（光学工程专业论文）汽车低速后碰撞中安全座椅的设计参数对颈部损伤的影响.pdf

硕卜学位论文 摘要 在后碰撞导致的各种损伤类型中，颈部损伤占到全部损伤的9 0 以上。而 后碰撞交通事故大部分都是在低速( 小于2 5 k m h ) 情况下发生的。因此，如何 防止低速后碰撞导致的颈部损伤就成了车辆安全领域一个亟待解决的问题。 本论文通过研究安全座椅设计参数和颈部损伤之间的关系，试图通过优化座 椅的刚度和几何结构等设计参数来减少低速后碰撞中产生的颈部损伤。为了较好 地研究座椅设计参数和颈部损伤之间的关系，本论文主要采用两种研究方法，分 别是有限元方法和多刚体动力学方法。 在使用有限元方法时，首先建立并验证了一个有限元假人和一个实验座椅模 型，验证结果表明有限元假人模型和实验座椅模型的组合能够较好地模拟志愿者 实验。采用正交实验设计方法，以n i c 为主要评价指标，以t 1 相对头部的最大 转角为辅助评价指标，探讨了座椅系统中靠背和头枕的刚度在低速后碰撞中对颈 部损伤的影响。在参数分析中选取了两种加速度脉冲，一种脉冲加速度平均值为 3 1 9 ( 相对速度为7 k m h ) ，另一种脉冲加速度平均值为6 9 ( 相对速度为1 5 k m h ) 。 在使用多刚体动力学方法时，首先利用m a d y m o 软件建立并验证了一个后 碰撞仿真模型，然后利用该后碰撞模型进行仿真试验，研究座椅的几何参数，如 头枕与头部的位置、靠背倾角和座垫倾角对颈部损伤的影响。 本论文仿真分析研究工作可得到如下主要结果和结论： 有限元座椅假人系统模型的分析结果表明，与最初的安全座椅相比，使用 最优设计参数的安全座椅后n i c m 。x 减少了3 1 7 ，0m 。减少了4 6 3 。由此可 知，优化后的座椅大大降低了颈部损伤的风险。靠背刚度参数仿真分析结果表明， 在较低速度( 7 k m h ) 和中等速度( 1 5 k m h ) 的后碰撞情况下，在一定的弹簧刚 度范围内，座椅靠背的刚度越低，尤其是靠背上端部分的刚度越低，n i c m 。也 越小，颈部损伤的可能性就越低，座椅对人体颈部的保护作用就越好。 多刚体动力学座椅假人系统模型仿真分析结果显示，适当地减小头枕与头 部的水平距离和竖直距离，可以减小颈部损伤的风险。过大或者过小的靠背倾角 和座垫倾角都会增加颈部损伤的风险。 关键词：颈部损伤：低速后碰撞；颈部损伤准则；安全座椅；设计参数 汽乍低速后碰掩中安伞座椅的设计参数对颈部损伤的影响 a b s t r a c t o v e r9 0 o fi n j u r i e si nr e a re n di m p a c t sa r en e c ki n j u r i e s a c c o r d i n gt ot r a f f i c a c c i d e n ta n a l y s i si ng e r m a n y ，n e c ki n j u r i e so f t e no c c u h e di nr e a 卜i m p a c t sa tl o w i m p a c tv e l o c i t i e s ，t y p i c a l l yl e s st h a n2 5k m h s oh o w t op r e v e n tn e c ki n j u r i e sf r o m l o ws p e e dr e a ri m p a c t sb e c o m e sa ni n c r e a s i n gp r o b l e mi nt h ef i l e do fv e h i c l es a f e t y t h ea i mo fp r e s e n tp a p e rw a st 0i n v e s t i g a t et h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nd e s i g n p a r a m e t e r so fs e a ta n d n e c ki n j u r i e sa n dr e d u c et h er i s ko fn e c ki i l j u r i e si nl o w - s p e e d r e a r e n