車輛碰撞行人的動力學(xué)響應(yīng)及胸部和下肢損傷機理研究.pdf

1、行人是交通事故中死亡風(fēng)險最高的道路使用者之一，行人保護已成為汽車設(shè)計的重要課題之一。行人頭部損傷是造成死亡的主要原因，針對行人頭部保護進行汽車設(shè)計研究的同時，行人胸部損傷數(shù)量也在逐年上升。在車輛與行人碰撞事故中，行人胸部的損傷率僅次于頭部和下肢，而致死率僅次于頭部，對受害者和社會造成了嚴(yán)重的影響。因此針對胸部損傷及防護措施的研究也突顯其急迫性。行人下肢的損傷可引發(fā)長期的殘疾，給社會帶來沉重的負(fù)擔(dān)，其損傷及損傷評價方法雖得到廣泛的研究并取

2、得了一定進展，但對于不同汽車前部結(jié)構(gòu)碰撞的損傷機理及評價方法仍需改進。因此，探討行人胸部和下肢損傷機理、損傷防護技術(shù)和損傷評價方法對改進汽車結(jié)構(gòu)碰撞安全設(shè)計，具有重要的社會現(xiàn)實意義。
　　 本文簡要介紹了行人交通事故現(xiàn)狀，行人損傷生物力學(xué)研究現(xiàn)狀，總結(jié)了行人頭部，胸部及下肢的主要解剖學(xué)結(jié)構(gòu)及主要損傷形式及損傷機理，簡單歸納了行人保護的研究方法。
　　 根據(jù)車輛與行人事故碰撞中常致人體損傷的車輛類型，建立了不同前部結(jié)構(gòu)的中

3、型轎車( medium car)、微型車(minicar)、廂式車(one-box type vehicle)及運動型轎車(SUV)的有限元模型。其中，中型轎車和運動型轎車(SUV)是改進來自美國國家碰撞分析實驗室的原始模型，使其單元尺寸和質(zhì)量滿足行人碰撞事故分析要求。微型車和廂式車是對實車進行拆解、尺寸測量，由計算機建模得到。材料屬性定義由車輛前部結(jié)構(gòu)的標(biāo)本拉伸試驗測得。對實車進行了頭部沖擊試驗和下肢沖擊器試驗，對比仿真中頭部及下肢沖

4、擊器測量參數(shù)和實車測試結(jié)果，車輛模型得到了有效驗證。
　　 行人動力學(xué)及頭部損傷風(fēng)險研究。運用已全面驗證的THUMS行人模型，建立了車輛一行人碰撞有限元模型，分析了碰撞中行人的動力學(xué)響應(yīng)：討論了在四種不同車輛前部結(jié)構(gòu)及兩種尺寸的行人模型在20-50 km/h不同車速的碰撞條件下的人體各部位的運動特性，頭部碰撞動力學(xué)及碰撞邊界條件，以及車輛前部結(jié)構(gòu)對頭部損傷風(fēng)險的影響。討論了行人頭部防護措施。分析結(jié)果表明：車輛前部結(jié)構(gòu)外型影響整個

5、人體動力學(xué)響應(yīng)和各部位的拋射特性曲線。在典型發(fā)罩式車輛(bonnet type car)碰撞中，人體上部會沿發(fā)動機罩繞轉(zhuǎn)運動顯著，在廂式車碰撞中，人體被直拋出而繞轉(zhuǎn)運動不明顯。同時車輛前部結(jié)構(gòu)也影響行人各部位的碰撞條件。分析表明車輛碰撞速度對行人頭部損傷的風(fēng)險影響顯著，降低碰撞速度至30 km/h及以下可顯著減輕行人頭部損傷程度，降低死亡風(fēng)險。
　　 研究了車輛與行人碰撞中胸部損傷機理。分析了在不同車輛前部結(jié)構(gòu)碰撞中行人胸部的動

