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轿车—行人碰撞中头部和下肢损伤分析以及防护措施的研究

黄冬  
【摘要】: 在行人-车辆碰撞事故中,行人因为没有保护空间而成为易受伤害群体,事故发生率极高。统计数据显示,行人事故中头部和下肢是主要的受伤部位。因此,国内外车辆安全专家及研究人员对头部和下肢防护展开了大量的研究。 本文旨在分析人车碰撞事故中,汽车前部结构参数对人体头部与下肢损伤的影响,并讨论人体头部和下肢损伤防护措施。 在MADYMO软件中改进了瑞典查尔摩斯大学开发的50百分位行人多刚体数学模型的肩部结构。通过增加胸锁关节、肩锁关节以及盂肱关节三个解剖学关节及各组成骨骼,和定义关节的机械特性,并通过生物力学实验结果验证了肩部模型的有效性,提高了肩部结构生物逼真度。以此行人模型作为本论文工作中研究汽车与行人碰撞生物力学问题和参数分析的工具。参考世界各国汽车前部几何形状统计数据,设定前部结构尺寸主要设计变量范围,并根据轿车产品前部保险杠、发动机罩、前挡风玻璃结构几何形状尺寸分别建立了如下汽车与行人碰撞分析基本模型:(1)汽车前部结构参数对人体下肢损伤影响分析模型,(2)汽车前部结构参数对头部损伤影响分析模型,(3)行人头部防护气囊参数分析及优化模型,(4)面向行人保护的保险杠设计分析模型。 运用正交试验设计方法,选择试验点,绘制趋势图和方差分析(ANOVA)研究了汽车前部结构对头部和下肢损伤参数的影响规律以及影响程度。讨论了行人头部防护措施。建立了头部防护气囊模型,并且求得气囊参数的最优解,最后探讨了减少膝关节损伤的保险杠设计方法。 研究结果表明:降低保险杠高度,增加保险杠上下之间的宽度及保险杠与发动机罩前端的距离可以减少汽车与行人碰撞时对行人膝关节的损伤;减少挡风玻璃倾角,增加发动机盖倾角,增加发动机盖离地高度,可以减少行人头部损伤;在保险杠横梁上安装缓冲塑料,胫骨加速度减少37.6%,同时膝关节弯曲角度减少51.9%,在胫骨下端增加支撑结构,膝关节弯曲角度减少12%,从而减少膝关节损伤。 本文为研究行人与汽车碰撞生物力学问题和开发行人头部和下肢的防护技术,提供了一套有效的工具和仿真分析方法。模拟计算结果可作为车辆安全设计的参考依据。


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