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儿童座椅增高垫的正面碰撞参数敏感性分析.rar

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    儿童座椅 增高 正面 碰撞 参数 敏感性 分析
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    北京林业大学本科毕业论文I儿童座椅增高垫的正面碰撞参数敏感性分析车辆工程 10-1 班 邓雯瑶指导教师:唐亮摘要据悉,我国车辆交通事故导致的儿童死亡率是欧洲国家的 2.5倍,美国的 2.6倍[1]。在我国,随着私家车越来越多,儿童的乘车安全也越来越受到家长和社会的重视。作为交通事故中最弱势的群体,儿童乘员需要特殊的保护措施。然而我国儿童安全座椅使用率低,儿童安全相关法规缺乏,因此,研究汽车儿童安全座椅具有重要意义。为了提高我国儿童乘员乘车的安全性,对于碰撞中儿童安全座椅增高垫的碰撞参数及敏感性分析和研究是十分必要的。本论文选定一款增高垫儿童座椅进行建模分析,采用行业内认可度很高的多刚体动力学软件MADYMO及 HybridⅢ6 岁儿童假人模型,建立了一组 6岁儿童乘员前碰撞条件下的仿真模型。参照FMVSS213和 ECE R44法规给定的儿童损伤准则,对模型中的儿童的头部合成加速度、NIJ 值、HIC 值、胸部合成加速度、胸部垂直加速度、颈部轴向载荷以及颈部弯曲力矩等进行了分析研究。验证了增高垫约束系统的安全性。本文结合计算机仿真与实际设计,对儿童乘员约束系统进行研究分析。掌握了儿童乘员约束系统研究的技术路线和方法,提出有效的应用仿真指导实际的方法。本论文的研究结果可以作为进一步改进增高垫儿童座椅时的参考依据,为进一步进行学龄儿童乘车安全保护研究奠定了基础。关键词:儿童,仿真,增高垫,儿童约束系统,碰撞安全,碰撞参数,敏感性北京林业大学本科毕业论文Study on Child Booster Seat about The Collision Parameter and Sensitivity in Frontal Impact Vehicle Engineering 10-1 Deng WenyaoSupervisor Tang Liang AbstractIn pediatric population, the fatality rate in automotive crash in China is about 2.5 times that of European countries and 2.6 times of the United States of America. As more and more families own their private cars, the child occupants’safety has been paid more and more attentions of the parents and the society. As the most vulnerable group in traffic accidents, children need special protection. Because of the low usage rate of child safety seat and the lack of child safety regulations, the study on child safety car seat has important significance in China. Therefore, the domestic and international research on child safety seat was introduced firstly. In order to improve the safety of child occupants, it is necessary to the research and analysis on child safety seat heighten pad about the collision parameter and sensitivity. In this study, I selected a child safety seat heighten pad as the research object. A rigid body dynamics code MADYMO and the 6-year-old Hybrid Ⅲ dummy model were used to simulate the responses of a 6-year-old child occupant restrained properly in frontal impacts. The injury related parameters specified in FMVSS123 and ECER44 were analyzed, including the resultant head acceleration ,NIJ value, HIC value, the resultant chest acceleration, the vertical chest acceleration, the neck Z-component force, neck Y-component moment etc. The results show booster seats are effective means to improve the safety of children in cars.In this paper, computer simulation and the actual design are both taken into account, in order to do the child occupant restraint system research and analysis. What’s more, the paper presents effective practical methods of simulation application as well as the technical routes and methods of the study of child restraint system. The results may serve as the reference for further improvements of booster seats and contribute to the research on protection of older children in passenger car impacts in China.Key Word:Child, Simulation, Booster Seat, Child Restraint System, Crash safety,Collision Parameter, Sensitivity.北京林业大学本科毕业论文目 录1 绪论 ........................................................................................................................................................11.1 儿童交通事故现状 .....................................................................................................................11.2 儿童乘车安全意识状况以及儿童约束系统研究状况 .............................................................11.2.1 儿童乘车安全意识状况 ..........................................................................................................11.2.2 欧美国家或地区儿童约束系统的发展及现状 ..............................................................11.2.3 我国儿童约束系统的发展及现状 ..................................................................................21.3 研究的方法、目的和意义 ..........................................................................................................31.3.1 研究方法 ...........................................................................................................................31.3.2 研究目的及重点 ......................................................................................................................31.3.3 研究意义 ..................................................................................................................................31.4 论文的结构 ..................................................................................................................................42 约束系统理论和儿童乘员的特殊性 ............................................................................................52.1 约束系统的工作原理 ..................................................................................................................52.2 儿童乘员的特殊性 ......................................................................................................................62.2.1 大龄儿童损伤机理 ........................................................................................................62.2.2 成人约束系统对儿童乘员的可能伤害 ...........................................................................73 儿童约束系统法规 ................................................................................................................................83.1 欧洲的 ECE-R44 法规 ...............................................................................................................83.2 美国的 FMVSS 213 法规 ............................................................................................................83.3 我国的安全法规 .......................................................................................................................103.4 欧洲法规与美国法规的对比 ...................................................................................................104 儿童约束系统的基本现状 ..................................................................................................................124.1 车用婴儿床 ................................................................................................................................124.2 儿童安全座椅 ............................................................................................................................134.2.1 儿童座椅安全带的类型 .................................................................................................134.2.2 儿童安全座椅固定装置 .................................................................................................144.2.3 儿童安全座椅分类 .........................................................................................................144.3 增高坐垫 ....................................................................................................................................154.4 儿童约束系统的正确使用 ........................................................................................................164.5 儿童约束系统的保护效果 ........................................................................................................174.5.1 增高垫儿童约束系统效用分析 .....................................................................................184.6 安全带效用 ................................................................................................................................224.6.1 安全带效用事故统计 ..................................................................................................224.6.2 安全带限力器和预紧器效用 ......................................................................................235 儿童约束系统仿真理论基础 ..............................................................................................................255.1 多刚体动力学理论基础 ............................................................................................................255.1.1 单个刚体动力学 ............................................................................................................255.1.2 多刚体动力学 .................................................................................................................265.2 Madymo 软件理论基础 ............................................................................................................295.2.1 多刚体系统 .....................................................................................................................295.2.2 有限元模型 .....................................................................................................................305.2.3 安全带模型 ....................................................................................................................30北京林业大学本科毕业论文5.2.4 接触模型 ........................................................................................................................305.2.5 伤害参数 ........................................................................................................................316 仿真平台的搭建与讨论 ......................................................................................................................336.1 加速度场 ....................................................................................................................................336.2 增高垫有限元模型建立 .........................................................................................................336.3 儿童假人模型的建立 ................................................................................................................346.4 假人的初始定位 ........................................................................................................................346.5 成人安全带约束系统的建立与定位 ........................................................................................356.5.1 安全带模型及定位 .........................................................................................................356.5.2 预紧器和限力器建模 .....................................................................................................366.6 汽车座椅模型 .........................................................................................................................366.7 模型的完整图片 ........................................................................................................................376.8 模型的输出 ................................................................................................................................377 儿童座椅设计参数的仿真研究 ..........................................................................................................387.1 研究参数的选取 ........................................................................................................................387.2 安全带刚度对儿童成员响应的影响 ........................................................................................397.3 安全带预紧量对儿童成员响应的影响 ....................................................................................427.4 限力器限力值对儿童乘员响应的影响 ....................................................................................44总结 ........................................................................................................................................................491致谢 ..........................................................................................................................................................49参考文献 ..................................................................................................................................................50北京林业大学本科毕业论文01 绪论1.1 儿童交通事故现状世界卫生组织统计,每年约有 18 万以上的 15 岁以下儿童死于道路交通事故,数 10 万的儿童致残。交通事故在青少年发生意外伤害死亡中占首位原因。在步行交通事故中,危险人群为 5~9 岁儿童;在驾车事故中,危险人群是 10~14 岁儿童和 15~24 岁青少年。在中低收入国家,道路交通伤害造成的儿童死亡人数占儿童死亡总数的 96%。最安全国家与风险最高的国家存在很大差距:在最安全的瑞典,平均每 10 万个儿童中只有 1.5 个 15 岁以下的儿童死亡,而在最危险的国家韩国,平均每 10 万个儿童中就有 7.5 个死亡 [1]。我国每年超过 1.85 万名 0 岁至 14 岁儿童死于交通事故 ,大多都与儿童安全座椅有关,死亡率是欧洲的 2.5 倍、美国的 2.6 倍。