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轿车与行人碰撞及行人保护的仿真分析
摘要
随着经济的发展和人们生活水平的不断提高,我国汽车保有量和道路交通运输量也在迅速增长,但由于驾驶员素质的参差不齐,以及国内道路长期存在的混合交通比例大,管理不善及力度不够等原因,致使交通事故率在不断增加。
而在我国汽车交通事故中车辆与行人碰撞又占相当比例,统计显示约占汽车交通事故总数的27%,并且行人的伤亡率往往很高。
在这些事故中头颈部和下肢的损伤又占损伤总数的70%以上,头颈部损伤是造成人员死亡的主要原因,而下肢创伤往往是交通事故中人员致残的主要因素。
有专家预测,中国道路交通事故死亡率在未来于年期间仍将在此高位徘徊。
这个特点就决定了在我国开展行人安全性研究工作有着特别重要的意义。
为了保护行人的安全,必须对交通事故进行细致的调查和科学的分析,基于计算机仿真的车人碰撞事故再现具有成本低、准确度高、客观性强和内容丰富等优点,能够为事故鉴定、汽车安全设计和损伤生物力学研究提供科学的依据,因此这种虚拟试验技术具有重要的研究价值和社会意义。
本文利用目前在汽车安全研究领域广泛应用的MADYMO软件,建立了汽车与行人碰撞模型,分析了汽车及行人的初始条件对行人损伤的影响。
研究表明:
在轿车一行人碰撞事故中,因车辆外形、碰撞速度以及人车初始运动状态的不同,行人身体将遭受不同的碰撞作用,从而产生不同的运动行为和损伤。
事实已经证明汽车安全气囊的作用巨大而且还有很大的应用前景。
本文利用计算机模拟技术设计一种引擎盖气囊,其中包括气囊几何尺寸的确定、气囊气袋CAE模型的建立,重点介绍了气囊模块模型的定义。
通过虚拟实验模拟气囊在人车碰撞事故中对行人的缓冲作用,得到的伤害指标与原始汽车模型对行人的伤害指标做比较,得出引擎盖气囊对行人头部和胸部可以起到明显有效的保护,同时探讨气囊的尺寸、气体压力以及泄气特性等参数对减小行人头部的伤害的影响。
本研究是我国行人安全研究的有益探索,其研究方法和结论对于指导汽车一行人碰撞事故再现分析、行人损伤尤其是损伤保护研究、行人安全法规的制订有重要参考意义。
关键词:
汽车行人碰撞保护仿真
Abstract
AlongwithChineseeconomydevelopmentandthestandardofpeople’Slivingimprovement,autopossessionquantityhasbeennslngcontinuouslyasthesameasroadtrafficvolume,however,becauseoftheunevenmakingsofdriversandthehighproportionofmixedtrafficmodewithincompletemanagementwhichhasexistedin
ourcountry,asaresult.thetrafficaccidentrateincreasesconstantly.髓1epedestrianimpactedbyvehicleaccountshighrateinourcountrytrameaccident,about27%withlli曲deathrate.Intheseaccidents,theproporionofheadinjur,neckinjuryand
crurainjuryaccounts70%ofthesuminjury.Theheadandneckdamageisthemainreasonthacausepesronnel’Sdeathandcrurainjuryusuallycausedeformity.TheexpertpredictsthatChineseroadtra伍Caccidentdeathratewillwanderupanddown
insuchhighpositionduringthefollowingtenyears.TIliScharacterdeterminestohaveveryimportantmeaningstolaunchpedestrian’SsecurityresearchworkinOUrcountry.
Inordertoprotectpedestrians,peoplemustcarryontheCarefulinvestigationandthescienceanalysistothetra伍Caccident.BasedOilcomputersimulationofthevehicle.humancollisionreconstructionwithlowCOst,hi曲accuracy,objectivityandtheadvantagesofrichcontents,itcanprovidescientificbasisfortheaccidentidentification.theautosafetydesignandtheresearchofdamagebiologymechanics.Somisvirtualtesttechnologyhasimportantreserachvalueandsocialsignificance.
