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原文传递基于摩托车事故重建的头盔损伤防护性能研究

论文题名：	基于摩托车事故重建的头盔损伤防护性能研究
关键词：	摩托车头盔;事故重建;防护性能;头部损伤;动力学响应;有限元分析
摘要：	随着经济的发展，两轮摩托车（简称摩托车）已经成为城乡居民最普遍的出行方式，而混合交通方式的存在加剧了摩托车事故发生几率，根据2000～2008年我国道路交通事故统计年报的数据，我国每年因摩托车事故导致的死亡人数多达1.8万～2.1万，占交通事故死亡总数的15.8-21％，并且呈上升趋势。在摩托车交通事故中，骑车人常常由于头部受到撞击而导致重伤甚至伤亡，头盔的运用能够有效减小这一伤害，但恶劣的头盔质量和佩戴率低带来的问题严重威胁了驾乘人员的人身安全，由此本文利用有限元的方法研究头盔在碰撞中的动态响应及其对头部的损伤防护性能，以利于研究开发更安全的头盔和减少骑车人头部损伤风险。　　在交通安全研究工作中，深刻理解摩托车事故成因和机理的基础在于开展全面、详细、深入、真实的交通事故调查，作者先后在长沙和佛山地区参与了道路交通事故的调查工作（(I)(V)AC数据库和CIDAS数据库），通过分析调查所采集的摩托车轿车碰撞事故数据发现，摩托车驾乘人员头部伤是主要的致伤形式，对骑车人头部保护的研究具有重要的意义。　　首先，本文在全面了解摩托车事故案情特点、头部损伤生物力学和头部损伤评价标准等理论的基础上，选取了数据比较全面、碰撞形式比较典型的十起摩托车-轿车事故，利用MADYMO和PC-CRASH重建了该十起真实的摩托车-轿车事故，通过建立有效的摩托车多体模型和轿车模型，模拟分析了事故中假人的运动轨迹、头部碰撞速度和碰撞角度。其次，建立了一款真实的摩托车头盔有限元模型，尤其是对头盔外壳GRP材料和内衬EPS材料性能和进行了虚拟仿真分析，头盔模型通过欧洲ECER22.05法规的验证。再次，结合湖南大学人体颅脑有限元模型（HUN-HBM-Head）和轿车风挡玻璃模型，模拟了骑车人头部碰撞时刻的动力学响应过程，研究了颅脑的损伤机理及相关生物力学参数。最后，在佩戴头盔的情况下，模拟了十起案例中的头部碰撞，以头部损伤参数为评判标准，分析了头盔的保护性能和防护效率。借助先进的实验设计方法和优化算法，以最小颅脑损伤参数值为目标（HIC、von Mises应力、颅内压力、剪切应力），针对头盔设计的材料、属性等关键参数进行了优化分析。优化后的头盔有效的减小了损伤值，加大了头盔的防护效率，能够有效的减小骑车人头部受伤风险。　　多体动力学模型重建结果表明头部碰撞速度与轿车碰撞速度呈正相关，相关系数为0.882，与摩托车碰撞速度呈负相关。有限元分析结果表明，碰撞中骑车人脑应力的大小和分布与真实事故中骑车人的受伤情况吻合度较高，在佩戴头盔的情况下，碰撞速度越高，防护效率越大，头盔在抑制冯氏应力和剪切应力值时的效果不是很明显，在低速碰撞时，头盔反而可能成为另一个致伤物，加大骑车人的头部受伤情况。经过优化分析后的头盔降低了14.1％的碰撞侧颅内压力，28％的碰撞对侧压力，5.7％的冯氏应力和剪切应力，19.6％的HIC值，有效的提高了头盔的保护性能，在一定程度上对头盔的设计和制造具有参考价值。
作者：	陈吉光
专业：	机械工程
导师：	杨济匡
授予学位：	硕士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文