di m p a c t sb yo p t i m i z i n gt h es e a td e s i g np a r a m e t e r s i nt h i sp a p e r ，f i n i t e e l e m e n tm e t h o da n dm u l t i b o d ym e t h o dw e r eu s e d af i n i t ee l e m e n tm o d e lo fr e a r e n di m p a c td u m m ya n dal a b o r a t o r ys e a td e n o t e d vw e f ev a l i d a t e d t h ev a l i d a t i o ns h o w e dt h a ts i m u l a t i o nr e s u l t sa g r e e dw e hw i t ht h e v o l u n t e e rt e s tr e s u l t s b a s e do nt h ev a l i d a t i o n ，t h er i g i d i t yo fh e a dr e s t r a i n ta n ds e a t b a c kw e r ev a r i e da n dt h e i ri n f l u e n c eo nn e c ki n j u r yd u r i n gl o w - s p e e dr e a r e n d i m p a c tw e r er e s e a r c h e db ym e a n so f0 r t h o g o n a le x p e r i m e n t a ld e s i g n ( o e d ) m e t h o d i nt h eo e dm e t h o d ，n e c ki n j u r yc r i t e r i o nw a sc o n s i d e r e da st h em a i nc r i t e r i o na n d t 1r e l a t i v eh e a da n g l ea 1 0 n gt h eya x i sw a sc o n s i d e r e da st h es e c o n d a r yc r i t e r i o n i w ok i n d so fc r a s hp u l s ew e r eu s e di nt h ep a p e r o n eo fa v e r a g ea c c e l e r a t i o ni s3 1 9 a n dd e l t av e l o c i t yi s7 k m h ，t h eo t h e ri s6 9a n dd e l t av e l o c “yi s1 5 k m h b e s i d e s ，am u l t i b o d ym o d e lo fr e a r - e n di m p a c tw e r ed e v e l o p e da n dv a l i d a t e d b a s e do nt h ev a l i d a t i o n ，t h ei n n u e n c eo fd i s t a n c eb e t w e e nh e a da n dh e a d r e s t r a i n ， o b l i q u i t yo fs e a tb a c ka n ds e a tc u s h i o no nn e c ki i l j u r yw e r er e s e a r c h e d a c c o r d i n gt os i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sw e r e m a d e t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tn l c m a xw a sr e d u c e db y3 1 7 a n d 0m a x w a sr e d u