汽车碰撞安全基础 (29).pdf
第11讲：行人碰撞保护1.行人碰撞事故特点和伤害2.行人下肢碰撞损伤机理研究3.车辆的行人碰撞保护性能评价方法4.车辆前端结构的行人碰撞保护设计知识点分割、停顿点行人碰撞事故特点和伤害某行人与车辆的碰撞事故视频Page 3近年来，尤其是在中国，越来越容易获得道路交通事故录像车辆与行人碰撞事故的场景Page 4车辆与行人的碰撞是经常出现的交通事故 欧盟2003年有4225例行人死亡占全部交通事故死亡人数的14%美国2006年有4784例行人死亡61,000 行人受伤 日本2008年有1976例行人死亡占全部交通事故死亡人数的33%中国2008年有23,000例行人死亡中国存有大量的人车混行的道路Page 5Refs:“IRTAD Road Safety Annual Report”,2009.“Traffic Safety Basic Facts 2005:Pedestrians”.“Global Status Report on Road Safety”,WHO,2009.大多数交通事故伤害属于“弱势”道路使用者群体Page 60%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%Delhi,IndiaBandung,IndonesiaColombo,Sri LankaThailandMalaysiaU.S.A.AustraliaNorwayJapanNetherlandsPedestriansBicyclistsMotorized 2-wheelersMotorized 4-wheelersOtherRef:Reported by WHO,2004.每年超过120万的道路交通事故死亡中的46%是易受伤害的道路使用者(WHO 2009)不同年龄组行人事故死亡统计数据Page 7Distribution of Pedestrian Fatalities by Age0%10%20%30%40%50%60%70%00-14 Years15-24 Years25-64 Years65 Years and moreAustraliaJapanUSAEU*EU Data=Original 15 EU countries except Belgium and GreeceSource=IRTAD data for 2002.注意老龄社会的问题行人交通事故的发展趋势Page 8Pedestrian Fatality Trend050001000015000200001975198019851990199520002005YearNumber of FatalitiesGermanyUKEUUSAJapanIRTADA,20021980-2000年行人死亡人数在发达国家下降Relative evolution in fatalities by user groupJanuary 2000=Index 1002000年以来行人在事故中死亡比例下降原因之一：制动技术的提高降低了碰撞速度Ref:“IRTAD Road Safety Annual Report”,2009.行人与车碰撞伤害及特征 Danner(1979)3000 真实的车辆与行人碰撞事故 年长者更多发生下肢及骨盆的骨折伤害 儿童较大几率发生头部，躯干伤害 Otte(1994),Medical University of Hannover 较短汽车前端结构可能会对高大身材的行人造成更大的伤害风险 头部伤害形式与乘员舱内乘员头部碰撞类似，为直接碰撞Page 9 Kajzer(1997&1999)用尸体试验研究下肢伤害 高速碰撞(40 km/h)主要伤害是骨折 低速碰撞(20 km/h)主要伤害是膝关节的韧带损伤 弗吉尼亚大学(2003&2004)用尸体试验研究下肢伤害 真实碰撞事故中并未观测到纯剪切造成的膝关节损伤 真实事故中的膝关节损伤是由弯曲和剪切共同造成的行人假人碰撞测试40 km/h（2009.8.23）Page 10注意行人身体各部位碰撞接触的时间：下肢,骨盆,头部行人与车辆碰撞的运动响应和伤害 运动学响应下肢与保险杠及小腿支撑结构接触髋部与汽车前缘接触头部与发动机罩盖或风挡接触 头部碰撞可能导致严重或致命损伤 下肢伤害比例大，膝关节伤害可能导致终身残疾Page 11知识点分割、停顿点行人下肢碰撞损伤机理研究有限元人体模型Total Human Model for Safety THUMS 丰田汽车公司开发(Maeno and Hasegawa2001)以行人整体的响应进行验证 下肢经过行人碰撞验证Page 13行人下肢损伤研究 THUMS 行人模型与轿车模型碰撞仿真Page 14下肢损伤的影响因素：相对接触位置，角度，接触速度“硬车”vs.“软车”造型和几何尺寸 高速 vs.低速 人体姿态，身材，体重，行人下肢碰撞损伤机理 站立姿态与行走姿态差别 传力路径不同，行走姿态没有膝盖的直接接触，髋部对于下肢运动影响更为显著 行走姿态下肢约束较少，骨骼损伤风险更低 行走姿态下肢惯性效应小，弯曲角度大，韧带损伤风险提高Page 15以应力和等效塑性应变评价骨折以最大拉伸方向应变评价膝关节韧带损伤站立姿态行走姿态髋部转动较大的弯曲角度参考文献唐吉思 周青.清华大学研究课题，2014，待发表.