基于正面碰撞和側(cè)面碰撞中CRS誤用潛在傷害的數(shù)值研究(共14頁(yè))

1、基于正面和側(cè)面碰撞(pn zhun)事故中CRS誤用(w yn)的潛在傷害的數(shù)值(shz)研究Tanya Kapoora， William Altenhofa， Anne Snowdona， Andrew Howardb， Jim Rasicoc，F(xiàn)uchun Zhuc， Daniel Baggioa摘要：這項(xiàng)研究集中研究了正面和側(cè)面碰撞事故中CRS誤用導(dǎo)致幼兒的頭部和頸部的受傷值。開(kāi)發(fā)的Hybrid III模型的正面碰撞實(shí)驗(yàn)結(jié)合完全變形的有限元模型在加拿大機(jī)動(dòng)車(chē)安全標(biāo)準(zhǔn)和聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車(chē)輛安全標(biāo)準(zhǔn)下得到了驗(yàn)證，國(guó)家公路交通安全管理局也驗(yàn)證了此模型側(cè)面碰撞的響應(yīng)。此外，還開(kāi)發(fā)了Q3/Q3s兒童碰撞試

2、驗(yàn)的假人模型。本文的目的是研究安全帶松弛和頂部栓帶缺失的情況下汽車(chē)碰撞時(shí)兒童的受傷程度。按照聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車(chē)安全標(biāo)準(zhǔn)，hybrid III 三歲假人模型和Q3/Q3s假人模型在有安全帶和頂部栓帶以及沒(méi)有安全帶和頂部栓帶的條件下進(jìn)行了完整的正面和側(cè)面碰撞的測(cè)試。此外，也研究了使用十字形剛性ISOFIX系統(tǒng)的影響。由于CRS誤用導(dǎo)致的潛在傷害，分析頭部和胸部的加速度，頸部載荷和力矩。分別觀察CRS誤用情況下Q3兒童假人模型的HIC15值在正面碰撞和側(cè)面碰撞中分別增加了3040%和1020%。據(jù)觀察，在沒(méi)有頂部栓帶的情況下hybrid III 三歲假人模型和Q3/假人模型分別增加了大約70%和40%。在是

3、否存在CRS誤用時(shí)，正面和側(cè)面碰撞下使用十字形的剛性ISOFIX系統(tǒng)減少了頭部和頸部損傷值。CRS的誤用導(dǎo)致的損傷值和接觸相關(guān)的頭部受傷可能性顯著增加。使用一個(gè)剛性ISOFIX系統(tǒng)相比軟性的LATCH能更好的抑制 CRS誤用和減少損傷的可能性。關(guān)鍵詞：兒童安全，頭部和頸部潛在傷害，傷害指標(biāo)，對(duì)策，CRS誤用1 引言交通事故是一個(gè)全球性公共健康的主要挑戰(zhàn)，需要加強(qiáng)努力，有效和可持續(xù)的預(yù)防(WHO，2004)。在世界范圍內(nèi)，每年道路交通事故中有1200000人死亡，50000000受傷。根據(jù)生殖與兒童健康局死亡事故數(shù)據(jù)分析報(bào)告系統(tǒng)得出，車(chē)禍?zhǔn)羌幽么蠛兔绹?guó)孩子死亡的首要原因。在2005年度，由于車(chē)輛

4、事故導(dǎo)致的14歲以下兒童共有103人死亡和13649人受傷。在23.3%的交通事故中四歲以下的孩子受傷率為19.4%。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)和分析中心（NCSA）在2005年度美國(guó)15歲以下的兒童在交通事故中有2348人死亡和271000人受傷。在美國(guó)5歲以下的兒童在交通事故中受傷占25%（590）以及汽車(chē)碰撞事故中受傷的孩子所有兒童占20.6%（56000）。兒童和成人生理的不同增加了兒童在事故中頭部和頸部受傷可能性。tingvall（1987）建立了兒童和成人之間最顯著的生理差異。這種身體不同部分的差異會(huì)使一個(gè)孩子的重心更高，在事故發(fā)生后影響兒童頭部和頸部在高集成環(huán)境下，機(jī)動(dòng)車(chē)發(fā)生碰撞時(shí)更易損傷。此

5、外，孩子上頸椎的生物力學(xué)結(jié)構(gòu)和性能加速誘導(dǎo)損傷風(fēng)險(xiǎn)的增加。兒童的發(fā)育差異也在傷害中發(fā)揮著作用，兒童的頸椎和一個(gè)正常成長(zhǎng)和發(fā)育的臨時(shí)的軟骨關(guān)節(jié)相連接。隨著孩子逐漸長(zhǎng)大，這種軟組織發(fā)生骨化。在嬰幼兒，減少軟骨結(jié)合的骨化，使脖子更容易斷裂。由密歇根大學(xué)交通研究所(UMTRI)韋伯(1995) 發(fā)表的一份研究報(bào)告認(rèn)為，年幼的孩子頭部和頸部受傷是由于頸部生理和脆弱的頸部肌肉組織。這些因素降低了孩子能夠承受高沖擊力的限度。在一項(xiàng)由Gotschall et al 所做的研究中(1999)，表明頭部受傷死亡在美國(guó)出生的五歲的兒童中死亡的主要原因。在11歲以下兒童，頸椎損傷約占機(jī)動(dòng)車(chē)事故占所有的38% (Mou