c e db y4 6 3 b e s i d e s ，w i t h i np r o p e rs t i h n e s s0 fs p r i n g s ， t h e1 0 w e r s t i f f n e s so fs p r i n g so fs e a tb a c k ，e s p e c i a l l yt h es t i f f n e s so fs p r i n g s0 ft h eu p p e rs e a t b a c k ，t h el o w e rn i c m a xa n dt h eb e t l e rp r o t e c t i o nf r o mn e c ki n j u r i e s s i m u l a t i o nr e s u l t so fm u l t i - b o d ym o d e ls h o w e dn e c ki n j u r i e sb e n e f i tf r o m r e d u c i n gd i s t a n c eb e t w e e nh e a dt oh e a d r e s t r a i na n dm o r el a r g eo rs m a l lo b l i q u i t y0 f s e a tb a c ka n dc u s h i o ni n c r e a s et h er i s ko fn e c ki n j u r i e s k e yw o r d s ： n e c ki n j u r i e s ；l o w - s p e e dr e a 卜e n di m p a c t ；n e c ki n j u r yc r i t e r i o n ； a u t o m o t i v es e a t ；d e s i g np a f a m e t e f s 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：衢魔 日期：慨，月杉日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：案锻 导师签名：书2 ，。 、唯f 日期：吁年y 月日 日期： 以年j 月彩日 硕：t 学位论文 第1 章绪论 1 1 本课题的研究背景及其意义 根据碰撞方向的不同，车辆的碰撞类型可以分为前碰撞、后碰撞、侧碰撞和 斜碰撞等。日本交通安全协会( j a p a nt r a f f i cs a f e t ya s s o c i a t i o n ) 根据不同的碰 撞类型统计得到的1 9 9 6 年的交通事故情况如图1 1 所示。 l ( a ) 乘员死亡事故分布( b ) 乘员死亡事故分布 图1 11 9 9 6 年日本交通事故统计1 1 如图1 1 ( a ) 所示，在导致乘员死亡的事故中，前碰撞的比例最大，几乎占 到所有碰撞类型的一半，如果加上右前侧斜碰撞和左前侧斜碰撞的话，这个比例 将高达7 3 4 。其次是侧碰撞，左侧碰撞和右侧碰撞加起来占到总数的2 1 2 ， 而后碰撞只占到总数的2 5 ，这个比例是很小的。 与之形成鲜明对比，在导致乘员受伤的事故中后碰撞占到的比例最大，高达 4 3 5 ，而前碰撞只占到2 0 ，侧碰撞( 左侧碰撞加右侧碰撞) 也只占到1 3 3 。 在后碰撞导致的各种损伤类型( 包括颈部损伤、胸部损伤和下肢损伤等) 中， 颈部损伤占到全部损伤的绝大部分。如以1 9 9 7 年日本交通事故统计情况为例 ( 如图1 2 所示) ，后碰撞事故导致的乘员损伤占到全部交通事故的4 9 4 ，而 由这些后碰撞导致的各类损伤中，颈部损伤就占到所有事故损伤的4 4 7 ，即后 碰撞中导致的各类损伤中，有9 0 以上( 4 4 7 4 9 4 ) 是颈部损伤。而j a k o b s s o n 等人又发现，后碰撞导致的颈部损伤9 8 3 是a s l l ，即绝大多数都是轻度损伤心1 。 j j 厶 尔 岫 g 上 菡 $ 举 6 0 0 全部受伤人数5 6 3 ，1 2 1 图1 2 颈部损伤在后碰撞所有受伤人与员中的分布情况 在这些后碰撞交通事故中，大部分都是在低速情况下发生的。