基于試驗(yàn)和有限元仿真的兒童乘員正面和側(cè)面碰撞安全研究.pdf

1、兒童乘員安全是汽車碰撞安全領(lǐng)域的重要研究課題之一。國際上關(guān)于兒童乘員安全的研究早在上世紀(jì)60年代就開始了；美國和歐洲等國分別于70和80年代相繼建立了兒童乘員安全法規(guī)。隨著我國家用汽車保有量的逐年增加，兒童乘員安全問題越來越突出。兒童乘員約束系統(tǒng)(Child Restraint System，CRS)是防止交通事故中兒童乘員傷亡的乘車保護(hù)裝置，開展這方面的研究工作具有重大的社會意義，尤其在我國實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有的計(jì)劃生育政策情況下。 本文

2、應(yīng)用HybridⅢ3歲兒童假人有限元模型和3歲兒童人體有限元模型建立了四種典型的前向式CRS(著衣型、護(hù)板型、普通的5點(diǎn)式背帶型和ISOFIX CRS)的正面碰撞臺車試驗(yàn)的有限元仿真模型。將HybridⅢ假人有限元模型仿真的乘員動(dòng)態(tài)響應(yīng)與試驗(yàn)對照，以校驗(yàn)有限元模型。對比分析了試驗(yàn)和仿真中這四種典型CRS約束下的乘員傷害值及兒童人體有限元模型的應(yīng)力分布以比較這四種CRS的正面碰撞安全性的優(yōu)劣。對使用三點(diǎn)式安全帶固定的護(hù)板型和普通的5點(diǎn)式背

3、帶型CRS的安全帶有100 mm松弛的誤使用情形及普通的5點(diǎn)式背帶型CRS和ISOFIX CRS的背帶有100 mm松弛的誤使用情形進(jìn)行了有限元仿真分析。結(jié)果表明，ISOFIX CRS的正面碰撞安全性最好。 ISOFIX CRS是一種國際通用型CRS，實(shí)現(xiàn)了與車體簡單、牢固和標(biāo)準(zhǔn)化的連接。因此本研究著重對ISOFIX CRS的正面碰撞安全性進(jìn)行了分析?？紤]到對使用前向式CRS的4歲以下兒童乘員，頸部保護(hù)非常重要，因此著重對頸部

4、響應(yīng)進(jìn)行了深入分析。兒童人體有限元模型的上頸部受力是基于頭部的運(yùn)動(dòng)力學(xué)方程式計(jì)算求得的。假人模型與兒童人體有限元模型在仿真中的體趁幹姿態(tài)及下頜與胸部的接觸方式有較大差異。假人和兒童人體有限元模型的下頜與胸部的不同的接觸力及頭部慣性力使得兩模型的上頸部受力不同。假人模型的上頸部所受剪力和拉力均較大，而兒童人體有限元模型的上頸部剪力較小，拉力較大。 為減小ISOFIX CRS約束下的兒童乘員頭部、頸部和胸部受力，考慮給ISOFIXC

5、RS的頂部拉帶加限力計(jì)。用有限元模型仿真分析了ISOFIX CRS正確使用情形和CRS背帶有100 mm松弛的誤使用情形下頂部拉帶限力計(jì)的效果。結(jié)果表明限力計(jì)有效地降低了頭部和胸部加速度及上頸部受力。通過計(jì)算假人和兒童人體有限元模型的緩沖能量密度和約束能量密度，及約束能量密度中被CRS背帶吸收的能量密度和耗散到CRS安裝系統(tǒng)的能量密度，得到了能量密度和效率與胸部加速度之間的關(guān)系。結(jié)果表明，胸部加速度并不完全由緩沖能量效率決定，而是由被C

6、RS背帶吸收的能量效率決定。被CRS背帶吸收的能量效率越高，胸部加速度越高。 由于關(guān)于兒童乘員的側(cè)面碰撞臺車試驗(yàn)在國際上還沒有統(tǒng)一方案，本研究對側(cè)面碰撞實(shí)車試驗(yàn)進(jìn)行了分析。比較了三種類型CRS(前向式、后向式和嬰兒床式CRS)約束下的Q3s3歲側(cè)面碰撞兒童假人和CRABI6個(gè)月嬰兒假人的側(cè)面碰撞實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果，為側(cè)面碰撞臺車試驗(yàn)方法的確立提供依據(jù)。除前向式CRS中的Q3s假人的胸部壓縮量(23.3 mm)略高出指標(biāo)值(23 mm)

7、外，其余傷害值都低于相應(yīng)的傷害指標(biāo)值。雖然在前向式和后向式CRS的試驗(yàn)中，車門腰線通過CRS側(cè)護(hù)板間接撞擊了假人頭部，但頭部加速度還是很低。其原因是由于CRS側(cè)護(hù)板吸收了撞擊能量，且假人頭部始終處于CRS側(cè)護(hù)板內(nèi)部。建立了簡單的前向式CRS的側(cè)面碰撞有限元模型。將HybridⅢ3歲兒童假人和3歲兒童人體有限元模型的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比，頭部、胸部和髖部的合成加速度峰值大小很接近。 本研究以試驗(yàn)和有限元仿真為主要研究手段，對兒童

8、乘員在不同類型CRS約束下的正面和側(cè)面碰撞過程中的乘員動(dòng)態(tài)響應(yīng)和傷害值進(jìn)行了深入分析和研究。應(yīng)用HybridⅢ3歲兒童假人有限元模型和3歲兒童人體有限元模型建立了四種典型的前向式CRS的正面碰撞臺車試驗(yàn)的有限元仿真模型。提出了在ISOFIX CRS的頂部拉帶加限力計(jì)以減輕頭頸部和胸部的受力。運(yùn)用緩沖及約束能量效率理論提出了能量效率與胸部加速度之間的關(guān)系。通過對比分析HybridⅢ假人和兒童人體有限元模型的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)兩者在仿真中的體斡