Inthisstudy,vehicle.pedestriancrashmodelsarebuiItbyMADYM0whichisusedwidelyinthefieldofvehiclesafetyresearch.Asthisresearchindicates,differentcrasheffectswouldbebroughttopedestrian’Sbody,followingwithvarietiesoffactorssuchasvehicletypes,crashspeeds,staturesandbodyformsofpedestrian.
n’SwellknownthatairbagistheeffectiveequipmerittoprotectpeopleintramCaccidents.InthisPaper.ahoodairbaghasbeendesignedbyCAD/CAE.Thestepsmainlyincludeairbagsizeandsimulationmodeling.Byusingtapedestrianairbag,
theinfluenceofairbagprotectiontothepedestrianinjuryWasanalyzed.Theresultshowsthathoodairbagsisquiteeffectiveforpedestrianhead.finally,theparametersofhoodairbaglikesize\:
initialpressure\airbagoutletcharacterareinspected.
Thisstudyisausefulexplorationofresearchonpedestriansecurityinourcountry.Themethodsandconclusionsofthisstudyareprovidedwithimportantsignificanceonprovidingreferenceforvehicle-pedestriancrashaccidentreconstruction,researchonpedestrianmjuryespeciallyneadmjuryprotection,and
legislationofpedestrianprotection.
KeyWords:
vehiclepedestrianimpactprotectionsimulation
Ⅱ
独创性声明
本人声明,所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
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关于论文使用授权的说明
本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定,即学校有权保留、送交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅;学校可以公布论文的全部或部分内容,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。
(保密的论文在解密后应遵守此规定)、、、
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武汉理工大学硕士学位论文
第1章绪论
1.1研究背景
随着汽车被动安全性技术研究的不断深入和应用,更加安全的车身结构以及诸如安全带、安全气囊等被动安全装置已经被广泛采用,使得车内人员得到更有效的保护,进而有效地降低了事故中乘员的伤亡率。
出于对事故中车内乘员保护的考虑,车身的外部结构和材料强度不断得到提高,但是这直接导致在人一车碰撞的交通事故中汽车对行人构成了极大的安全威胁。
每年全世界都有大量的行人在交通事故中受伤、致残甚至死亡。
据资料显示,2003年日本交通事故中行人死亡人数为7702人,美国行人死亡人数为4749人,中国同年度交通事故死亡人数超过10万人,其中行人2.5万余人,约占死亡总人数的25%¨1。
即使在近两年,欧盟机动车造成的行人死亡占整个交通死亡事故的I/5,这相当于每年约有8000人因此丧命。
在日本,每年约有2700名行人丧身于车轮下,这占了整个日本交通死亡率的80%弘’。
