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

1、行人是交通事故中死亡風(fēng)險(xiǎn)最高的道路使用者之一，行人保護(hù)已成為汽車設(shè)計(jì)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(duì)行人頭部保護(hù)進(jìn)行汽車設(shè)計(jì)研究的同時(shí)，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(duì)受害者和社會(huì)造成了嚴(yán)重的影響。因此針對(duì)胸部損傷及防護(hù)措施的研究也突顯其急迫性。行人下肢的損傷可引發(fā)長(zhǎng)期的殘疾，給社會(huì)帶來(lái)沉重的負(fù)擔(dān)，其損傷及損傷評(píng)價(jià)方法雖得到廣泛的研究并取

2、得了一定進(jìn)展，但對(duì)于不同汽車前部結(jié)構(gòu)碰撞的損傷機(jī)理及評(píng)價(jià)方法仍需改進(jìn)。因此，探討行人胸部和下肢損傷機(jī)理、損傷防護(hù)技術(shù)和損傷評(píng)價(jià)方法對(duì)改進(jìn)汽車結(jié)構(gòu)碰撞安全設(shè)計(jì)，具有重要的社會(huì)現(xiàn)實(shí)意義。
　　 本文簡(jiǎn)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(jī)理，簡(jiǎn)單歸納了行人保護(hù)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(yùn)動(dòng)型轎車(SUV)的有限元模型。其中，中型轎車和運(yùn)動(dòng)型轎車(SUV)是改進(jìn)來(lái)自美國(guó)國(guó)家碰撞分析實(shí)驗(yàn)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(duì)實(shí)車進(jìn)行拆解、尺寸測(cè)量，由計(jì)算機(jī)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(yàn)測(cè)得。對(duì)實(shí)車進(jìn)行了頭部沖擊試驗(yàn)和下肢沖擊器試驗(yàn)，對(duì)比仿真中頭部及下肢沖

4、擊器測(cè)量參數(shù)和實(shí)車測(cè)試結(jié)果，車輛模型得到了有效驗(yàn)證。
　　 行人動(dòng)力學(xué)及頭部損傷風(fēng)險(xiǎn)研究。運(yùn)用已全面驗(yàn)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(dòng)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(yùn)動(dòng)特性，頭部碰撞動(dòng)力學(xué)及碰撞邊界條件，以及車輛前部結(jié)構(gòu)對(duì)頭部損傷風(fēng)險(xiǎn)的影響。討論了行人頭部防護(hù)措施。分析結(jié)果表明：車輛前部結(jié)構(gòu)外型影響整個(gè)

5、人體動(dòng)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(huì)沿發(fā)動(dòng)機(jī)罩繞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)顯著，在廂式車碰撞中，人體被直拋出而繞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)不明顯。同時(shí)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(duì)行人頭部損傷的風(fēng)險(xiǎn)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(xiǎn)。
　　 研究了車輛與行人碰撞中胸部損傷機(jī)理。分析了在不同車輛前部結(jié)構(gòu)碰撞中行人胸部的動(dòng)

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(xiǎn)。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(dòng)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(duì)胸腔肋骨的壓縮量。在典型發(fā)罩

7、式車輛碰撞中，發(fā)動(dòng)機(jī)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(xiǎn)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(xiǎn)高。
　　 為了研究行人子系統(tǒng)沖擊器試驗(yàn)對(duì)胸部損傷評(píng)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。基于行人胸部碰撞條件，進(jìn)行了大腿沖擊器和頭部沖擊實(shí)驗(yàn)，

8、對(duì)行人子系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)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(jìn)行了對(duì)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(duì)一些特定外形的車輛前部結(jié)構(gòu)對(duì)胸部損傷評(píng)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(jī)理。應(yīng)用盆骨應(yīng)力分布圖對(duì)盆骨力學(xué)加載特性進(jìn)行分析。采用下肢彎矩圖解法對(duì)下肢動(dòng)力學(xué)及損傷參數(shù)進(jìn)行分析。并與車輛下肢沖擊器試驗(yàn)法進(jìn)行對(duì)比，分析了人體下肢在不同碰撞速度下的損傷風(fēng)險(xiǎn)。研究結(jié)果表明：彎矩圖解法可用于下肢動(dòng)力學(xué)響應(yīng)及損傷參數(shù)對(duì)下肢損傷機(jī)理研究。下肢彎矩圖受保險(xiǎn)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(xiǎn)高。盆骨的損傷風(fēng)險(xiǎn)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(xiǎn)較高。
　　 綜上所述，汽車前部結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計(jì)與剛度分布對(duì)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(duì)頭部的損傷風(fēng)險(xiǎn)影響明顯，而外形對(duì)胸部損傷風(fēng)險(xiǎn)影響顯著。仿真分析表明在微型轎車上的外形設(shè)計(jì)如：較高的發(fā)動(dòng)機(jī)罩前沿及平緩的外形過(guò)渡，大面積的風(fēng)擋玻璃設(shè)計(jì)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(duì)行人胸部和下肢損傷機(jī)理研究有著重要