轎車碰撞事故中兒童乘員的損傷防護(hù)技術(shù)研究.pdf

1、近幾年來,道路交通事故每年導(dǎo)致約26萬名兒童喪生,1,000萬名兒童受傷。其中,車內(nèi)兒童占有相當(dāng)比重,汽車兒童乘員安全性問題受到世界各國的高度重視。由于汽車裝備的常規(guī)座椅、安全帶約束系統(tǒng)和安全氣囊主要針對成人設(shè)計,在汽車碰撞事故中兒童乘員面臨的傷亡風(fēng)險遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于成人。國外早在20世紀(jì)60年代就已經(jīng)開展了兒童乘員安全方面的研究,歐、美、日等許多發(fā)達(dá)國家對兒童乘員約束系統(tǒng)已有專門的法規(guī)要求并已實施。我國有關(guān)兒童乘員安全方面的研究已經(jīng)起步,首個

2、《機動車兒童乘員用約束系統(tǒng)》(征詢意見稿)已經(jīng)通過網(wǎng)上公示階段,有望近期出臺。汽車兒童約束系統(tǒng)專為兒童乘車安全設(shè)計,但它在我國的實際使用情況存在兩個問題:第一,使用率低；第二,誤用率高。因此,開展兒童乘員損傷防護(hù)技術(shù)研究對于當(dāng)前的中國具有重要的經(jīng)濟價值和社會意義。
　　 本文旨在研究兒童乘員交通傷流行病學(xué)特征；分析典型事故中兒童乘員的動力學(xué)響應(yīng)；確定兒童乘員的損傷因為和損傷機理；評價不同碰撞條件下兒童約束系統(tǒng)的防護(hù)效率；改進(jìn)兒童

3、乘員的損傷防護(hù)技術(shù)；為提高兒童乘員安全性設(shè)計提供可靠的理論依據(jù)和有效的研究方法。為此目的,對美國CIREN數(shù)據(jù)庫(1996—2005年)、FARS數(shù)據(jù)庫(2000—2007年)及中國長沙市交警事故數(shù)據(jù)庫(2001-2007年)中的兒童乘員事故數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計分析；采用多體動力學(xué)和有限元模型進(jìn)行了事故重建分析,提出了一種基于多種軟件(PC—Crash,LS-Dyna和MADYMO)相結(jié)合的兒童乘員兩車碰撞事故重建方法,并將該重建方法應(yīng)用到從

4、德國GIDAS數(shù)據(jù)庫中挑選的一起典型前碰撞和一起典型側(cè)碰撞事故案例；進(jìn)而采用多體動力學(xué)方法深入細(xì)致地研究了前碰撞條件下約束系統(tǒng)誤用對防護(hù)效率的影響,構(gòu)建了多項式回歸(PRG)、Kriging及RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代理模型,對兒童約束系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,并利用能量效率理論對兒童乘員碰撞過程中動能的耗散進(jìn)行了深入分析；在側(cè)面碰撞條件下,采用MADYMO軟件中的PSM方法建立仿真模型,深入研究了不同碰撞角度下兒童增高座椅的防護(hù)效率和約束系統(tǒng)不

5、同使用情況下側(cè)面安全氣囊的防護(hù)效率,并利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建代理模型,對影響兒童乘員和成人乘員損傷防護(hù)的側(cè)面安全氣囊的主要設(shè)計參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究。
　　 對國內(nèi)外的兒童乘員事故數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn),小型客車(轎車占較高比例)是主要事故車型；兩車事故是主要事故類型；前碰撞和側(cè)碰撞是主要事故形態(tài)；傷亡兒童乘員中,4-8歲兒童占有較高比例。與兒童乘員損傷風(fēng)險密切相關(guān)的因素有碰撞類型、座椅位置、碰撞嚴(yán)重度、約束類型、兒童的年齡(體重)以

6、及約束系統(tǒng)的使用情況等。使用的約束系統(tǒng)類型不同,兒童乘員的損傷部位也不盡相同。
　　 對典型兒童乘員事故進(jìn)行重建的結(jié)果表明,使用提出的重建方法得到的事故車輛最終停止位置、運動軌跡、變形及兒童乘員損傷情況等都與事故案例記錄基本吻合,這在一定程度上證明了該重建方法和模型的有效性。此外,從前碰撞事故重建結(jié)果可知,后傾的前排座椅靠背是導(dǎo)致兒童頭部損傷的主要因為,頭胸部運動的不同步導(dǎo)致了兒童頸部的損傷。從側(cè)碰撞事故重建結(jié)果可知,侵入的車門

7、是導(dǎo)致兒童乘員嚴(yán)重?fù)p傷甚至死亡的主要因為。前、側(cè)碰撞事故重建結(jié)果都表明,安全帶織帶是導(dǎo)致兒童乘員胸、腹部軟組織擦傷的主要因為。
　　 對前碰撞事故形態(tài)中兒童乘員的損傷防護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究的結(jié)果表明,與正確使用兒童約束系統(tǒng)情況相比,誤用降低了兒童約束系統(tǒng)的防護(hù)效果,使得兒童乘員損傷風(fēng)險增加；除Kriging模型外,PRG和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型最優(yōu)設(shè)計點對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)的仿真值都小于實驗設(shè)計樣本點中的最小值,PRG模型優(yōu)化設(shè)計點處的目標(biāo)函數(shù)

8、的仿真值最小,比實驗設(shè)計樣本中的最小值降低了約14.7％,三個代理模型中,RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的優(yōu)化結(jié)果與仿真驗證結(jié)果之間的誤差最小,僅為2.6％,基于多個代理模型的優(yōu)化方法有助于設(shè)計者鑒定設(shè)計空間不同區(qū)域內(nèi)的其他優(yōu)化結(jié)果；兒童乘員胸部加速度與緩沖能量效率并不直接相關(guān),而是由安全帶吸收的能量效率決定,安全帶吸收能量效率越低,胸部加速度值也越低,安全帶松弛會增加安全帶吸收能量效率,與帶定位式增高座椅相比,使用嵌入式增高座椅,安全帶吸收能量效

9、率也會增加。
　　 對側(cè)碰撞事故形態(tài)中兒童乘員的損傷防護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究的結(jié)果表明,對于在車輛軸向方向上有運動分量的側(cè)面碰撞,兒童增高座椅具有一定的保護(hù)效果,對于在車輛軸向方向上沒有或有很小運動分量的側(cè)面碰撞,兒童增高座椅的保護(hù)效果并不理想；對于誤用增高座椅的兒童乘員,展開的側(cè)面安全氣囊不會明顯增加其頭、胸部損傷風(fēng)險,對于正確使用增高座椅的兒童乘員,展開的側(cè)面安全氣囊能夠降低其頭、胸部損傷風(fēng)險,無論誤用或正確使用,頸部損傷風(fēng)險都需視

10、實際碰撞情況而定；優(yōu)化后的側(cè)面胸部氣囊使得兒童乘員的頭部合成加速度值和成人乘員的胸部VC值比初始模型中的相應(yīng)值分別降低了約17.9％和49.7％,優(yōu)化后的側(cè)面胸部氣囊既能有效保護(hù)兒童乘員又能有效保護(hù)成人乘員。
　　 隨著轎車進(jìn)入中國家庭步伐的加快,兒童乘員碰撞安全性問題越來越突出。本文從宏觀角度對兒童乘員交通傷流行病學(xué)特征進(jìn)行研究；從微觀角度對典型兒童乘員事故進(jìn)行重建研究；具體對發(fā)生頻率較高的前、側(cè)碰撞事故形態(tài)中兒童乘員的損傷防