可以看出作为发展中国家的中国,人口众多,基础设施相对薄弱,人们的交通安全意识还没有足够高,以混合交通为主的路面交通情况更加导致了人一车碰撞交通事故中极高的行人伤亡率,并且专家预测这种情况在相当长一段时间很难从根本上得到改善。
考虑到行人所处的弱势地位,虽然20世纪70年代后期己出现对涉及行人的车辆事故的调查研究,但直到最近几年,行人保护才成为当今世界汽车交通安全性研究中的一个热点问题。
各国的立法机构和汽车制造厂商才在汽车对行人的保护方面做了大量工作并制定了相关的法规。
在法规的制约下,以及为了提高产品的竞争力,各大汽车制造商和一些研究机构纷纷投入专门的技术人员和最先进的实验设备从事行人保护的实验分析和技术开发工作。
采用何种措施降低汽车与行人碰撞时对行人产生的伤害在美国、欧洲、日本等国家已受到高度重视,计算机技术的高速发展使行人数值假人和计算机仿真再现方法在上述世界发达国家得到了广泛的应用,数学模拟能预测实验结果,且具有较大的灵活性,可以给汽车碰撞研究提供快速经济的手段,免去一部分耗资巨大、过程危险而复杂的汽车碰撞实验。
在我国,相比发达国家而言行人安全性研究起步较晚,研究水平较为滞后,对真实事故的研究相对不足。
因此,目前在内展开大量相关行人安全性技术研究,改善汽车对行人安全保护,尽可能减少人车碰撞中的人体伤害和带来的社会损失,降低行人死亡率,是一个较为迫切的问题。
因此,针对我国行人事故现状,研究行人保护的相关技术,具有重要的现实意义。
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1.2行人保护技术发展现状
1.2.1行人保护研究的主要内容
目前国内外对于行人安全的研究概括起来主要包含如下的几个方面:
交通事故调查与分析研究,损伤生物力学研究,行人模型研究,行人冲击器模型研究以及行人安全性试验评价方法研究。
(1)交通事故调查与分析研究在对汽车与行人碰撞研究方面,通过交通事故统计,建立较完备的行人与汽车碰撞
事故分析数据库,包括发生碰撞的行人特点(身高、性别、年龄等)、碰撞发生时的路面及天气状况、行人与车辆的碰撞部位、碰撞时行人的身体姿态(如手和腿的位置状态)、行人受伤害的程度等。
根据这些统计数据,可以知道当行人与车发生碰撞时,可能性较大的行人状态、碰撞位置、易发生碰撞的人群等,从而为计算机仿真和试验参数定义提供参考,并可以用于指导减少行人损伤的相关措施的制定。
(2)损伤生物力学研究在对行人损伤研究方面,国内外目前主要从医学、生物力学角度,通过开发人体模
型和进行仿真试验等方法对行人各部位部损伤进行研究。
发动机罩、前风窗以及A柱区域是导致头部损伤的主要部件,而保险杠和发动机罩前缘是导致下肢损伤的主要部件。
由于人体头部结构复杂,对载荷响应较为敏感,因此主要通过对真实人一车碰撞事故中行人头部的损伤分析统计以及事故重建的方法对头部进行损伤机理研究。
另外,也可以通过PMHST(PastMortalHumanSubjectTest),即人体尸体试验分析头部损伤机理。
(3)行人模型研究具有较高人体生物逼真度的行人模型对试验的有效性有重要影响,行人模型的建立
是研究汽车对行人损伤的基础,也是研究的重要手段和方法。
国内对行人模型的研究处于起始阶段,目前还没有开发出能模拟人体特性的行人模型。
国外在行人模型研究方面已经开展了很多工作,并且开发出了一系列生物拟合性较好的专用行人假人,而通过对行人模型的尺寸及特性进行相应的缩放,就可以得到的不同身材的行人模型,这些模型包含可用于实车试验的实物模型和用于仿真实验的有限元模型和多刚体模型。
行人模型被广泛应用于分析汽车前部造型及结构对行人损伤的影响,其试验结果与人体在实际碰撞中的损伤基本相符。
(4)行人冲击器模型研究利用行人冲击器模型(如下图1.1所示)也是分析汽车前部对行人损伤的重要方法
之一。
由于冲击器试验布置简单、试验成本低、可重复性高,目前采用冲击器模型对汽车前部进行评价已经成为行人安全研究的重点,该试验方法已成为评价新车行人安全性
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能的主要方法。
目前,各国研究机构根据各自的研究重点,建立了不同的人体头部冲击器模型和仿真模型,并相应地制定了包括头部冲击器在内的人体冲击器试验方法和相关评价指标。
但所有的这些试验方法和试验模型都不同程度的存在着各自的局限性。
在基于以上研究成果,又有专门针对行人安全性试验评价方法的研究。
