汽車側(cè)面氣囊對(duì)老年乘客的安全防護(hù)效率研究

李力婕　莊苗云　王立　洪建武　黃萍

摘要：本問(wèn)介紹了我國(guó)汽車側(cè)面安全氣囊對(duì)老年乘客的安全防護(hù)效率的研究方法。利用仿真實(shí)驗(yàn)研究老年乘客在汽車側(cè)面碰撞中頭、頸、胸三個(gè)部位所受到的傷害，結(jié)合相應(yīng)的國(guó)家法律法規(guī)中對(duì)于頭、頸、胸三個(gè)部位損傷機(jī)理的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：老年乘客；側(cè)面碰撞；安全氣囊

1.研究老年乘客防護(hù)效率的必要性

通常來(lái)說(shuō)，人進(jìn)入老年后身體狀況就開始下滑，對(duì)于外界傷害的承受能力也大如青年人。數(shù)據(jù)顯示，50歲以上的人群中，1/3女性、1/5男性會(huì)受到骨質(zhì)疏松的威脅，60歲以上的女性骨質(zhì)疏松達(dá)到50%。在我國(guó)，70到80歲的人群的骨質(zhì)疏松發(fā)病率幾乎達(dá)到100%。因此，在車輛側(cè)面碰撞事故中，老年乘員面臨較高的傷亡風(fēng)險(xiǎn)，尤其是對(duì)于近碰撞側(cè)位置的老年乘員而言。目前，越來(lái)越多的車輛通過(guò)配置側(cè)面安全氣囊來(lái)提高側(cè)面碰撞中乘員的安全性，后排座椅位置側(cè)面安全氣囊的設(shè)計(jì)應(yīng)兼顧老年乘員的安全防護(hù)。由此可見(jiàn)，研究側(cè)面安全氣囊對(duì)老年乘員的安全防護(hù)效率是時(shí)代發(fā)展的必然趨勢(shì)。

本項(xiàng)目所做的汽車側(cè)面安全氣囊對(duì)老人的防護(hù)效率，主要分析碰撞中側(cè)面安全氣囊動(dòng)態(tài)展開條件下對(duì)在位老年乘員的安全防護(hù)效率，特別是老年人在遭遇車禍安全氣囊彈出后的一系列情況。

2.側(cè)面安全氣囊作用原理

汽車受到碰撞方.向有多種可能，除了常見(jiàn)的正面碰撞和后部碰撞，還有可能受到來(lái)至側(cè)面的撞擊。車上裝備了側(cè)安全氣囊，主要保護(hù)乘員的上半身軀干和盆骨，避免因撞擊給乘員帶來(lái)的側(cè)面損傷。側(cè)面安全氣囊集成在前部座椅的靠背中。被折疊的安全氣囊和氣體發(fā)生器安裝在塑料殼體內(nèi)，當(dāng)側(cè)面安全氣囊被觸發(fā)時(shí)，氣體發(fā)生器中的氣體艙被打開。這時(shí)氣盒中具有高壓的氣體瞬時(shí)膨脹，從而使得安全氣囊也膨脹。側(cè)面安全氣囊的氣體容量約為12升，駕駛員和前座乘客安全氣囊的充氣體積分別為65升和120升。

3.汽車側(cè)面碰撞中頭、頸、胸的損傷機(jī)理

在汽車側(cè)面碰撞中，人體的頭部主要傷害形式有頭皮挫傷、顱骨破裂、腦組織損傷。其損傷機(jī)理在于汽車受到側(cè)面碰撞時(shí)，乘員由于慣性作用而與側(cè)面車床或者其他部件相撞，從而導(dǎo)致上述傷害。

在汽車側(cè)面碰撞中，人體的頸部主要傷害形式有軟組織損傷、骨折和脊椎損傷。頸部運(yùn)動(dòng)形式主要是側(cè)向彎曲和扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。人們對(duì)其損傷機(jī)理并沒(méi)有得到完全認(rèn)識(shí)。一般認(rèn)為在側(cè)面碰撞過(guò)程中乘員頸部在頭部慣性載荷作用下，肌肉和韌帶拉傷；由于椎骨上壓力過(guò)大而產(chǎn)生骨折。骨折后碎片進(jìn)入脊椎腔而造成脊椎損傷。研究表明，頸部的柔韌性在一般載荷條件下能保證其免受傷害，但是當(dāng)頸部?jī)啥硕际艿郊s束時(shí)，其柔韌性的極限很快會(huì)被超過(guò)，從而造成頸部損傷。由于側(cè)面碰撞中，安全帶對(duì)人的運(yùn)動(dòng)約束有限，頭部很容易與車輛相碰，從而產(chǎn)生上述兩端都受到約束的情況。

