汽车低速后碰撞中安全座椅的设计参数对颈部损伤的影响

论文摘要

在后碰撞导致的各种损伤类型中,颈部损伤占到全部损伤的90%以上。而后碰撞交通事故大部分都是在低速（小于25km/h）情况下发生的。因此,如何防止低速后碰撞导致的颈部损伤就成了车辆安全领域一个亟待解决的问题。本论文通过研究安全座椅设计参数和颈部损伤之间的关系,试图通过优化座椅的刚度和几何结构等设计参数来减少低速后碰撞中产生的颈部损伤。为了较好地研究座椅设计参数和颈部损伤之间的关系,本论文主要采用两种研究方法,分别是有限元方法和多刚体动力学方法。在使用有限元方法时,首先建立并验证了一个有限元假人和一个实验座椅模型,验证结果表明有限元假人模型和实验座椅模型的组合能够较好地模拟志愿者实验。采用正交实验设计方法,以NIC为主要评价指标,以T1相对头部的最大转角为辅助评价指标,探讨了座椅系统中靠背和头枕的刚度在低速后碰撞中对颈部损伤的影响。在参数分析中选取了两种加速度脉冲,一种脉冲加速度平均值为3.1g（相对速度为7km/h）,另一种脉冲加速度平均值为6g（相对速度为15km/h）。在使用多刚体动力学方法时,首先利用MADYMO软件建立并验证了一个后碰撞仿真模型,然后利用该后碰撞模型进行仿真试验,研究座椅的几何参数,如头枕与头部的位置、靠背倾角和座垫倾角对颈部损伤的影响。本论文仿真分析研究工作可得到如下主要结果和结论。有限元座椅-假人系统模型的分析结果表明,与最初的安全座椅相比,使用最优设计参数的安全座椅后NICmax减少了31.7%,θmax减少了46.3%。由此可知,优化后的座椅大大降低了颈部损伤的风险。靠背刚度参数仿真分析结果表明,在较低速度（7km/h）和中等速度（15km/h）的后碰撞情况下,在一定的弹簧刚度范围内,座椅靠背的刚度越低,尤其是靠背上端部分的刚度越低,NICmax也越小,颈部损伤的可能性就越低,座椅对人体颈部的保护作用就越好。多刚体动力学座椅-假人系统模型仿真分析结果显示,适当地减小头枕与头部的水平距离和竖直距离,可以减小颈部损伤的风险。过大或者过小的靠背倾角和座垫倾角都会增加颈部损伤的风险。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 本课题的研究背景及其意义
• 1.2 本课题的主要研究内容
• 1.3 安全座椅的研究现状及其发展趋势
• 1.3.1 头枕
• 1.3.2 安全座椅的刚度
• 1.3.3 安全座椅的发展趋势
• 1.4 颈部损伤生物力学
• 1.4.1 颈部损伤生物力学定义
• 1.4.2 颈部损伤生物力学的研究内容
• 1.5 颈部损伤机理
• 1.5.1 颈部损伤机理的重要意义
• 1.5.2 颈部损伤研究的发展历程
• 1.5.3 挥鞭伤及其研究方法
• 1.6 颈部损伤的评价准则
• 1.6.1 颈部损伤准则（NIC）
• ij)'>1.6.2 颈部损伤预测值(N_ij)
• km)'>1.6.3 颈部损伤临界值(N_km)
• 1.7 主要研究方法和基本原理简述
• 1.7.1 LS-DYNA3D 软件
• 1.7.2 MADYMO 软件
• 第2章 后碰撞有限元假人模型的建立与验证
• 2.1 志愿者试验的简介
• 2.1.1 试验设备及其准备工作
• 2.1.2 座椅模型的建立
• 2.2 H3D50 假人模型的验证
• 2.2.1 H3D50 假人模型的介绍
• 2.2.2 H3D50 假人模型的验证及其分析
• 2.3 H3D50-NECK-SHELL 假人模型的验证
• 2.3.1 H3D50-Neck-Shell 假人模型的介绍
• 2.3.2 H3D50-Neck-Shell 验证及其分析
• 2.4 H3D50-NECK-SOLID 假人模型的验证
• 2.4.1 H3D50-Neck-Solid 假人模型的介绍
• 2.4.2 H3D50-Neck-Solid 假人模型的验证及其分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 座椅刚度对人体颈部损伤的影响
• 3.1 颈部损伤的评价指标
• 3.2 初步的刚度研究
• 3.3 座椅刚度的单参数研究
• 3.3.1 仿真实验方案的选择
• 3.3.2 仿真实验结果的分析
• 3.4 正交实验设计
• 3.4.1 正交实验设计概述
• 3.4.2 正交表
• 3.4.3 实验分析
• 3.5 座椅刚度的多参数研究
• 3.5.1 仿真实验方案的选择
• 3.5.2 仿真实验结果的分析
• 3.6 较高速度下的座椅刚度研究
• 3.6.1 碰撞脉冲
• 3.6.2 座椅弹簧刚度的确定
• 3.6.3 仿真实验结果的分析
• 3.6.4 仿真实验结果的比较
• 3.7 本章小结
• 第4章 安全座椅的几何参数对颈部损伤的影响
• 4.1 后碰撞仿真模型的建立
• 4.1.1 多刚体动力学软件的选用
• 4.1.2 安全座椅的建立
• 4.1.3 假人的调用
• 4.1.4 假人的定位
• 4.1.5 安全带模型的定位
• 4.1.6 碰撞脉冲
• 4.2 后碰撞仿真模型的验证
• 4.2.1 碰撞脉冲
• 4.2.2 验证结果及其分析
• 4.3 安全座椅的几何参数
• 4.3.1 几何参数
• 4.3.2 碰撞脉冲
• 4.3.3 颈部损伤评价指标
• 4.4 头枕的位置对颈部损伤的影响
• 4.4.1 头枕与头部的水平距离
• 4.4.2 头枕与头部的竖直距离
• 4.5 靠背倾角对颈部损伤的影响
• 4.6 座垫倾角对颈部损伤的影响
• 4.7 本章小结
• 全文总结
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间发表的学术论文目录