有研究表明, 使用儿童安全座椅可将汽车碰撞事故中孩子的死亡率降低 71%,但目前我国儿童安全座椅的使用率不足 0.1%[4]。中国每年因交通事故造成中小学生及学前儿童伤亡人数超过万人,其中 2011 年中国共发生涉及中小学生及学前儿童的道路交通事故 12320起,造成 2670 人死亡、11417 人受伤 [2]。 交通事故成为中国 14 岁以下儿童的第一死因 [3]。1.2 儿童乘车安全意识状况以及儿童约束系统研究状况1.2.1 儿童乘车安全意识状况在儿童增高坐垫是配合儿童安全座椅使用的。1978 年,沃尔沃汽车制造了世界上第一个儿童安全增高坐垫,沃尔沃是较早提倡在儿童座椅上配备儿童增高坐垫的汽车厂商,并为此做了很多工作。沃尔沃的调查显示,当儿童到 3~4 岁时,面朝后的乘车方式对儿童来说是最安全的。在此之后,儿童的颈部更加强壮,可以面朝前乘车,使用标准成人安全带并配以安全带定位增高坐垫。增高坐垫使安全腰带从骨盆处绑定,从最低处贴大腿而过,不会到达腹部软组织以上。拉紧安全带并尽可能使其贴近身体,安全肩带斜对角贴胸部而过。安全肩带贴颈部而过不影响安全效果,如果安全带夹手臂下或从背后穿过,则在事故发生时起不 尔沃事故调查研究组证明,使用儿童安全坐垫可将危险降低 60%[5]。未及 140 厘米,年龄也未达 10 岁的孩子坐不进后向式儿童坐椅,此时可以选择增高坐垫。增高坐垫会将孩子身体垫高一截,发生碰撞时,安全带会绑住身体较强壮的部分。其中,安全腰带应紧贴骨盆,尽可能贴近大腿而不是腹部软组织;安全肩带应贴胸部而过,而且须拉紧。增高垫的作用是让孩子增加座位高度让安全带绑在正确位置,没装增高垫的安全带一般绑在了接近孩子的脖子的地方给孩子安全带来很大危害!1.2.2 欧美国家或地区儿童约束系统的发展及现状北京林业大学本科毕业论文1起初的儿童安全座椅结构单一,只是通过后向乘坐对儿童进行保护,当时也出现了 5 点式安全带,但是却没有对儿童进行侧面保护的结构。基于对儿童乘车事故的调查数据,人们逐渐认识到侧面保护对儿童安全的重要性,开始对儿童安全座椅进行不断的改进,在儿童头部、身体两侧及小腿部位都添加了反弹护垫,背部着力面更加柔软舒适,从而可以对儿童进行全方位的保护。同时,适应不同年龄段儿童体型的安全座椅也相继出现。儿童安全座椅首先在欧美等发达国家得到了发展,特别是 20 世纪 80 年代以来,欧美等国家相继出台相关的法规,强制儿童乘车时必须使用汽车儿童安全座椅,汽车儿童安全座椅因此得以迅速发展和普及,产品也逐步从泡沫制品向多元化新材料制品发展。有关儿童乘车安全的法规和标准的出台,对汽车儿童安全座椅的发展产生了巨大的推动作用。目前世界上主要有以下几大标准:欧洲 ECE R44/03 标准、美国 JPMA/ASTM、加拿大 CMVSS 213、日本 JIS 等,澳大利亚、中国台湾等地也相继颁布了对应标准。其中以欧洲的要求最为严格,人们使用汽车儿童安全座椅由自发使用转向了强制使用。欧美等国根据各国的不同情况,都制定了儿童安全座椅的检测方法。各国都对座椅的动态性能有着严格的技术要求,对于检测实验中座椅的移动量也规定得十分明晰。美国相关法规中,对座椅织物的耐磨强度、耐光强度,以及带微生物强度都提出了具体要求,与欧洲一样,进行盐雾试验,以考察抗腐蚀能力。此外,欧洲还对儿童安全座椅的能量吸收性、抗翻滚能力、耐高温性以及安全带的调节和卷收功能有严格限制。在欧洲,汽车儿童安全座椅的普及率已非常高,就像骑摩托车需要带头盔一样自然,儿童安全座椅甚至已成为一些整车出厂的必备辅件。在中国,儿童安全座椅的普及程度还处在初级阶段。不过,据有关部门表示,中国将于 2009 年对汽车儿童安全颁布相应的法规及标准,另外,从 2009 年开始 C-NCAP 也会增加儿童安全座椅方面的测试内容,这会对中国儿童安全座椅的推广和普及起到促进作用。1.2.3 我国儿童约束系统的发展及现状在中国,汽车儿童安全座椅的概念非常的薄弱。乘车时,家长习惯把孩子抱在怀中或者让孩子坐在自己腿上,或者让孩子坐在副驾驶位置上,或者给身材矮小的孩子系上成人用的安全带,这都有可能给孩子带来致命伤害。儿童的身体结构和特性与成年人差异很大,对于身体承受能力更弱的儿童,特别是婴儿,要求约束住的是身体的更多部分,有时是身体的不同部分。所以,儿童安全装置对儿童来说就如救命的护身符。是非常必需的。随着社会各界不断加强对于儿童生命安全的关注,儿童乘车安全被列入儿童生命安全的重要项目。中国 交通事故频发在儿童乘车方面的惊人数据更让越来越多的人不得不对此加以惊醒。儿童安全座椅也逐渐被人们了解并迫切需求。人们安全意识的不断提升更显现国内儿童安全座椅市场现状的狭窄。有不少母亲反映,也想过购买儿童座椅,但市面上要么儿童座椅太少,要么就无处购买,北京林业大学本科毕业论文2所以经常抱着侥幸心理让孩子乘车。但大部分车主都表示,根本不知道孩子还有安全座椅。有人士对此指出,绝大部分家长习惯把婴儿抱在怀里乘车,这是非常危险的举动。我国已经意识到缺失儿童安全座椅相关标准限值的严重性,在各行业关注汽车儿童安全座椅产业人士的共同努力下, 2011 年 12 月 30 日,国家标准化管理委员会出台《机动车儿童乘员用约束系统》 ,实施日期:2012-07-01 标准号:GB 27887-2011。此项系统的出台不仅对于汽车及 座椅生产起到督促监督作用,对于儿童安全乘车起到极大的保障作用 [6]。1.3 研究的方法、目的和意义1.3.1 研究方法汽车碰撞事故中有关儿童乘员安全研究的方法对于汽车碰撞中儿童乘员安全的研究涉及到汽车工程学、生物力学和医学等相关的学科,在研究中广泛使用了这些学科的研究方法。对汽车碰撞中儿童安全的研究,一般采取交通事故统计分析、试验研究及计算机仿真等方法。论文搭建的基于真车环境的儿童增高垫约束系统仿真平台,并利用 MADYMO 软件对其进行求解,从而分析儿童乘员在汽车正面碰撞过程中的运动学和动力学响应,验证儿童座椅的保护效果。1.3.2 研究目的及重点本文的研究目的是通过分析不同情况下儿童的响应来研究增高座椅对儿童乘员防护效果的影响。以下是本论文研究的重点:(1)建立仿真模型。(2)利用建立的模型,分析不同工况正面碰撞下 6 岁儿童乘员的各种损伤的变化,优化计算出儿童乘员的保护方案,期望能对增高垫的设计提供有效参考。1.3.3 研究意义国民经济和社会意义:中国平均每天至少有 19 名 15 岁以下的儿童因道路交通意外死亡,77 人受伤,自 20 世纪 60 年代以来,儿童安全保护一直是汽车安全设计要考虑的重要方面。近几年,有关儿童乘员保护方面的研究在欧美日等国家和地区得到了极大的关注,并出台了相应的标准、法规,使儿童乘员在车辆碰撞事故发生中得到了有效的保护。在我国,随着乘用车进入家庭,儿童乘员数量也在不断增加。交通事故造成的儿童伤亡远远高于其它原因对儿童造成的意外伤害。汽车配备的常规座椅、安全带约束系统和安全气囊是针对成年人设计的,在碰撞事故中儿童乘员面临的伤亡风险远高于成年人。因此,儿童乘员的防护成为汽车安全设计必须加以关注的重要问题。科学意义和应用前景:在对国外相关文献进行研究之后发现,在有关儿童乘员保护方面的研究中,汽车安全研究者对于婴幼儿乘车安全的关注要多于对于学童乘车安全的关注。NASS(the 北京林业大学本科毕业论文3National Accident Sampling System)事故数据库显示,学童乘员(5-12 岁)在事故儿童乘员总数中占有的比例较小,但他们却在受伤儿童乘员中占有的比例较大。因此,汽车安全研究者也应该给学童乘员和幼儿乘员同样的关注。本论文采用计算机仿真的方法,研究了增高型汽车儿童约束系统对 6儿童乘员响应的影响。本论文的研究工作为进一步研究学龄儿童乘车安全保护奠定了基础,可望对我国全面开展儿童乘车安全保护研究起到积极的推动作用。1.4 论文的结构这篇论文第二章将介绍汽车碰撞的相关理论,让读者对约束系统的工作机制以及儿童乘员的特殊要求有所了解,这也是所有儿童被动安全研究工作者设计或者分析一款 CRS 产品时首先需要了解的内容。第三章介绍国际上通用的儿童保护装置测试标准及法规,这些标准对 CRS 产品的测试和分析提出了具体的要求和参考。对于现有的各种 CRS 的一个较全面的概述将放在第四章,而在这章中还会会对 CRS 的正确使用和保护效果等问题进行讨论,考虑到本研究的具体情况,成人安全带系统和增高垫将是这章的重点。第五章介绍的是汽车碰撞儿童乘员安全性分析与设计领域的研究方法,重点介绍了利用计算机进行仿真分析以及其理论基础。第六章详细地介绍了仿真平台的搭建过程和方法,第七章利用建立的仿真平台对安全带系统预紧器和限力器安全性进行了初步的仿真研究。最后部分是对本文的一个总结和展望。希望通过这篇论文,能使人们意识到开展儿童乘员的正面碰撞安全性研究的必要性和现实意义,为我国儿童乘车安全研究积累经验,
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