图1.1行人模拟子系统冲击器
1.2.2国内外研究现状
实验是行人安全研究的主要手段,通过各种碰撞试验(包括实车试验、模型模块试验和计算机仿真等)来模拟和再现碰撞事故,从中研究碰撞事故的规律,进而探索避免事故发生或减轻事故损失的方法,己经被世界各国的研究人员所普遍接受。
按实验方法区分,行人被动安全研究可分为行人子系统撞击器(subsystemmodel)实验和整体行人(full-scaledummy)碰撞实验。
目前的研究主要倾向于利用行人子系统模型进行研究,即用规范的撞击器模拟人体各部位进行试验,并以整体假人碰撞实验为辅。
这一方面是因为处于法规制订和汽车制造商的要求,所研究的对象和对应的实验方法不宜过于复杂。
另一方面是由于缺乏成熟的实验假人和仿真假人模型,以及PMHS实验(Post-MortemHumanSubject)的昂贵代价。
行人子系统模型碰撞研究一般都以EEvC公布的报告为基础。
这方面的研究业已成熟,包括欧盟、ACEA、Euro—NcAP在内的很多机构均采用了这项技术。
但是,随着研究的深入,NHTSA、JARI、IHRA等纷纷指出,subsystem实验不能很好反映真实事故环境中的人车相互作用关系,有一定程度的失真。
例如,在利用大腿撞击器碰撞发动机罩前沿时,实验弱化了大腿部位的旋转和滑移作用,使测得的冲击大于实际情况。
为了减少实验开销及其带来的复杂性,不少研究者也用数值仿真的事故再现来验证研究结果的可靠性,甚至完全代替PMHS实验。
数字化假人模型不仅需要能适应人体运动学分析,而且能进行人体损伤分析。
1975年,美国国家空军实验室[15]建立了三维多刚体假人ATB(ArticulatedTotalBody),后被包括在LS-Dyna软件包内,被广泛应用于乘员安全的仿真试验。
后来,随着ATB拟人试验装置的发展,越来越多的机构和单位开始以实车碰撞试验用假人为原型,建立它们的数字仿真模型。
荷兰应用科学研究
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院(TNO)采用多刚体系统动力学方法构建人体运动系统,用椭球面模拟人体几何外形,建立了HybridIII多刚体假人。
TNO提出以刚性的有限元曲面代替椭球面,建立了可以更精确模拟人体几何外形的Facet假人模型。
通用汽车公司和美国NHTSA分别建立了HybridHI假人的有限元模型。
该模型可完全满足现有的汽车安全法规的要求,可对头部、颈部、胸部、大腿等部位的损伤进行预测。
德国汽车研究组织(FAT)根据侧碰假人USSID、EUROSID-1和EUROSID-2,建立了相应的有限元假人模型,并进行实验验证。
另外,如LSTC、ESI、Mecalog等公司也分别结合各自的有限元仿真求解器LS—Dyna、PAM—CRASH、Radioss,建立了不同版本的数字化假人p1。
但由于目前还没有统一的行人碰撞假人标准,各国的改装方法也各不相同,因此如何改装才能比较好的再现碰撞过程及其规律,还需要从事这方面研究工作的科研人员不断探索。
利用计算机仿真技术,建立行人模型和车辆模型进行各种碰撞事故的模拟再现,可以获取在碰撞过程中人体的运动过程和身体各部位的受力情况,并对其进行运动学、动力学分析,从而得到人体与车辆发生碰撞时的损伤机理,寻求减轻人体损伤的解决方案。
目前以MADYMO和APM-SAFE等为代表的以多刚体动力学理论为基础的模拟计算软件是碰撞仿真研究的常用工具。
由于发达国家的国情,当前的研究对象以小型车为主,整车高度一般小于1900mm,包括小轿车、SUV、小型客车等车型。
行人安全性的评价主要以行人所受伤害为依据。
研究人员指出,有超过50%的行人伤害是由汽车前部接触造成的,致命伤(AIS5—6)以头部伤为主,下肢和臀部伤是最常见非致命伤,约占总数的37%p1。
另外,儿童行人面临的安全问题同样不容忽视,因交通事故身亡的儿童有1/3是行人。
所以对小型汽车,评价行人安全性就是评价车前部结构对儿童或成人行人的头部和下肢造成的伤害。
我国在汽车行人保护研究刚刚起步,由清华大学的黄世霖教授开发的MUL3D软件,可以很好的模拟分析汽车与行人碰撞。
清华大学碰撞试验室也建立了行人碰撞试验台,在1998年的时候,就己经开始做行人碰撞方面的试验。
这类试验主要是用一些人体模块进行头部、小腿、大腿碰撞的研究。
研究现实国内人车事故中车速有2/3都小于40km/h,25岁以上人群占了79%。