6、sny et al .，2001)。頭部和頸部受傷在傷害規(guī)模(AIS)2 +傷害中占更大的數(shù)量和嚴(yán)重程度(Arbogast et al .，2002)。根據(jù)舍伍德etal 的研究案例(2003)，超過(guò)80%的幼兒由于頭部外傷發(fā)生的死亡。最常見(jiàn)的頸部損傷機(jī)制包括極端超屈曲導(dǎo)致蓋膜的破裂和椎骨寰枕脫位錯(cuò)位(AOD)。和成年人相比兒童相對(duì)其他身體部位不成比例的頭部大小的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量單位加速度增加了。發(fā)育不完全的肌肉頸椎組合使得孩子在汽車(chē)碰撞中頸部損傷的風(fēng)險(xiǎn)增加了。頭部損傷包括接觸損傷以及慣性損傷，如顱骨骨折，硬膜外血腫，和額葉腦挫裂傷的接觸損傷，顱骨骨折等損傷、硬膜外血腫和額葉挫傷接觸損傷(Genn

7、arelli，1986)，很可能由于頭部的偏移和汽車(chē)內(nèi)飾的影響。Arbogast等人表明(2002)大量材料占用了孩子的可用空間，因此允許接觸。頭部外傷的主要關(guān)注的是由加速度引起的大腦皮層引起挫傷的腦損傷。兒童(r tng)約束的法律在19821987年生效(shng xio)，兒童安全座椅固定在汽車(chē)座椅使用不同的錨定裝置。根據(jù)機(jī)動(dòng)車(chē)安全法，標(biāo)準(zhǔn)210.2（加拿大運(yùn)輸(ynsh)，2002），所有新的加拿大汽車(chē)制造，于2002年9月1日或之后，都要配備低通用錨桿。然而，之前的車(chē)型，將兒童安全座椅固定使用安全腰帶的汽車(chē)座椅。頂部栓帶在兩種情況下是強(qiáng)制性的。在一次嚴(yán)重事故頂部栓帶提供額外的保護(hù)通過(guò)

8、限制孩子的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)(CRS)。韋伯在密歇根大學(xué)交通研究所發(fā)現(xiàn)使用頂部栓帶使孩子的頭在發(fā)生嚴(yán)重的正面碰撞時(shí)起到安全限制（韋伯，2000）。根據(jù)韋伯的研究，CRS為身體結(jié)構(gòu)發(fā)育不成熟和成長(zhǎng)不好的孩子提供了專(zhuān)門(mén)的保護(hù)措施。保護(hù)系統(tǒng)的主要目標(biāo)是保護(hù)中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷，碰撞的損傷程度都與身體的快速減速和車(chē)輛的結(jié)構(gòu)體有關(guān)。所有CRS的工作原則就是創(chuàng)建一個(gè)對(duì)孩子緊密耦合的約束，碰撞的汽車(chē)，盡可能廣泛的分配剩余負(fù)載的堅(jiān)固解剖結(jié)構(gòu)。限制車(chē)輛的設(shè)計(jì)限制和控制在碰撞減速機(jī)體的速率，從而減少力量作用于人體的表面，減少骨骼和內(nèi)臟之間的差速運(yùn)動(dòng)（韋伯，2000）。在乘用車(chē)正確地安裝和使用兒童安全座椅是非常有效， 1 -

9、 4歲的兒童嬰兒死亡的風(fēng)險(xiǎn)降低了71%和54%，4歲及以下的兒童并減少69%的住院需要 (國(guó)家和運(yùn)動(dòng)，2004)。提出了面向CRS的機(jī)動(dòng)車(chē)輛的碰撞與兒童約束只使用安全帶，有效地減少78%嚴(yán)重傷害的風(fēng)險(xiǎn)（Arbogast等人，2004）。據(jù)德和赫爾利（2005），在加拿大，14歲以下的兒童死亡人數(shù)一直在100人/年在1998以來(lái)，自1999年以來(lái)主要損傷以在700人/年。在1998和2002年之間，共有402人死于輕型機(jī)動(dòng)車(chē)事故，對(duì)于兒童來(lái)說(shuō)，什么是致命的傷害，發(fā)現(xiàn)不正規(guī)的約束造成大約66%(1歲以下)，50%的幼兒(1-4歲)，97%的學(xué)齡兒童(4-8歲)31%，大一點(diǎn)的孩子(9-14歲)的受