在汽車側(cè)面碰撞中，人體的胸部主要傷害形式有軟組織損傷、肋骨骨折、心臟和肺挫傷、血管破裂、心臟穿孔等。在側(cè)碰過(guò)程中，人體胸部主要受到安全帶的勒緊力以及車門等外物的鈍性沖擊力，加上人體自身的慣性力，從而造成胸部擦傷、挫傷和骨折。

當(dāng)然僅僅知道人體在車禍中的損傷機(jī)理還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。我們還需要一定的指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)損傷的程度。在本次課題中，我們著重研究頭、頸、胸三個(gè)部位的受傷情況。對(duì)于頭、頸兩個(gè)部位，我們嚴(yán)格遵照GB20071-2006《汽車側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)》中規(guī)定來(lái)評(píng)定是否滿足標(biāo)準(zhǔn)，如不滿足則判定該安全氣囊防護(hù)效率低。利用公式 來(lái)算出頭部傷害指標(biāo)，判斷HIC值是否<=1000，若大于1000就不符合標(biāo)準(zhǔn)。利用公式：V（t）= 來(lái)計(jì)算頸部傷害指標(biāo)，若所得VC值大于1.0m/s則不滿足標(biāo)準(zhǔn)。由于在《汽車側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)》中沒(méi)有給出評(píng)價(jià)頸部的傷害指標(biāo)，我們則利用Aldman提出的頸部損傷機(jī)理中頸部損傷準(zhǔn)則（NIC）來(lái)作為頸部受傷的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。利用公式： 計(jì)算NIC值從而判斷。

4.仿真模擬方法的確立

利用有限元軟件的強(qiáng)大建模功能及其接口工具，可以很逼真地建立三維人體骨骼、肌肉、血管、口腔、中耳等器官組織的模型，并能夠賦予其生物力學(xué)特性。在仿真實(shí)驗(yàn)中，對(duì)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)條件仿真，模擬拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)、抗疲勞等力學(xué)實(shí)驗(yàn)，可以求解在不同實(shí)驗(yàn)條件下任意部位的變形，應(yīng)力、應(yīng)變分布，內(nèi)部能量變化及極限破壞情況。所以，將采用計(jì)算機(jī)軟件建立汽車側(cè)面碰撞仿真模擬。

此次計(jì)算機(jī)仿真模擬將利用HyperMesh、MADYMO和LS-DYNA軟件。在HyperMesh軟件中對(duì)導(dǎo)入的整車CATIA數(shù)模進(jìn)行有限元模型的建立，最后生成K文件。MADYMO軟件中有著全世界最好的機(jī)械假人的數(shù)學(xué)模型和歐洲人體模型項(xiàng)目最新開發(fā)的HUMO2的數(shù)學(xué)模型，氣囊是由兩塊平行的圓平面來(lái)模擬的，氣囊?guī)缀涡螤钔ㄟ^(guò)有限元模型來(lái)模擬。氣囊的有限元模型是采用三節(jié)點(diǎn)的三角形膜單元來(lái)建立的，由2048個(gè)膜單元1027個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。研究汽車碰撞過(guò)程中乘員的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，從而為交通事故中乘員損傷程度的判定及它們對(duì)乘員安全影響的研究提供科學(xué)依據(jù)。同時(shí)安全帶仿真模型的建立也將在MADYMO中實(shí)現(xiàn)。也就是說(shuō)HyperMesh負(fù)責(zé)整車模型和移動(dòng)壁障的建立，MADYMO負(fù)責(zé)假人、安全氣囊和安全帶的建立。最后將整車模型和假人、安全氣囊和安全帶整合在一起，在LS-DYNA軟件上進(jìn)行碰撞，計(jì)算分析出我們所需要的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

5.小結(jié)

所以，此次研究采用計(jì)算機(jī)軟件建立仿真模型，并通過(guò)側(cè)面碰撞仿真試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)。對(duì)側(cè)面碰撞條件下，有、無(wú)側(cè)面安全氣囊展開時(shí)，安全帶肩帶有松弛、安全帶肩帶位于背后、安全帶肩帶位于胳膊下方和正確使用安全帶的乘員的頭、頸及胸部的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比分析。最后，在仿真模擬中得出的頭、頸、胸的受力數(shù)據(jù)與老年人頭、頸、胸所能承受的最大力進(jìn)行比對(duì)得出研究結(jié)果。

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