知识点分割、停顿点车辆的行人碰撞保护性能评价方法车辆的行人碰撞保护性能评价和研究方法Page 17行人假人和尸体试验需要控制立姿法规评价基于人体模块冲击试验大腿/髋部冲击器Legform impactor儿童头模块冲击器成人头模块冲击器腿模块冲击器这些方法各有利弊人体模型仿真欧洲法规中行人模块试验(78/2009/EC)&Euro-NCAPPage 18髋部与罩盖前缘的碰撞髋部与罩盖前缘的碰撞腿模块与保险腿模块与保险杠的碰撞杠的碰撞儿童头与罩盖的儿童头与罩盖的碰撞碰撞成人头与罩盖的成人头与罩盖的碰撞碰撞髋部大腿冲击器成人和儿童头模块 碰撞速度：40 km/h 容易进行试验控制和评价法规在改变，但原理相同，参考GTR下肢冲击器行人模块冲击试验视频基于行人模块试验评价方法的利弊 基于模块冲击器的试验易于控制，重复性好，但未考虑行人整体动力学的影响 关于腿部冲击器试验Ishikawa(2003)认为整体假人试验中由于躯干的惯性会造成膝关节剪切位移以及弯曲角度更大Harris(1991)提出，膝关节损伤以及腿部骨折在整个碰撞的早期发生，所以躯干的影响可以忽略Page 19髋部与罩盖前缘的碰撞髋部与罩盖前缘的碰撞腿模块与保险腿模块与保险杠的碰撞杠的碰撞儿童头与罩盖的儿童头与罩盖的碰撞碰撞成人头与罩盖的成人头与罩盖的碰撞碰撞EEVC 腿部冲击器(1998)膝关节有两个自由度，代表大腿和小腿之间的测向剪切位移变形及弯曲转动 对于行走姿态或者斜向碰撞工况下的行人响应并不准确 Kuehn(2003),56%的行人事故中行人处在行走姿态 Jiao(2001),66%属于侧碰或斜向碰撞Page 20腿部冲击模块设计改进 FLEX-PLI 腿模块（2002年后开发）可弯曲的股骨和胫骨代表更高的生物仿真度 应用于 Global Technical Regulation GTR9Page 21 四自由度膝关节腿部模块 更好的表达人体膝关节的解剖学及运动学特征 可评价多方向的行人与车辆碰撞参考文献：周青 等.用于人体碰撞保护试验的四自由度假人膝关节机构.中国发明专利 ZL200610011609.4.JAMA Japan Automobile Manufacturers Association JARI Japan Automotive Research Institute行人假人的发展 POLAR假人(本田 2001)基于THOR假人硬件由NHTSA/GESAC开发(Haffner 2001)有限元模型由NHTSA/Volpe开发(Zhou 2002,Yu 2004)仿生膝关节结构以及可变形的胫骨结构的响应与 Kajzer进行的尸体试验较为吻合可以重现行人与车辆碰撞中行人的响应过程可以耐受 50km/h 速度下的试验Page 22Post Mortem Human Surrogate(PMHS)尸体试验 完整尺度下的行人碰撞系统(Kam 2005)基于文献调研，多体建模以及流行病学的研究是行人模型的生物仿真度验证的必要基础Page 23 可以重现运动学以及伤害 难以操作 试验对象的变差较大 试验重复性不好知识点分割、停顿点车辆前端结构的行人碰撞保护设计车辆前端结构的行人碰撞保护设计 下肢 伤害评价指标模块加速度表征骨折膝部弯曲角度和剪切位移表征韧带损伤 设计参数保险杠刚度保险杠与副保险杠（lower stiffener）在竖直和前后方向上的相对位置Page 25参考文献Neal et al.A Response Surface-Based Tool for Evaluating Vehicle Performance in the Pedestrian Leg Impact Test.SAE 2008.黄俊.面向行人下肢碰撞保护的汽车前端结构快速优化设计研究.清华大学博士学位论文.2012.聂冰冰.考虑乘员身材和碰撞强度差异的约束系统影响参数研究.清华大学博士学位论文.2013.车辆前端结构的行人碰撞保护设计 头部 伤害评价：HIC 车辆保护评价：汽车罩盖及风挡大部分位置 设计挑战 罩盖下方吸能空间有限 造型、重量、成本、制造等多方面的约束 设计要点 控制碰撞波形，优化多个碰撞峰值和HIC 同一罩盖结构设计，平衡不同位置的碰撞响应及车辆整体评价指标Page 2602004006008001000050100150200051015202530HIC头模块合成加速度（g）碰撞时间（ms）t=11 ms 时，罩盖边界条件介入a4：与罩盖下方发动机部件碰撞阶段 1阶段 2阶段3阶段4（开始反弹）HIC=365(0.5 ms 12.5 ms)a1：与罩盖外表面碰撞a2：罩盖自身开始产生较大变形头部模块合成加速度（9.81m/s2）参考文献刘奇.满足行人头碰撞保护要求的汽车发动机罩盖设计的研究.清华大学博士学位论文.2009.聂冰冰.考虑乘员身材和碰撞强度差异的约束系统影响参数研究.清华大学博士学位论文.2013.车辆前端结构的行人碰撞保护设计 头部 专利设计：通过夹层罩盖控制和优化碰撞波形 均匀化罩盖刚度分布 控制罩盖随动质量和刚度 提高碰撞第一峰（罩盖接触产生），控制第二峰（发动机接触产生），优化吸能空间Page 270250500750100012501500050100150200250300024681012141618HIC头模块合成加速度（X 9.81 m/s2）碰撞时间（ms）夹层板结构原罩盖结构HIC=397(1.2 ms-4.2 ms)HIC=1390(14.7ms-16.4 ms)外罩盖夹层板支撑板内罩盖减震胶参考文献4项美国专利：7,635,157;7,735,908;7,690,720;8,991,902聂冰冰.考虑乘员身材和碰撞强度差异的约束系统影响参数研究.清华大学博士学位论文.2013.车辆前端结构的行人碰撞保护设计 髋部 伤害评价指标：碰撞加速度（力）和弯矩 碰撞方向不变，一维碰撞问题动能，碰撞力，吸能空间，刚度，随动质量 设计挑战处于下肢碰撞防护结构和头碰撞防护结构的交界区域下方部件情况复杂（水箱，罩盖锁等）可用吸能空间不均衡FupFlow髋部模块冲击力Fi=Fup+Flow前面部件惯性力Fa=mF a车辆端接触力Fc车辆前端结束点思考：与车辆碰撞，骑车人和行人有什么区别？40 km/h