10、傷(Chouinard和赫爾利，2005)。韋伯認(rèn)為在北美，80%的兒童約束裝置沒(méi)有起作用(韋伯，2000)。不同類(lèi)型的誤用會(huì)對(duì)孩子限制性能有不同的影響。最常見(jiàn)的的誤用形式相對(duì)錯(cuò)誤較少，能夠獲得低水平的保護(hù)。極大程度的誤用會(huì)使身體更容易受傷，即使不應(yīng)該發(fā)生損傷的。如果所有四歲兒童乘客和年輕乘客被很好地保護(hù)，每年可以挽救162人的生命和預(yù)防20000人的傷害都是可以的。大約有29%的四歲兒童和年輕乘客沒(méi)有兒童安全座椅，這使得他們受到致命的和非致命的傷害增加兩倍，此外，約有85%的安全座椅約束不規(guī)范。對(duì)CRS的誤用(w yn)最常見(jiàn)的形式是松弛(sn ch)的安全帶和松弛(sn ch)的汽車(chē)安全帶

11、(Eby and Kostyniuk， 1999; Decina and Lococo，2005;Decina and Knoebel，1997).在約束系統(tǒng)中存在松弛，結(jié)合給兒童使用成人安全座椅和兒童安全座椅，通常導(dǎo)致更大程度的頭部偏移（頭部相對(duì)于軀干的位移），頭部和脊椎都面臨更大的受傷風(fēng)險(xiǎn)。加拿大運(yùn)輸局在1998年完成的一項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)至少32%的CRS設(shè)施不規(guī)范。這些規(guī)范的安裝是頂部栓帶26%的沒(méi)有安裝或連接在錯(cuò)誤的位置的上。其他重要因素與濫用的范圍包括大量的松弛和扭曲的頂部栓帶(Rubin-Brown et al .，2007)。美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理局(NHTSA)在2002年完成了

12、6個(gè)州的統(tǒng)計(jì)研究發(fā)現(xiàn)，所有安裝的關(guān)鍵CRS誤用占72.6%。特別是敞蓬貨車(chē)的CRS的誤用大約占82%。松弛的汽車(chē)安全帶(固定車(chē)輛的CRS)和CRS頂部栓帶用于限制孩子CRS指出，最重要的濫用原理(Decina Lococo，2003)。Brown等人（2005）從兩個(gè)專(zhuān)門(mén)的兒童醫(yī)院的醫(yī)療記錄數(shù)據(jù)并結(jié)合與澳大利亞汽車(chē)司機(jī)的和車(chē)間訪談分析了損傷數(shù)據(jù)。這項(xiàng)研究集中在3-8歲的兒童，損傷機(jī)制的分析表明，造成頭部受傷通常是由于頭部接觸的汽車(chē)內(nèi)飾。這些頭部接觸通常發(fā)生在有過(guò)多的頭部偏移，因?yàn)槿鄙偕习肷硐拗?，由于誤用限制，或者被占用。更為嚴(yán)重的脊髓損傷也發(fā)生在過(guò)度的頭部運(yùn)動(dòng)相結(jié)合，并與約束濫用相關(guān)的。脊髓損

13、傷多發(fā)生在頸椎和胸椎與安全帶配合不好，在發(fā)生碰撞前沒(méi)有安全帶或者安全帶不合理（Brown等人。，2005）。然而，最嚴(yán)重的脊髓損傷發(fā)生在兒童座椅的誤用，結(jié)果導(dǎo)致過(guò)度頭偏移。在另一項(xiàng)由Arbogast等人進(jìn)行的研究（2002）觀察頭部受傷的發(fā)生由于汽車(chē)安全帶安裝兒童約束松弛的兒童安全帶。隨著汽車(chē)安全帶附件的松弛，乘坐空間和時(shí)間相對(duì)減少，缺少CRS安全帶，使得胸椎在孩子軀干和后座的相對(duì)運(yùn)動(dòng)中更靈活。這項(xiàng)集中研究調(diào)查由于CRS誤用而使幼兒在正面和側(cè)面碰撞事故的頭部和頸部受傷情況。開(kāi)發(fā)的Hybrid III模型的正面碰撞實(shí)驗(yàn)結(jié)合完全變形的有限元模型在加拿大機(jī)動(dòng)車(chē)安全標(biāo)準(zhǔn)和聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車(chē)輛安全標(biāo)準(zhǔn)下得到了驗(yàn)

14、證。此外這個(gè)模型也由國(guó)家公路交通安全管理局在近側(cè)碰撞下得以驗(yàn)證，還開(kāi)發(fā)了Q3/Q3s兒童碰撞試驗(yàn)的假人模型(Q Advanced，2005;Carlson et al.，2007;LS-DYNA，2006;LS-DYNA，2007)。本研究的目的是探討安全帶松弛效應(yīng)和頂部栓帶的缺失在車(chē)輛碰撞時(shí)幼兒頭部和頸部的受傷。這兩種模型是觀察兒童安全座椅誤用的最常用的模型。然而CRS誤用的模型損傷結(jié)果并未系統(tǒng)的調(diào)查。數(shù)值模擬是在聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車(chē)輛安全標(biāo)準(zhǔn)下發(fā)生正面和側(cè)面碰撞測(cè)試條件，利用Hybrid III假人和Q3s假人模型在安全帶存在和缺失的條件下進(jìn)行的，并在頂部有頂部栓帶。此外，也對(duì)采用十字型剛性ISOF