在国内,吉林大学、清华大学、湖南大学、同济大学、上海交通大学等高校都已经将HybridIII数字仿真假人广泛应用到汽车碰撞安全性的数值模拟。
另外,国内的学者在行人子系统撞击器模型的改进和应用上进行了相关研究,根据多刚体动力学方法,开发了“汽车碰撞人体运动响应"软件系统。
国内也正在开始建立可用于碰撞分析的中国标准人体的“骨骼一肌肉一韧带"生物力学系统。
1.2.3行人的防护技术应用
行人的保护不同于车内乘员的保护。
相对于车内乘员来说,行人在与车辆发生碰撞时,其与车辆的相对位置和运动状态等因素远比车内乘员复杂的多,更具有不确定性。
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通过多年的研究和探索,对交通事故中造成行人伤害的主要原因及其影响因素己经有了初步认识,即:
行人的损伤程度主要取决于碰撞时车辆的速度、车辆前部形状及碰撞区域的能量吸收特性。
行人安全防护的方法主要分为两类:
主动安全和被动安全。
主动安全的目在于避免车辆和行人碰撞的发生,被动安全的目的在于当碰撞不可避免时尽量小行人的损伤。
目前改进车辆的行人防护特性主要遵循以下两个原则:
①通过优化车辆前部结构形状降低发生碰撞后行人各部位与车辆之间的相对碰撞速度。
如图1.2所示为新开发的保险杠设计为圆润的汽车前部结构,采用了高密度泡沫材料,通过泡沫的弹性或结构的变型吸能性,可以控制对腿部的冲击过程,减小撞击力量,从而有效地保障行人的膝、腿免受严重伤害。
图12使用TPO注塑成型的吸能块改善保险杠对行人保护性能
@降低碰撞区域的剐度、改进碰撞区域的能量吸收特性。
如开发的可弹出的发动机盖采用自动弹出式发动机罩(如图I.3),有效增加发动机罩与发动机舱中零部件之间的间隙,避免行人头部与内部刚性零件接触,降低对行人头部的损伤。
采用汽车前保险杠安全气囊和前风窗安全气囊(如图14)。
图1.3福特捷豹吸能发动机罩技术示意图
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图i.4本田PUYO外置安全气囊此外,主动安全方法主要有:
(1)加强交通管理,采用车辆限速装置:
(2)采用辅助
制动装置。
降低汽车与人碰撞的速度;(3)采用电子探测装置,避免事故的发生;(4)采用视野扩大辅助装置,加强驾驶员事故预见能力。
1.3本文研究目的、研究内容及方法
在人车碰撞的交通事故中行人身体的各个部位都有可能受到损伤,但不同部位的损伤程度会根据其生物力学特性以及碰撞中与车体接触位置的不同而有所不同。
研究显示车辆行人碰撞事故中,行人头部和下肢损伤几率最大”’,而头部的严重损伤往往是造成死亡的主要原因。
因此研究行人的头部损伤防护技术具有重要的经济及社会意义。
本文以以典型汽车一行人交通事故分析为基础,利用多刚体动力学仿真分析软件MADYMO建立汽车一行人碰撞模型.通过仿真分析得出行人的伤害指标,总结人车碰撞事故特点。
在数据可靠性得到保证的基础上,建立车外气囊模型,研究气囊的部分参数与行人伤害的关系。
具体研究内容如下:
(1)在查阅大量文献的基础上,考察了国内外汽车被动安全性研究现状,概述了汽车被动安全性,尤其是行人保护研究开发方面的研究方法取得的最新成果及最新发展动态,介绍了汽车碰撞计算机模拟理论。
(2)介绍生物力学以及碰撞中的人体受伤情况。
对行人人体主要伤害部位进行了解剖结构及损伤生物力学方面的介绍。
叙述了其损伤形式、损伤机理及相应的损伤评价标准,同时对行人安全法规的发展做了介绍。
(3)通过计算机技术建立所研究的汽车模型及行人模型。
通过模拟碰撞。
与真实碰撞事故及碰撞试验所的数据对比,确保模拟的可靠性。
对比分析不同参数设置下人一车碰撞事故中行人运动特性差异,总结行人与轿车碰撞时的头部碰撞特点。
(4)通过CAD/CAE方法设计一种引擎罩气囊,模拟气垫对行人头部及上身的缓冲保护,毗及气垫尺寸、位置、初始压力及泄气特性参数的改变对行人保护效果的影响。
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第2章人体损伤机理与人车碰撞事故特征
2.1人体损伤机理
冲击性加速度或过载对人体的影响与持续性加速度不同,它主要不是引起血液动力
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