根据德国的交 通事故数据，后碰撞中车速变化量的分布图如图1 3 所示凹3 。 5 0 0 假 4 0 0 0 3 0 0 0 j i 2 0 0 0 j l l o 0 0 ，l 0 0 0 4 ：隅 9 79 n 啦 2 ：i b 。_ 旦o 0 0 9 i 目 器 c q i 譬 图1 3 后碰撞中车速变化量的分布图日1 从图1 3 可以得知，9 4 的颈部损伤是在车速变化量小于2 5 k m h 的后碰撞 中发生的。因此如何防止低速后碰撞中产生的颈部损伤就成为车辆安全领域的一 个亟待解决的问题，而这个问题在近十多年来尤为突出。上世纪八、九十年代， 在欧美和日本等发达国家，后碰撞，尤其是低速后碰撞导致的颈部损伤大大增加， 而且呈逐年递增的趋势，如图1 4 所示。各国用于颈部损伤的费用也随之增加。 美国每年用于颈部损伤问题的花费超过1 9 0 亿美元，而在瑞典，用于事故保险的 赔偿金有4 3 5 0 万美元，这还不包括医疗和其他费用。在英国，颈部损伤每年造 成的经济负担是2 5 亿英镑，相当于3 9 亿美元h 】。 本论文通过研究安全座椅的设计参数和颈部损伤之间的关系，试图通过优化 座椅的结构和刚度等设计参数来降低后碰撞中产生的颈部损伤，对减轻交通事故 侧碰撞前碰撞 后碰撞 言】iol价茸】i价nin o，11i】i价【l 言)iio 硕一 ：学位论文 中乘员的颈部损伤、减少乘员的治疗费用等都用较大的益处。同时，由于颈部损 伤在汽车碰撞中容易发生，该项目的一些研究理论对乘员正确使用头枕和正确的 坐姿有一定的指导意义。因此本项目具有现实的经济和社会意义，可为我国汽车 安全研究领域作出一定责献。 百比= 燃 0 10 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 3 0 0 0 0 04 0 0 0 0 0 颈部损伤的人数 图1 4 在车与车的碰撞中颈部损伤人数占所有损伤人数的情况 1 2 本课题的主要研究内容 本课题的主要研究内容如下： 1 ) 关于安全座椅和人体颈部损伤的文献研究，包括安全座椅的研究现状及 其发展趋势、颈部损伤生物力学、损伤机理及其颈部损伤的评价准则。 2 ) 后碰撞假人模型的完善和验证，对三个不同的有限元后碰撞假人模型进 行后碰撞试验的验证，并分别对这三个假人模型的验证结果进行分析和对比。 3 ) 以颈部损伤准则( n i c ) 的最大值为主要评价指标、以t 1 相对头部的最 大转角为辅助评价指标，对座椅靠背和头枕的刚度进行单参数研究，分析座椅靠 背和头枕的刚度对颈部损伤的影响，并分析造成这种影响的原臣， 4 ) 采用正交试验设计方法对座椅靠背和头枕刚度进行多参数多目标研究， 研究座椅靠背和头枕的刚度对颈部损伤的影响趋势，并寻找出一定刚度范围内的 最佳组合，使颈部损伤的风险降到最低。 5 ) 改变座椅的边界条件，使碰撞脉冲的速度变化量从原来的7 k m ，h 增加 1 5 k m h ，研究较高速度下座椅靠背和头枕的刚度对颈部损伤的影响，并与较低 速度的情况进行比较，分析其原因。 - 孓 酚虬 趵 9 8 盯 髂 p c 汽车低速后碰撞中安伞座椅的设计参数对颈部损伤的影响 6 ) 利用m a d y m o3 d 多刚体动力学软件建立并验证一个后碰撞仿真模型， 然后利用后碰撞模型进行仿真试验，研究座椅参数对颈部损伤的影响。 1 3 安全座椅的研究现状及其发展趋势 1 3 1 头枕 头枕是为了减少交通事故中的颈部损伤而研制开发的。它的第一个作用是减 少后碰撞中头部和颈部的相对运动。第二个作用是使乘客在前碰撞中形成反弹并 防止前排乘客在车辆碰撞时被抛向后面而与后排乘客相撞。 二十世纪五十年代，块状的头枕( p a d d e dh e a dr e s t r a i n t s ) 被提议捆绑在座 椅靠背的顶部，作为颈部损伤的预防对策。1 9 6 4 ，m a c n a b 提出了“过度伸展” ( n e c kh y p e r e x t e n s i o n ) 的颈部损伤机理拍6 1 。基于m a c n a b 的过度伸展理论，1 9 6 9 年，r u e d m a n r i 发明了真正意义上的头枕，以阻止乘员在后碰撞中由于过度伸展 而造成的颈部损伤。随后的研究导致各国对头枕的立法要求。 