15、IX系統(tǒng)影響進(jìn)行了研究。包括頭部和胸部的加速度分析，頸部載荷和力矩完成調(diào)查由于CRS誤用的潛在傷害。2 數(shù)值方法使用有限元分析的CRS，以及所有其他組件的數(shù)學(xué)模型包括座椅、安全帶和墊子。CRS的數(shù)值模型包含的完整可變形性包括材料非線性和CRS不同組件的接觸定義。不同組件的數(shù)值模型細(xì)節(jié)在本研究提出的附錄A中。完成了沒(méi)有變化的人體測(cè)量測(cè)試設(shè)備的數(shù)值模型的調(diào)查。通過(guò)CRS制造商和安全機(jī)構(gòu)的Hybrid III 3歲大的假人的廣泛使用，在正面和側(cè)面碰撞的條件，這是人體試驗(yàn)裝置在調(diào)查中使用的主要原因。此外，本研究也納入了在碰撞條件下的Q3和Q3s模型，相對(duì)于Hybrid III模擬。動(dòng)態(tài)松弛的收斂性和收

16、斂公差(gngch)之間的迭代次數(shù)分別指定為1000和0.0001。Hybrid III和CRS之間的接觸(jich)，包括安全帶，帶扣。CRS的泡沫(pom)填充曲面是通過(guò)基于點(diǎn)球接觸算法實(shí)現(xiàn)。按照所有接觸定義靜態(tài)和動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)的值被分別指定為0.25和0.2。類(lèi)似的接觸定義也包括Q3/Q3s模型和CRS模型。臺(tái)車(chē)試驗(yàn)按照FMVSS213標(biāo)準(zhǔn)在Graco公司的臺(tái)車(chē)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上完成，圖一a說(shuō)明了實(shí)驗(yàn)測(cè)試中觀察到的FMVSS213的加速度脈沖。數(shù)值模型結(jié)合了先前已經(jīng)利用FMVSS213標(biāo)準(zhǔn)和CMVSS 208標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試驗(yàn)證的加速度脈沖。此外，NTHSA測(cè)試研究中心在2002年也進(jìn)行了臺(tái)車(chē)測(cè)試。這個(gè)測(cè)

17、試是在沒(méi)有車(chē)體但有剛性側(cè)架的臺(tái)車(chē)測(cè)試。變形的CRS模型結(jié)合Hybrid III三歲假人模型驗(yàn)證了近側(cè)碰撞。圖1（b）說(shuō)明了ANPRM FMVSS 213（試驗(yàn)號(hào)4585）從這些臺(tái)車(chē)測(cè)試中觀察到的加速度脈沖。圖1 （a）FMVSS213標(biāo)準(zhǔn)下最高最低加速度限值以及臺(tái)車(chē)實(shí)驗(yàn)值（b）4584加速度脈沖值本研究的目的是調(diào)查兩個(gè)主要類(lèi)型的誤用的數(shù)值影響，即缺乏頂部栓帶和安全帶在正面和側(cè)面碰撞事故中的潛在傷害。頂部栓帶被刪除模擬“無(wú)頂繩”條件的影響，第二種類(lèi)型的濫用(安全帶松弛)，前調(diào)整安全帶沒(méi)有完成。觀察模擬胸部和安全帶之間的松弛程度大約2.5厘米。數(shù)值仿真分析了在有沒(méi)有CRS誤用的情況下軟性的LATC

18、H系統(tǒng)和十字剛性的ISOFIX系統(tǒng)在正面和側(cè)面碰撞的情況。圖1中規(guī)定臺(tái)車(chē)實(shí)驗(yàn)中在正面碰撞中X的正方向?yàn)閯傂宰危铀俣让}沖圖1(b)是利用純模擬的條件，圖1 b規(guī)定在側(cè)面碰撞中加速度脈沖為Y軸負(fù)方向。近側(cè)碰撞試驗(yàn)是在一個(gè)剛性壁的存在下完成的，對(duì)剛性壁進(jìn)行網(wǎng)格劃分，一個(gè)網(wǎng)格代表一個(gè)汽車(chē)側(cè)面結(jié)構(gòu)位置的座位壓降，相鄰的CRS從Z1定位508毫米。坐墊到剛性壁的高度約762毫米。剛性壁向前延伸的距離大約690毫米，以確保與頭部在同一平面上。剛性壁是LS-DYNA定義的剛性材料，圖2說(shuō)明在有剛性壁的情況下Q3s兒童模型的近側(cè)碰撞。所有的數(shù)值模擬是利用個(gè)人電腦配備的2.6GHz AMD 速龍?zhí)幚砥麟p4GB

