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原文传递后排儿童乘员碰撞损伤防护研究

论文题名：	后排儿童乘员碰撞损伤防护研究
关键词：	儿童乘员;儿童假人;儿童约束系统;计算机仿真;交通伤流行病学;优化
摘要：	道路交通事故是造成儿童伤亡的重要因素之一。每年有26万名儿童死于交通事故,1000万名儿童在交通事故中受伤。由于我国实行了计划生育政策,交通事故导致的儿童伤亡给家庭带来了巨大的精神伤害和物质损失,儿童乘车安全问题在我国显得尤为突出。随着汽车安全技术的发展,以及儿童乘车安全问题逐步受到重视,儿童安全已经成为汽车安全研究的重要课题。本文在文献研究的基础上,使用统计学方法、计算机仿真方法和优化方法,分别对后排儿童乘员的损伤流行病学和损伤防护、后排其他乘员(成人和婴幼儿)的损伤防护以及儿童假人生物逼真度改进等进行了研究。 1. 后排儿童乘员损伤流行病学研究。本研究基于NASS-CDS数据库,使用描述性统计和多元逻辑回归的方法,计算了 4 至 18 岁儿童/青少年乘员的约束系统类型和损伤风险,并以儿童年龄作为安全带保护效果变更的判定因子,评定了适合佩带成人安全带的年龄。结果显示,对于大于3岁的后排儿童乘员,成人安全带是最主要的约束形式。在4至18岁的儿童/青少年中,8至12岁的儿童的损伤风险最高。对于 4 至 15 岁的儿童/青少年,头部为最常见的损伤部位。小个儿童(4 至 7 岁)很少发生面部损伤,但是 8 至 18 岁儿童/青少年的面部损伤风险很高。16 至 18 岁青少年的胸部损伤风险最高(0.54%),但是其脊柱的损伤风险最低(0.03%)。对于 8 至 18 岁的儿童/青少年,腹部损伤风险随着儿童年龄的增长而降低。对于 4 至 8 岁的儿童,使用成人安全带会增加在正碰中的损伤几率(OR=2.51；95%CI：1.55-4.04)；对于9至18岁的儿童/青少年,使用成人安全带会降低在正碰中的损伤几率(OR=0.93；95%CI：0.81-1.07)。该研究为后续后排儿童乘员损伤防护研究的开展提供了现实依据。 2. 参数化儿童假人模型的建立和验证。本研究基于 MADYMO 软件提供的Hybrid III 6岁儿童假人模型,引入了更真实的髋部和腹部几何、优化的铰链特性和接触特性,建立了可代表6至12岁儿童的参数化假人模型。该模型经过严格的试验验证,通过多目标优化方法与12种不同工况的台车试验进行了对标,如采用了不同座垫长度的后排座椅、不同的安全带固定点位置以及两种身体尺寸的儿童假人。使用统计评估的方法客观的评价了模型的有效性。结果显示,模型预测的假人头部、胸部、髋部加速度以及安全带力都与试验结果较好的吻合。该参数化假人模型可自动生成6至12岁之间任意年龄的儿童假人模型,为研究汽车乘坐环境对大龄儿童乘车安全性的影响,及其约束系统设计标准的建立,提供了有效的工具。 3. 后排儿童乘员约束系统参数分析和优化。本研究基于前文建立的参数化儿童假人模型,分析了身体尺寸、后排座椅参数和安全带参数对6至12岁儿童乘员损伤的影响,并通过优化方法得到该年龄段儿童的最佳约束系统设计。集合MADYMO、Modefrontier和Scilab软件,开发了一套自定义程序,可实现乘员定位、安全带匹配、约束系统参数设置和模型运算的全自动化。参数研究结果表明,身体尺寸(或年龄)对儿童在正面碰撞中的运动影响最为显著。为了平衡碰撞中的头部前移量和膝部前移量,并且防止出现“下潜”,本研究采用优化方法改进约束系统设计。总的来说,较低且靠后的上挂点位置,较高且靠前的锚点和带扣点位置,较短、薄且刚度大的座垫可以较好的保护6至12岁儿童。对于小个儿童乘员,上挂点、锚点和带扣点位置应靠前,以避免出现“下潜”。本研究得到的最优约束系统参数取值范围,可为大龄儿童乘员约束系统的设计提供指导。 4. 后排其他乘员(成人和后向式儿童座椅中的婴幼儿)的损伤防护研究。为分析前文得到的大龄儿童最佳约束系统配置对其他乘员损伤的影响,本研究建立了后排成人和婴幼儿后向式儿童座椅约束系统模型。模型与12个不同工况的台车试验进行对标,统计评估数据显示,建立的成人和婴幼儿后向式儿童座椅模型具有较高的仿真度。对两个模型中安全带和座椅参数进行优化,得到的优化参数与6 岁儿童最佳约束系统配置进行对比,结果显示,三个年龄组乘员的最佳约束系统(座椅安全带固定点位置和座椅座垫长度)配置并不相同。比较靠前的锚点和带扣点位置可减少大龄儿童的“下潜”风险,却降低对成人和后向式儿童座椅中婴幼儿的保护；较短座垫长度可为成人和大龄儿童提供最佳的保护,却会显著增加后向式儿童座椅的旋转,增加婴幼儿的损伤风险。因此,有必要采用自适应式或智能约束系统,提高所有后排乘员的乘车安全性。 5. Hybrid-III 6岁儿童假人脊柱生物逼真度改进。由于Hybrid-III儿童假人继承了成人假人的刚性胸椎,因此不能准确模拟儿童在碰撞中的响应。本研究以经过改进的 Hybrid-III 6 岁 MADYMO 假人模型作为基础模型,采用儿童志愿者试验、尸体试验和真实事故数据作为儿童假人改进设计的目标,探寻提高Hybrid-III 6 岁儿童假人脊柱生物逼真度的可行设计方案。使用优化技术,实现了模型与试验/事故数据的对标。假人的改进包括增加胸椎铰链和调整颈椎和腰椎的铰链特性。研究结果表明,为得到更真实的脊柱运动特性,应降低目前儿童假人的颈椎和腰椎在身高方向的移动刚度,并且增加包含曲伸和拉伸自由度的胸椎铰链。研究得到的脊柱铰链参数范围可为今后儿童假人的改进提供指导,并且建立的儿童假人模型可用于评价儿童约束系统的有效性。
作者：	吴俊
专业：	车辆工程
导师：	曹立波
授予学位：	博士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2012
正文语种：	中文