大型客车追尾碰撞中乘员颈部安全性的影响因素研究

论文摘要

公路客运作为旅客运输的重要方式,对客车性能有较高要求,而在众多性能中,安全性位居首位。据近年来国内外大量汽车交通事故的统计研究显示,在所有事故中,碰撞事故（正碰、侧碰、追尾和翻滚）占有较大比例,其中追尾碰撞事故虽然在事故总量中的比例仅占8%,但引起的颈部损伤却占30%左右,而这一比例中的5%则是致命性的。在汽车追尾碰撞中,乘员颈部经常会受到挥鞭样损伤,这种损伤将引起多种且持续时间较长的病症（WDA）。颈部损伤的影响因素很多,如座椅结构特征、碰撞时车速、整车质量及乘员个人身体素质等。由于目前各国还没有制定有关汽车追尾碰撞乘员保护法规,只有乘用车正面碰撞乘员保护法规,且仅适用于M1和M2类客车。因此,本论文的主要研究目的是通过对大型客车追尾碰撞的仿真分析,初步了解大型客车在追尾碰撞中影响乘员颈部损伤的主要因素,探讨提高乘员颈部安全性的措施和途径,为今后进一步深入开展大客车追尾碰撞试验和计算机仿真研究,以及制定追尾碰撞的安全法规提供参考。本文首先采用显式有限元分析程序ANSYS/LS-DYNA,参考国内外相关研究资料,建立某6127型客车整车追尾碰撞的有限元仿真模型。模型除整车结构外,还包括HybridⅢ50百分位假人有限元模型、安全带、座椅和移动车模型。随后应用该模型,分析了座椅靠背倾斜角度、头枕到头部距离、乘员坐姿、座椅在客车中的位置、安全带和移动车质量及速度等因素对颈部动力学响应的影响。最后,根据模型输出的主要参数：头枕骨（OC）处的剪切力、弯矩、头部加速度、骨盆处和胸部加速度等,使用颈部损伤准则Nkm和NIC评价颈部损伤风险。仿真结果表明,客车最后排假人颈部Nkm值大于客车中间和前部假人的Nkm值；座椅靠背倾斜角对Nkm值影响较大；随着移动车质量和速度的提高,Nkm值也在增大；头枕位置和乘员坐姿对OC处的剪切力、弯矩和颈部NIC值影响较大；而乘员颈部损伤不仅受座椅参数和移动车特征的影响,还与客车尾部车身吸能结构的吸能特性有关。研究结果还表明,通过以下途径可以减小颈部伤害：在客车尾部结构允许的情况下适当增大座椅靠背倾斜角,并同时保持头枕和头部距离不变；提高车身尾部结构的吸能能力,加强座椅地板骨架的刚度防止座椅向后过度翻转；乘车时缩小头枕和头部的距离或将头靠在头枕上等。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 国内外汽车追尾碰撞研究现状
• 1.2.1 国外汽车追尾碰撞研究现状
• 1.2.2 国内汽车追尾碰撞研究现状
• 1.3 课题研究内容
• 1.4 课题研究的目的和意义
• 1.4.1 课题研究的目的
• 1.4.2 课题研究的意义
• 第2章 汽车碰撞过程计算机仿真的基本理论和方法
• 2.1 ANSYS/LS-DYNA简介
• 2.2 显式有限元算法及理论基础
• 2.2.1 基本控制方程
• 2.2.2 显式中心差分法
• 2.2.3 时间步长的确定
• 2.2.4 时间步长控制
• 2.3 接触界面的处理方法
• 2.3.1 接触搜寻方法
• 2.3.2 接触碰撞力的计算方法
• 2.4 本章小结
• 第3章 客车追尾碰撞乘员保护的研究内容
• 3.1 追尾碰撞中乘员颈部损伤机理
• 3.2 乘员颈部损伤的生物力学基础和损伤等级
• 3.3 挥鞭样损伤的病理改变和临床症状
• 3.4 颈部损伤的评价准则和颈部耐受限度
• 3.4.1 颈部损伤准则NIC
• km'>3.4.2 颈部损伤准则N_km
• 3.5 颈部损伤的影响因素
• 3.6 本章小结
• 第4章 客车追尾碰撞乘员保护有限元模型的建立
• 4.1 整车三维实体模型的建立
• 4.1.1 整车参数
• 4.1.2 整车三维实体模型
• 4.2 移动车模型
• 4.3 假人、安全带有限元模型
• 4.3.1 假人有限元模型
• 4.3.2 安全带有限元模型
• 4.3.3 客车座椅模型
• 4.4 车身结构有限元模型的建立
• 4.4.1 模型简化
• 4.4.2 材料模型选择
• 4.4.3 单元类型及单元尺寸
• 4.4.4 部件联接
• 4.4.5 载荷处理
• 4.4.6 计算参数设定
• 4.5 参数设计研究
• 4.6 本章小结
• 第5章 仿真结果和讨论
• 5.1 碰撞变形结果
• 5.1.1 车身结构整体变形结果
• 5.1.2 车身主要结构变形结果
• 5.2 能量和加速度变化
• 5.3 移动车质量、假人在车内位置对乘员颈部损伤的影响
• 5.3.1 仿真结果
• 5.3.2 讨论
• 5.4 座椅靠背倾斜角、安全带对乘员颈部损伤的影响
• 5.4.1 仿真结果
• 5.4.2 讨论
• 5.5 移动车吸能块对乘员颈部损伤的影响
• 5.5.1 计算结果
• 5.5.2 讨论
• 5.6 移动车速度对乘员颈部损伤的影响
• 5.6.1 计算结果
• 5.6.2 讨论
• 5.7 座椅头枕和头部距离对乘员颈部损伤的影响
• 5.7.1 计算结果
• 5.7.2 讨论
• 5.8 乘员坐姿对颈部损伤的影响
• 5.8.1 计算结果
• 5.8.2 讨论
• 5.9 本章小结
• 第6章 改进分析
• 6.1 改进方案
• 6.2 改进前、后仿真对比
• 6.2.1 改进前、后整车吸能特性对比
• 6.2.2 改进后乘员颈部损伤结果分析
• 6.3 对采用计算机仿真方法评价客车追尾碰撞乘员颈部安全性的建议
• 6.3.1 对仿真方法的建议
• 6.3.2 移动车的设置
• 6.3.3 车身结构及座椅
• 6.3.4 乘员颈部损伤评价指标
• 6.4 提高乘员颈部安全性的措施
• 总结与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间参与的科研项目和公开发表的论文
• 致谢