19、 RAM的LS-DYNA版本的970修訂版5434a進(jìn)行分析的。圖2 側(cè)面(cmin)碰撞中Q3s配置(pizh)的剛性壁3 數(shù)據(jù)分析從虛擬(xn)模型儀器中提取兒童乘員損傷數(shù)據(jù)，包括加速度和負(fù)載。Hybrid III 3歲兒童假人和Q3 / Q3s模型的三軸加速度計(jì)安裝在頭部、胸部和骨盆，分別表現(xiàn)在X、Y、Z軸。假人頸部提供的六個(gè)輸出包括脖子上部和下部的三個(gè)力和三個(gè)力矩在坐標(biāo)軸上。頭部和胸部的加速度利用公式一計(jì)算，XYZ坐標(biāo)分別位于頭部和脊柱。力和力矩用公式二和公式三計(jì)算，分別在x，y，和z軸當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系統(tǒng)位于脖子的位置。所有的數(shù)據(jù)測(cè)量按照SAE J211中規(guī)定的虛擬局部坐標(biāo)和10kHz的采樣

20、率，并過(guò)濾數(shù)值結(jié)果。參照Butterworth4相位所描述的進(jìn)行數(shù)據(jù)過(guò)濾，在數(shù)據(jù)分析前完成過(guò)濾。3.1 頭部傷害指標(biāo)公式一中計(jì)算的合成加速度用來(lái)計(jì)算HIC在公式四中。這里的合成加速度是表示假人頭部重心的重力加速度，時(shí)間為秒。在15和36毫秒的間隔內(nèi)分析HIC，NHTSA建議HIC15 和HIC36的限制值分別為570和1000.4 結(jié)果與討論對(duì)Hybrid III 3歲兒童(r tng)假人和Q3 / Q3s模型(mxng)在是否(sh fu)有CRS誤用的情況下完成了FMVSS213測(cè)試條件正面和側(cè)面碰撞的數(shù)值模擬。此外也研究了十字形剛性的ISOFIX系統(tǒng)的影響。仿真結(jié)果比較了頭部和胸部的加

21、速度、負(fù)載和力矩。表1-4匯總了所有Hybrid III 3歲兒童假人和Q3 / Q3s模型的損傷參數(shù)的高峰值。表1 Hybrid III模型在正面碰撞中分別接入柔性LATCH和剛性ISOFIX接口CRS各種損傷值柔性LATCH剛性ISOFIX沒(méi)有誤用安全帶松弛無(wú)頂部栓帶沒(méi)有誤用安全帶松弛無(wú)頂部栓帶頭部加速度59.563.260.547.95448.5胸部合成加速度59.255.54441.954.532.7頭部傷害指標(biāo)（HIC15）304.7335.56332.5173.4217.84179.5頭部傷害指標(biāo)（HIC36）325.2339415.8174.2280283.8上頸部合力22602

22、26723801937.719551780下頸部合力1473.915301589.3776899754上頸部合力矩33.23025.126.833.920.5下頸部合力矩143.9143174.2143.4158137正向位移235283397209247250表3 Q3模型在正面碰撞中分別接入柔性LATCH和剛性ISOFIX接口CRS各種損傷值柔性LATCH剛性ISOFIX沒(méi)有誤用安全帶松弛無(wú)頂部栓帶沒(méi)有誤用安全帶松弛無(wú)頂部栓帶頭部加速度57.568.264.5605756.5胸部合成加速度55.4504145.552.237.2頭部傷害指標(biāo)（HIC15）310430382256247242

23、頭部傷害指標(biāo)（HIC36）345530578256411303上頸部合力236623242924243124012398下頸部合力89115372055824931.8764上頸部合力矩16.719.713.51826.514.914.9下頸部合力矩123133.3134120122.25110正向位移331346457282305326表3 Hybrid III模型在側(cè)面碰撞中分別接入柔性LATCH和剛性ISOFIX接口CRS各種損傷值柔性LATCH剛性ISOFIX沒(méi)有誤用安全帶松弛無(wú)頂部栓帶沒(méi)有誤用安全帶松弛無(wú)頂部栓帶頭部加速度60.655.664.248.452.250.6胸部合成加速度

24、80.585.269424142頭部傷害指標(biāo)（HIC15）239203.8288172.4180.2172頭部傷害指標(biāo)（HIC36）147.4133182.5174.6175.3167.2上頸部合力1449.615471561111710051041下頸部合力177019871919.598610251047.2上頸部合力矩102.697115.656.555.655.614.9下頸部合力矩193.9179.6196.5134.3138141.6橫向位移213220217169189169表4 Q3模型(mxng)在側(cè)面碰撞(pn zhun)中分別接入柔性LATCH和剛性(n xn)ISOFI

25、X接口CRS各種損傷值柔性LATCH剛性ISOFIX沒(méi)有誤用安全帶松弛無(wú)頂部栓帶沒(méi)有誤用安全帶松弛無(wú)頂部栓帶頭部加速度156.5178.4156.658.553.356胸部合成加速度99.49786.554.35150.5頭部傷害指標(biāo)（HIC15）735750919237228237頭部傷害指標(biāo)（HIC36）400376437.7231175172.8上頸部合力2159.817832472.4112511971140下頸部合力213418252465714963733上頸部合力矩37.839.437.117.919.21614.9下頸部合力矩44.652.3643.637.634.735.5橫