6、力學(xué)響應(yīng)，胸部碰撞條件（碰撞速度和碰撞角度）。分析了胸部損傷參數(shù)（胸部載荷，胸部壓縮變形量，von Mises應(yīng)力分布）及胸部變形模式。分析了行人胸部在不同車速碰撞下的肋骨損傷風(fēng)險。研究結(jié)果表明：胸部損傷影響因素取決于車輛前部結(jié)構(gòu)外形及與胸部接觸的局部車輛結(jié)構(gòu)及其剛度，車輛前部結(jié)構(gòu)形狀影響胸部碰撞動力學(xué)及其碰撞速度：與胸部接觸的局部結(jié)構(gòu)的接觸特性和吸能特性影響胸腔的變形量和變形模式；胸部的損傷取決于以上兩者對胸腔肋骨的壓縮量。在典型發(fā)罩

7、式車輛碰撞中，發(fā)動機罩剛度的均勻分布，變形模式平緩，因此胸部肋骨的變形量小，損傷風(fēng)險低。在廂式車碰撞中中，行人胸部與風(fēng)擋玻璃下高剛度的橫梁碰撞，胸部承載在碰撞中產(chǎn)生的剪切載荷，胸腔變形量大，肋骨壓縮嚴(yán)重，損傷風(fēng)險高。
　　 為了研究行人子系統(tǒng)沖擊器試驗對胸部損傷評估的有效性，應(yīng)用JARI和CPMi50多剛體行人模型和THUMS有限元模型分析胸部在不同前部結(jié)構(gòu)碰撞中的有效質(zhì)量?；谛腥诵夭颗鲎矖l件，進行了大腿沖擊器和頭部沖擊實驗，

8、對行人子系統(tǒng)實驗中大腿沖擊器和頭部沖擊器的力學(xué)特性及車輛前部結(jié)構(gòu)變形特性與在行人碰撞中的力學(xué)特性和結(jié)構(gòu)變形特性進行了對比分析。分析結(jié)果表明行人胸部有效碰撞質(zhì)量受車輛前部結(jié)構(gòu)形狀，結(jié)構(gòu)剛度及碰撞速度等的影響，得到的50百分位行人的胸部有效質(zhì)量為18.8(SD1.8)kg。在中型轎車和廂式車碰撞中，頭部沖擊器的加速度與胸部肋骨變形量存在顯著相關(guān)性，表明頭部沖擊器對一些特定外形的車輛前部結(jié)構(gòu)對胸部損傷評估是有效的，例如廂式車輛前部結(jié)構(gòu)。

9、>　　 研究了不同車輛前部結(jié)構(gòu)碰撞中的盆骨與下肢損傷機理。應(yīng)用盆骨應(yīng)力分布圖對盆骨力學(xué)加載特性進行分析。采用下肢彎矩圖解法對下肢動力學(xué)及損傷參數(shù)進行分析。并與車輛下肢沖擊器試驗法進行對比，分析了人體下肢在不同碰撞速度下的損傷風(fēng)險。研究結(jié)果表明：彎矩圖解法可用于下肢動力學(xué)響應(yīng)及損傷參數(shù)對下肢損傷機理研究。下肢彎矩圖受保險杠外形，尺寸參數(shù)等因素影響。在中型轎車和SUV碰撞中的骨折風(fēng)險高。盆骨的損傷風(fēng)險取決于車輛前部結(jié)構(gòu)和剛度的影響，在廂式

10、車和SUV碰撞中的恥骨及骨盆骨折風(fēng)險較高。
　　 綜上所述，汽車前部結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計與剛度分布對行人損傷有顯著關(guān)系。行人頭部和胸部的損傷都是可致命的損傷，碰撞速度對頭部的損傷風(fēng)險影響明顯，而外形對胸部損傷風(fēng)險影響顯著。仿真分析表明在微型轎車上的外形設(shè)計如：較高的發(fā)動機罩前沿及平緩的外形過渡，大面積的風(fēng)擋玻璃設(shè)計都有利于減小行人損傷。而減少車輛碰撞速度將是降低行人死亡和損傷最有效的途徑。本文研究成果對行人胸部和下肢損傷機理研究有著重要