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原文传递车辆碰撞行人的动力学响应及胸部和下肢损伤机理研究

论文题名：	车辆碰撞行人的动力学响应及胸部和下肢损伤机理研究
关键词：	行人交通事故;车辆前部结构;头部损伤;胸部损伤机理;下肢损伤;行人损伤风险;数字仿真;汽车设计
摘要：	行人是交通事故中死亡风险最高的道路使用者之一，行人保护已成为汽车设计的重要课题之一。行人头部损伤是造成死亡的主要原因，针对行人头部保护进行汽车设计研究的同时，行人胸部损伤数量也在逐年上升。在车辆与行人碰撞事故中，行人胸部的损伤率仅次于头部和下肢，而致死率仅次于头部，对受害者和社会造成了严重的影响。因此针对胸部损伤及防护措施的研究也突显其急迫性。行人下肢的损伤可引发长期的残疾，给社会带来沉重的负担，其损伤及损伤评价方法虽得到广泛的研究并取得了一定进展，但对于不同汽车前部结构碰撞的损伤机理及评价方法仍需改进。因此，探讨行人胸部和下肢损伤机理、损伤防护技术和损伤评价方法对改进汽车结构碰撞安全设计，具有重要的社会现实意义。　　本文简要介绍了行人交通事故现状，行人损伤生物力学研究现状，总结了行人头部，胸部及下肢的主要解剖学结构及主要损伤形式及损伤机理，简单归纳了行人保护的研究方法。　　根据车辆与行人事故碰撞中常致人体损伤的车辆类型，建立了不同前部结构的中型轿车( medium car)、微型车(minicar)、厢式车(one-box type vehicle)及运动型轿车(SUV)的有限元模型。其中，中型轿车和运动型轿车(SUV)是改进来自美国国家碰撞分析实验室的原始模型，使其单元尺寸和质量满足行人碰撞事故分析要求。微型车和厢式车是对实车进行拆解、尺寸测量，由计算机建模得到。材料属性定义由车辆前部结构的标本拉伸试验测得。对实车进行了头部冲击试验和下肢冲击器试验，对比仿真中头部及下肢冲击器测量参数和实车测试结果，车辆模型得到了有效验证。　　行人动力学及头部损伤风险研究。运用已全面验证的THUMS行人模型，建立了车辆一行人碰撞有限元模型，分析了碰撞中行人的动力学响应：讨论了在四种不同车辆前部结构及两种尺寸的行人模型在20-50 km/h不同车速的碰撞条件下的人体各部位的运动特性，头部碰撞动力学及碰撞边界条件，以及车辆前部结构对头部损伤风险的影响。讨论了行人头部防护措施。分析结果表明：车辆前部结构外型影响整个人体动力学响应和各部位的抛射特性曲线。在典型发罩式车辆(bonnet type car)碰撞中，人体上部会沿发动机罩绕转运动显著，在厢式车碰撞中，人体被直抛出而绕转运动不明显。同时车辆前部结构也影响行人各部位的碰撞条件。分析表明车辆碰撞速度对行人头部损伤的风险影响显著，降低碰撞速度至30 km/h及以下可显著减轻行人头部损伤程度，降低死亡风险。　　研究了车辆与行人碰撞中胸部损伤机理。分析了在不同车辆前部结构碰撞中行人胸部的动力学响应，胸部碰撞条件（碰撞速度和碰撞角度）。分析了胸部损伤参数（胸部载荷，胸部压缩变形量，von Mises应力分布）及胸部变形模式。分析了行人胸部在不同车速碰撞下的肋骨损伤风险。研究结果表明：胸部损伤影响因素取决于车辆前部结构外形及与胸部接触的局部车辆结构及其刚度，车辆前部结构形状影响胸部碰撞动力学及其碰撞速度：与胸部接触的局部结构的接触特性和吸能特性影响胸腔的变形量和变形模式；胸部的损伤取决于以上两者对胸腔肋骨的压缩量。在典型发罩式车辆碰撞中，发动机罩刚度的均匀分布，变形模式平缓，因此胸部肋骨的变形量小，损伤风险低。在厢式车碰撞中中，行人胸部与风挡玻璃下高刚度的横梁碰撞，胸部承载在碰撞中产生的剪切载荷，胸腔变形量大，肋骨压缩严重，损伤风险高。　　为了研究行人子系统冲击器试验对胸部损伤评估的有效性，应用JARI和CPMi50多刚体行人模型和THUMS有限元模型分析胸部在不同前部结构碰撞中的有效质量。基于行人胸部碰撞条件，进行了大腿冲击器和头部冲击实验，对行人子系统实验中大腿冲击器和头部冲击器的力学特性及车辆前部结构变形特性与在行人碰撞中的力学特性和结构变形特性进行了对比分析。分析结果表明行人胸部有效碰撞质量受车辆前部结构形状，结构刚度及碰撞速度等的影响，得到的50百分位行人的胸部有效质量为18.8(SD1.8)kg。在中型轿车和厢式车碰撞中，头部冲击器的加速度与胸部肋骨变形量存在显著相关性，表明头部冲击器对一些特定外形的车辆前部结构对胸部损伤评估是有效的，例如厢式车辆前部结构。　　研究了不同车辆前部结构碰撞中的盆骨与下肢损伤机理。应用盆骨应力分布图对盆骨力学加载特性进行分析。采用下肢弯矩图解法对下肢动力学及损伤参数进行分析。并与车辆下肢冲击器试验法进行对比，分析了人体下肢在不同碰撞速度下的损伤风险。研究结果表明：弯矩图解法可用于下肢动力学响应及损伤参数对下肢损伤机理研究。下肢弯矩图受保险杠外形，尺寸参数等因素影响。在中型轿车和SUV碰撞中的骨折风险高。盆骨的损伤风险取决于车辆前部结构和刚度的影响，在厢式车和SUV碰撞中的耻骨及骨盆骨折风险较高。　　综上所述，汽车前部结构形状设计与刚度分布对行人损伤有显著关系。行人头部和胸部的损伤都是可致命的损伤，碰撞速度对头部的损伤风险影响明显，而外形对胸部损伤风险影响显著。仿真分析表明在微型轿车上的外形设计如：较高的发动机罩前沿及平缓的外形过渡，大面积的风挡玻璃设计都有利于减小行人损伤。而减少车辆碰撞速度将是降低行人死亡和损伤最有效的途径。本文研究成果对行人胸部和下肢损伤机理研究有着重要的考参价值，对我国车辆与交通伤防治有着重要的指导意义。
作者：	韩勇
专业：	车辆工程
导师：	杨济匡
授予学位：	博士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2011
正文语种：	中文