26、向位移2262372271962091964.1 定性分析圖3說(shuō)明配備Q3假人時(shí)，CRS存在誤用或者沒(méi)有誤用時(shí)假人頭部最大正向偏移的結(jié)構(gòu)觀察。觀察到由于安全帶松弛假人模型頭部輕微向前位移。對(duì)于沒(méi)有配置軟性的LATCH頂部栓帶，觀察到伴隨巨大的碰撞CRS向前有更大的位移。觀察比較軟性的LATCH和剛性的ISOFIX在沒(méi)有頂部栓帶的情況下頭部和頸部 有更大的位移。所有的CRS配置觀察時(shí)最大的頭側(cè)向位移的Q3s假人的配置在圖4中展出。在安全帶松弛時(shí)，注意到假人頭部有稍大的側(cè)向位移。觀察在CRS是否誤用配置軟性LATCH條件下CRS和頭部模型之間的聯(lián)系。十字形剛性ISOFIX的聯(lián)系沒(méi)有觀察，觀察了在軟

27、性LATCH和剛性ISOFIX條件下腳和剛性壁的聯(lián)系。圖3 正面碰撞中Q3人體模型使用LATCH和ISOFIX接口在CRS是否存在誤用時(shí)的頭部和CRS的最大正向位移量圖4 側(cè)面(cmin)碰撞中Q3人體模型使用(shyng)LATCH和ISOFIX接口(ji ku)在CRS是否存在誤用時(shí)的頭部和CRS的最大橫向位移量4.2 頭部和胸部的響應(yīng)圖5和6分別展示了Hybrid III和Q3 / Q3s兒童假人模型在有無(wú)CRS誤用的情況下由此產(chǎn)生的頭部和胸部加速度曲線的時(shí)間函數(shù)。4.2.1 正面碰撞在正面碰撞中，觀察配置有軟性的LATCH，由于安全帶的松弛而導(dǎo)致的頭部合加速度。觀察到由于安全帶松弛的存

28、在使得Hybrid III 3歲兒童假人假人和Q3頭加速度峰值分別增加了大約8%和20%。由于安全帶的松弛，孩子頭部向前的位移增加，如圖3所示，增加Y軸坐標(biāo)的頭部加速度。表1和表2分別列出了Hybrid III和Q3兒童假人的最大頭部偏移。Hybrid III模型由于安全帶的松弛，使得頭部向前偏移大約增加了20%。在沒(méi)有頂部栓帶情況下進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)Hybrid III 3歲大的假人頭部加速度峰值均相似。對(duì)于Q3假人模型，由于沒(méi)有頂部栓帶，使得頭部合成加速速度增加了10%。在頂部栓帶由于大位移的CRS缺失的模擬發(fā)生在峰值延遲。此外，觀察到這些峰值持續(xù)時(shí)間比非誤用情況時(shí)間較長(zhǎng)。觀察這兩個(gè)模型的更

29、大的頭部偏移。Hybrid III三歲模型和Q3模型的頭部向前傾斜量分別增加了大約70%和40%。這增強(qiáng)了孩子頭部損傷相關(guān)的可能性，同時(shí)在是否有CRS誤用的情況下觀察胸部合成加速度的峰值。表1和2也匯總了HIC15和HIC36頭部損傷的值，Hybrid III三歲和Q3兩種模型在CRS誤用時(shí)在HIC15標(biāo)準(zhǔn)下分別增加了10%和30-40%的值，增加了孩子頭部慣性傷害的概率。觀察CRS誤用或者沒(méi)有誤用，使用剛性ISOFIX系統(tǒng)比軟性LATCH系統(tǒng)合成加速度大約減少了20%。特別是在使用剛性ISOFIX系統(tǒng)替代軟性LATCH系統(tǒng)時(shí)，在沒(méi)有頂部栓帶的條件下Hybrid III三歲模型和Q3模型的頭部

30、向前偏移的模擬數(shù)值分別減少了60%和40%。與十字型剛性ISOFIX系統(tǒng)的結(jié)合表現(xiàn)出胸部加速度減小。在沒(méi)有頂部栓帶的條件下，觀察剛性ISOFIX系統(tǒng)中Hybrid III三歲模型和Q3模型的胸部合成加速度分別減少了25%和10%。此外，結(jié)合使用剛性ISOFIX系統(tǒng)在有安全帶和沒(méi)有頂部栓帶的條件下觀察到兩種模型在HIC15標(biāo)準(zhǔn)值大約減少30-50%。因此剛性的ISOFIX有效的減少了孩子兩種加速度和接觸引起的頭部損傷的概率。與軟性LATCH系統(tǒng)相比，剛性ISOFIX減少了CRS誤用導(dǎo)致的傷害值。4.2.2側(cè)面(cmin)碰撞在側(cè)面(cmin)碰撞中Hybrid III三歲模型，觀察頭部合成加速(