1 9 6 8 年，美国规定所有客车生产商所生产的客车必须安装头枕才能出售， 这个法规于1 9 6 9 年1 月1 日正式生效。此后，该法规扩展到卡车、多功能乘用 车( 如有篷乘用车和运动型车) 和总重在l o ，0 0 0 磅左右的公交车，并于1 9 9 1 年9 月1 日起实施。澳大利亚汽车生产商在二十世纪六十年代末在汽车生产中引 进头枕，1 9 7 2 年a d r2 2 规定在澳大利亚市场上出售的汽车必须在前排座椅( 驾 驶员座位和前排乘客座位) 安装头枕，而后排座椅并不作任何强制规定。 为了满足不同群体的要求和给不同高度的乘员都能提供足够的头部约束，在 固定头枕的基础上，汽车生产商和零部件供应商们又开发了可调式头枕，即头枕 的几何尺寸可以在一定的范围内进行调整。一般来说，这种调整目前还只局限于 头枕高度的调整。但是可调式头枕开发出来以后，它的保护效果受到很多学者的 质疑。j a n e l l a 等人发现，尽管男性和女性都不经常调整可调式头枕，但是相对 男性来说，女性更不喜欢调整可调式头枕，男性和女性的比例分别是6 4 和 8 0 n 。n y g r e n 等人研究发现，在瑞典，座椅上安装头枕后，后碰撞中的颈部损 伤平均减少了2 0 ，其中安装固定头枕的减少了2 4 ，安装可调式头枕的减少 了1 4 ，也就是说可调式头枕的保护效率比固定头枕的保护效率低1 0 哺1 。 1 3 1 1 头部和头枕之间的距离对颈部损伤的影响 在所有的参数中，头部与头枕的距离对颈部损伤的影响最大，这是因为头部 和头枕之间的距离与头部相对于颈部的运动关系最大。头部和头枕之间的距离又 可以细分为水平距离和垂直距离。相对垂直距离来说，水平距离对颈部损伤的影 响更大。j u d s o n 等人发现，水平距离和垂直距离对头部向后运动的质心加速度 ( 相对于人体上部躯干) 都有很重要的影响。水平距离还对头部向后旋转( 相对 4 硕十学位论文 于人体上部躯干) 有重要影响，而垂直距离却和头部在弯曲阶段的质心加速度( 相 对于人体上部躯干) 有非常重要的影响阳1 。h e l l 等人发现，头枕与头部之间的距 离是影响头部作用力的最主要因素。而头部质量对头部的作用力的影响最小。随 着头枕与头部距离的增加，头部的作用力和水平加速度都会随着减小n 引。 1 3 1 2 头枕的保护效果 1 9 8 2 年k a t h l e e n 研究分析了1 9 7 2 ，1 9 7 4 和1 9 7 7 三年内驾驶员颈部损伤情 况，并将1 9 6 8 的车型和1 9 6 9 年的车型( 1 9 6 8 年的车型没有按照头枕，而1 9 6 9 的车型安装了头枕) 的数据进行比较。结果表明，安装头枕的车型大约减少了 1 3 的颈部损伤，其中固定头枕减少了1 7 ，可调式头枕减少了1 0 3 。 f a r m e r 等人在1 9 9 9 年发现，汽车安装具有良好或者中等几何形状的头枕和 安装保护性能较差的头枕型相比，前者可以减少女性投诉颈部损伤保险h 1 。 j a k o b s s o n 等人发现，中等身材的女性和高个子男性发生颈部损伤的几率基 本相同。这表明头枕的高度并不是发生颈部损伤的唯一因素瞳1 。发生颈部损伤的 几率还和头部和头枕之间的水平距离、座椅靠背的刚度等有关。 1 3 1 3 各国安全法规对头枕的要求 汽车座椅头枕是汽车被动安全方面重要的组成部分，座椅头枕安全性能的优 劣直接关系到车内乘员在车辆发生追尾事故中的人身安全。在国际上，欧洲经济 委员会( e c e ) 、美国、日本、澳大利亚等发达国家针对座椅头枕的安全性能均 已制定了一系列的技术法规和标准，以规范汽车座椅头枕的设计生产，提高座椅 头枕的被动安全性能n 引。我国自上世纪九十年代以来，也相继制定了国家强制 性标准g b l l 5 5 0 1 9 9 5 汽车座椅头枕性能要求和试验方法等相关标准法规。 1 9 9 9 年1 0 月又颁布c m v d r 2 1 7 关于座椅、座椅固定装置和头枕的设计规则， 以规范汽车座椅产品的设计、生产和质量控制。 1 ) 中国( g b l l 5 5 0 1 9 9 5 ) g b l l 5 5 0 1 9 9 5 中对头枕的性能提出了如下要求：( 1 ) 沿平行于躯干基准线 测量头枕的顶端到r 点的长度，驾驶员座椅为7 0 0 m m 以上，其他座椅为6 5 0 m m 以上；由头枕顶端沿平行于躯干基准线方向向下6 5 m m 处或者由r 点沿平行于 躯干基准线向上6 3 5 m m 处，头枕外形宽度以座椅中心面为对称面，。