极为接近的减速度，用来检验车辆乘员保护装 置的性能和汽车零部件的耐冲击能力。与实车碰撞实验相比，台车试验具有简 便、再现性好、试验费用低等优点。台车冲击试验的类型可以分为冲撞型、发 射型和处于两者之间状态的碰撞一反作用型。 1 3 4 2 统计方法 交通事故的统计方法主要用于交通伤流行病学的研究。交通事故的发生不 受单一条件或参数制约，其发生时间、地点、程度等特征受到来自环境、人员、 车辆状况等多种因素影响，很难用数学函数或者模型进行设计和描述。然而统 计学能够对社会群体行为进行分析归纳总结，通过对事故的筛选归类，能够对 事故特征与事故后果进行统计学分析，得出一般规律性结论。如相对于使用成 人约束系统，使用增高型儿童安全座椅能够使4 , - - , 8 岁儿童受到致命伤害的风险 8 武汉理工大学硕上学位论文 降低5 9 。然而统计方法需要大量的数据来支持。由于欧美国家对乘员安全的 关注展开较早，相关数据记录很多，该研究方法在发达国家得到较多运用，而 我国数据量极少，无法开展相关研究。 1 3 4 3 计算机仿真方法 近几十年来，得益于计算机技术的飞速发展以及对各种材料机理研究的不 断深入，使得对复杂结构的仿真计算成为可能。国际上很多研究人员一直探索 在乘员约束系统研究中使用计算机仿真方法来代替产品开发阶段的台车试验方 法。利用计算机仿真方法能够大幅减少台车实验的次数，仅使用少量的台车进 行实验，以对仿真模型的正确性进行验证。当前国内外对车辆碰撞仿真研究主 要运用l s - d y n a 与m a d y m o 进行数字模型的建立与仿真结果分析，并对现有儿童 约束系统进行评价与改进优化。然而计算机仿真方法有其自己的缺陷，即仿真 结果的可信程度相比试验方法较低，它受到来自模型的正确性、仿真软件的可 信性和仿真数据分析人员的正确性等条件的约束。 1 4 本课题的研究意义、目的和重点 如今，乘用车已经进入城市中的大多数家庭，而且2 0 1 0 年我国汽车产业仍 高速发展，我国成为世界汽车产销第一大国。如今，每一个城市里的新家庭几 乎都离不开汽车。在这样的背景下，我国城市儿童成为了乘用车的新乘员，儿 童在车上的安全将得到广泛的重视。现在c r s ，即儿童约束系统( c h i l d r e s t r a i n ts y s t e m ) ，俗称儿童安全座椅，是车辆中儿童安全保护的主要装置。 c r s 的种类可粗略分为提篮、增高座椅、增高坐垫三种。本课题对4 8 岁儿童 适用的儿童增高座椅的计算机仿真研究，可为儿童增高座椅的设计与优化提供 指导。 本课题在m a d y m o 中建立儿童增高座椅前碰撞分析多刚体模型，其中有 儿童假人多刚体模型，儿童增高座椅多刚体模型和安全带模型，再运用m a d y m o 分析车辆前碰撞中儿童假人在儿童增高座椅中的运动学行为及评价参数，研究 儿童增高座椅的设计参数对评价参数的影响。对市场现有增高型儿童安全座椅 进行评价并进行优化，对优化后儿童增高座椅模型进行仿真，验证评价参数得 到改善。 本课题的研究重点是： ( 1 ) 建立计算机仿真模型并对比试验数据验证该模型： ( 2 ) 研究增高型儿童安全座椅的几何特征对儿童伤害评价指标的影响 9 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章儿童约束系统 该章介绍儿童约束系统的分组及增高型儿童安全座椅对学龄儿童乘员的保 护作用，说明为学龄儿童乘员配置增高座椅的必要性。并介绍儿童安全评价指 标以及国内外相关法规。 2 1 儿童约束系统的分类 儿童约束系统是指带有保护带扣的织带或相应柔软的部件、调整装置、连 接装置以及辅助装置，例如手提式婴儿床( 便携睡床) 、婴儿携带装置、辅助座 椅和或碰撞防护，且能将稳固放置在机动车上的装置。其设计是通过限制佩戴 者身体的移动来减轻在车辆碰撞事故或突然减速情况下对佩戴人员的伤害。 依据儿童乘员质量分类，儿童约束系统分为五个“质量组”： 刮组用于体重小于l o k g 的儿童； 刈+ 组用于体重小于1 3 k g 的儿童； i 组用于9 k g 到1 8 k g 的儿童； i i 组用于1 5 k g 到2 5 k g 的儿童： i i i 组用于2 2 k g 到3 6 k g 的儿童 依据儿童约束系统在车辆上放置的位置，分为四种类型：通用类、受限制 类、半通用类、特殊车辆类 依据儿童约束方式，儿童约束系统可以分为两类：整体式的儿童约束系统 和非整体式儿童约束系统。其中整体式的儿童约束系统中，保持力控制系统不 直接与车辆连接；非整体式的儿童约束系统中，保持力控制系统直接与车辆连 接。 依据市场销售及使用对象年龄，儿童安全座椅一般分为： 婴儿型，适用于未满1 周岁的婴儿； 婴幼儿型，适用于l 4 周岁幼儿； 全能型，适用于0 - 8 周岁儿童； 增高型，适用于4 - - 8 周岁儿童。 这种分类方式是社会上较为普遍也较容易为人所接受的分类方式。图2 1 为该种分类方式的四种儿童安全座椅的典型图片 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 婴儿型婴幼儿型 全能型增高型 图2 - 1 儿童安全座椅典型分类图 2 2 增