31、ji s)速度的峰值，對(duì)于Q3模型，由于缺少安全帶使得頭部加速度的峰值大約增加了15%。由于模型頭部和剛性壁的相關(guān)性使得Q3模型有較高的相對(duì)值（表4）。此外，在安全帶松弛的系統(tǒng)中這兩種模型頭部橫向位移大約增加了5%。在沒(méi)有頂部栓帶的條件下兩種模型的頭部橫向位移影響并不大。Hybrid III三歲模型的頭部加速度大約增加7%。表3和4 匯總了CRS誤用和沒(méi)有誤用條件下的頭部損傷標(biāo)準(zhǔn)的峰值。沒(méi)有頂部栓帶使得Hybrid III三歲模型和Q3模型得HIC15標(biāo)準(zhǔn)值增加了10-20%。因此，安全帶松弛和沒(méi)有頂部栓帶增加了孩子頭部受傷接觸和慣性的概率。與軟性LATCH系統(tǒng)相比較，該十字形剛性ISOFIX

32、系統(tǒng)使得模型頭部的橫向位移明顯減少。觀察在沒(méi)有頂部栓帶的條件下剛性ISOFIX系統(tǒng)使得Hybrid III三歲模型和Q3模型的頭部合成加速速度分別減少了大約25%和65%。使用此系統(tǒng)表現(xiàn)出在側(cè)面碰撞下胸部合成加速度減小了。剛性ISOFIX系統(tǒng)和軟性LATCH系統(tǒng)相比，在CRS存在與否的條件下，兩個(gè)模型的胸部合成加速度大約減少50%。此外，相比軟性LATCH系統(tǒng)，剛性ISOFIX系統(tǒng)在CRS存在與否的條件下HIC15的值減少了約65-75%，也減少了橫向位移20%。因此基于兩個(gè)模型的頭部響應(yīng)，可以說(shuō)剛性的ISOFIX系統(tǒng)減少了孩子在側(cè)面碰撞中接觸和加速度的值。它相比軟性的LATCH系統(tǒng)限制了CR

33、S誤用的影響。4.3 頸部(jn b)響應(yīng)圖7和8分別(fnbi)說(shuō)明了在在不同的碰撞(pn zhun)條件下，Hybrid III三歲模型和Q3模型CRS是否存在誤用頸部合成力和力矩的時(shí)間函數(shù)。4.3.1 正面碰撞在正面碰撞下，由于沒(méi)有頂部栓帶使得Hybrid III三歲模型和Q3模型得頸部合成力大于增加了5%和25%，但缺少安全帶的條件下影響并不大。表1和2也匯總了兩種模型的頸部合成力的峰值。對(duì)于Q3模型，在存在CRS誤用時(shí)，合成頸部力增加了約75-85%。同時(shí)觀察兩個(gè)模型的合力的峰值，在CRS誤用和沒(méi)有誤用的情況下。沒(méi)有頂部栓帶會(huì)使頸部合成力矩增加了10-15%。Q3模型在沒(méi)有頂部栓帶是

34、頸部旋轉(zhuǎn)量會(huì)更大。極端超屈曲導(dǎo)致蓋膜的破裂和椎骨導(dǎo)致大氣氣溶膠的分離。因此，由于缺少頂部栓帶會(huì)使得孩子由于慣性而受到損傷的可能性更大。研究CRS誤用和正常使用，使用剛性ISOFIX系統(tǒng)可以減少兩種模型20-25%的頸部合力和20%的合成力矩。因此剛性ISOFIX系統(tǒng)有效的減少了傷害。4.3.2 側(cè)面(cmin)碰撞在側(cè)面(cmin)碰撞條件下，沒(méi)有(mi yu)頂部栓帶會(huì)分別增加Hybrid III三歲模型和Q3模型頸部合力8%和15%。由于安全帶的松弛，Hybrid III三歲模型的頸部合力增加了15%，觀察CRS誤用和正常使用時(shí)同時(shí)兩種模型的合成力矩。比較兩種模型的合成力矩，得到Hybri

35、d III三歲模型的合成力矩值比Q3模型相對(duì)較高。這歸因于兩種模型的幾何形狀和剛度的不同。Q3/Q3s模型比Hybrid III三歲模型長(zhǎng)14毫米，此外，Hybrid III三歲模型的硬度約是Q3/Q3s模型的十倍。結(jié)合剛性ISOFIX系統(tǒng)可以使兩種模型的頸部合力減小35%和55%。此外還可以減小兩種模型的合成力矩的50%。因此，剛性的ISOFIX系統(tǒng)可以減小側(cè)面碰撞中孩子頸部的受傷概率。5 結(jié)論 在正面和側(cè)面碰撞的實(shí)驗(yàn)中，Hybrid III三歲模型和Q3模型結(jié)合CRS誤用或者正常使用進(jìn)行了數(shù)值研究。研究了安全帶松弛和沒(méi)有頂部栓帶這兩種類(lèi)型的誤用。此外還研究了使用剛性ISOFIX系統(tǒng)的影響，

36、通過(guò)定量和定性的分析，可以得出以下結(jié)論：1 在CRS配置軟性的LATCH系統(tǒng)時(shí)，如果安全帶松弛，頭部合成加速速度在正面和側(cè)面碰撞中分別增加了12%和15%（僅僅考慮Q3模型）。在這個(gè)研究中，認(rèn)為當(dāng)平均這兩種模型的響應(yīng)時(shí)使用剛性ISOFIX系統(tǒng)輕微的減小頭部合成加速度的峰值。2 對(duì)于Q3模型，在使用軟性LATCH系統(tǒng)缺乏頂部栓帶條件下頭部合成加速度增加了12%，而當(dāng)使用剛性ISOFIX系統(tǒng)時(shí)，頭部合成加速度的峰值在較小程度上有所減小。3 Hybrid III三歲模型安全帶松弛會(huì)使得頭部向前偏移值增加了20%，在沒(méi)有頂部栓帶的情況下，Hybrid III三歲模型和Q3模型頭部前部偏移值分別增加了7

37、0%和40%。4 兩種CRS誤用的形式使得Q3模型HIC15的值在正面和側(cè)面碰撞時(shí)分別增加了30-40%和10-20%。此外，安全帶松弛和沒(méi)有頂部栓帶會(huì)增加孩子由于獲得加速度導(dǎo)致的頭部受傷的可能性增加。5 在正面和側(cè)面碰撞(pn zhun)時(shí)，沒(méi)有頂部(dn b)栓帶會(huì)使得(sh de)Hybrid III三歲模型和Q3模型的頸部合力分別增加了5-10%和15-25%。此外在安全帶松弛時(shí)發(fā)生側(cè)面碰撞會(huì)使頸部合力值增加約15%。沒(méi)有頂部栓帶會(huì)使得兩種模型頸部旋轉(zhuǎn)量增大。6 使用十字形剛性ISOFIX系統(tǒng)，在正面和側(cè)面碰撞中頭部合成加速度分別減小了20%和25-65%。同時(shí)頭部的前部位移和橫向位移

38、分別減小了40-60%和20%。因此，剛性ISOFIX系統(tǒng)有效的減小了頭部接觸傷害和慣性傷害的可能性。7 正面碰撞下，CRS誤用和正常使用，使用剛性ISOFIX系統(tǒng)，使得兩種模型的頸部合力和合成力矩分別減小了20-25%和20%。在側(cè)面碰撞中，頸部合成力矩減小了50%。因此剛性ISOFIX系統(tǒng)有效的減小了孩子頸部受傷的概率。8 在同樣的測(cè)試條件下，發(fā)現(xiàn)Q3模型的頸部彎曲量大于Hybrid III三歲模型的。這導(dǎo)致頭部位移增大和頭部接觸傷害以及頸部慣性傷害的可能性，這兩種傷害都是孩子在汽車(chē)碰撞時(shí)發(fā)生傷害的主要原因。致謝對(duì)卓越Auto21網(wǎng)絡(luò)中心提供的財(cái)政支持表示感謝。感謝Graco公司的實(shí)物的貢

39、獻(xiàn)。此處表示和分析結(jié)論，意見(jiàn)不一定狀態(tài)或反映固瑞克公司。結(jié)論、觀點(diǎn)和分析表達(dá)并沒(méi)有標(biāo)明和反映Graco公司。附錄A的數(shù)值模型開(kāi)發(fā)A.1 CRS模型兒童座椅使用Graco公司提供的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)界面建模的。按照ASTM D638M(ASTM，2004)完成拉伸試驗(yàn)，為了確定聚丙烯材料在大變形下各部分CRS標(biāo)本的機(jī)械特性。用游標(biāo)卡尺測(cè)量到不同面板部分CRS的厚度為3.5和4.5毫米。CRS生成兩個(gè)不同的截面屬性，既將Belytschko-Tsay殼元素分配給厚度分別為3.5和4.5毫米CRS區(qū)域。各向同性軟性的塑料材料模型，利用Von米塞斯屈服準(zhǔn)則選擇模型CRS的聚丙烯材料特性。密度值、

40、楊氏模量、泊松比分別為800kg/m3，0.842Gpa和0.3。兒童座椅的網(wǎng)格是由12728個(gè)節(jié)點(diǎn)和12728年殼牌元素組成。A.2 安全帶的約束和錨固技術(shù)安全帶的建模是通過(guò)一系列的CRS開(kāi)口和渠道以及符合FMVSS 213標(biāo)準(zhǔn)假人模型。為了減少計(jì)算時(shí)間，部分通常接觸CRS后面的安全帶使用一維建模。連接到安全帶的一維元素和二維元素用于建模，安全帶和模型之間通過(guò)節(jié)點(diǎn)剛性體接觸。安全帶較低的三個(gè)部分經(jīng)過(guò)孩子模型腹股溝并直接連接CRS。為了評(píng)估安全帶的力學(xué)特性，在CRS標(biāo)本提取裝載/負(fù)載條件下獲得安全帶特性的信息完成拉伸試驗(yàn)。這些測(cè)試是在室溫下速度為25mm/min液壓Tinius-Olsen試驗(yàn)機(jī)下完成。從拉伸樣本提取的安全帶的裝卸特性包含CRS的從材料模型。圖一說(shuō)明了從樣本中提取的安全帶特性。LS-DYNA里的織物材料模型選擇(xunz)模型化的二維安全帶有限元模型，密度值、楊氏模量、