左右各应宽 8 5 m m 以上。( 2 ) 强度和吸能性应满足：1 ，头枕按规定的试验方法试验时，头 部模型移动量必须小于1 0 2 m m ，将载荷加至8 9 0 n 时，头枕及其安装部件在座椅 及靠背等损坏前不能破损或脱落。2 ，头枕按规定的试验方法试验时，加给摆锤 ( 头部模型) 的加速度，连续超过8 0 9 的时间必须小于3 m s 。 2 ) 欧洲( e c er 2 5 ) e c er 2 5 规定，可调节头枕最低高度为7 5 0 m m ，前排可调节头枕必须可调 汽车低速后碰掩中安伞座椅的设计参数对颈部损伤的影响 节到8 0 0 m m 以上。前排固定头枕最低高度为8 0 0 m m ，后排最低高度为7 5 0 m m 。 3 ) 美国( f m v s s2 0 2 ) f m v s s2 0 2 规定，头枕至少高出座椅h 参考点2 7 5 英尺( 约7 3 4m m ) 。 4 ) 澳大利亚( a d r2 2 ) a d r2 2 规定头枕的高度必须高于h 参考点7 0 0 m m 以上。 5 ) 头枕的评价标准 根据头枕相对头部的竖直距离和水平距离，驾驶员的头枕位置被分为四个区 域：良好、中等、合格和不合格，如图1 5 所示。以头的顶端切线和头的后部切 线的交点为原点，优秀、较好、合格和不合格四个区域的分界线竖直距离分别为 6 0 、8 0 和1 0 0 m m ，水平距离分别为7 0 、9 0 和1 1 0 m m 。 距头部顶端的距离( c m ) 野警雷誉咒兽磊壬言嚷2 0 图1 5 头枕的评价标准 1 1 3 2 安全座椅的刚度 后碰撞中安全座椅系统的研究始于2 0 世纪5 0 年代，最初的一些研究促成了 f m v e s s 2 0 7 和2 0 2 法规的产生，这些法规规定了座椅的几何尺寸和刚度。在过 去的3 0 年中，大多数汽车安全的设计都是为了符合这个法规的要求来设计的， 座椅在较严重的交通事故中可以变形。 在2 0 世纪6 0 年代到7 0 年代，m e l v i n 和m c e l h a n e y 等人建议在座椅设计中 增加座椅的刚度，使座椅即使在剧烈的碰撞事故中不发生变形，这引发了研究领 域中的一场争论，一直持续到2 0 世纪8 0 年代n 引。 v 0 0 等人研究发现，头枕及其附件的刚度越大，颈部损伤的一些测量参数， 如颈部剪切力、颈部伸展弯矩、头颈部相对伸展角度等就越小n 引。因此他们认 为更硬的座椅靠背在后碰撞中具有更大的颈部保护作用n 引。但是，k l e i n b e r g e r 等人却发现靠背最大转角、头部转角和胸部转角都随靠背刚度的增加而减小。这 说明较软的座椅靠背对颈部起到较好的保护作用，因为降低座椅靠背上部的刚度 硕一 ：学位论文 可使乘员在后碰撞过程中侵入座椅靠背更深，从而减小头部相对人体躯干的相对 运动n 。g u n t e r 等人推测说，近年来颈部损伤增加的原因到目前还不是很清楚， 但其中一个原因就是新的座椅更硬了，导致头颈部的运动更加剧烈n 副。 2 0 世纪8 0 年代末到9 0 年代，p a r k i n 和p r a s a d 等人取得了大量的统计数据， 这些数据使很多研究者认为使用可变形座椅才能带来更好的保护作用n e 3 。最近 很多研究者都致力于损伤机理的研究，这些研究表明，具有较低刚度的座椅可以 给颈部带来更多保护，能够降低颈部损伤的几率n 引。 尽管已经有很多文章对座椅系统的刚度进行了研究，但是到目前为止，对座 椅系统的刚度和颈部损伤之间的关系仍然没有统一的定论。 1 3 3 安全座椅的发展趋势 随着人们对座椅舒适性和安全性的要求不断增加，尤其是安全性的要求越来 越高，以座椅为基础的各种安全装置不断被开发和应用到车辆上，如安全带、头 枕和安全气囊等。也就是说，座椅除了单纯地提供休息场所外，又增加了一个作 用，即保证其他安全装置能够正常发挥它们对人体的保护作用。如果安全座椅的 结构设计不恰当，在车辆发生前碰撞时人体可能沿座椅下滑，即通常所说的“潜 水”现象。人们对座椅安全性的另一个要求是在交通事故发生时，座椅本身具有 减缓乘员的运动剧烈程度，尽可能减小乘员的人体损伤，如近年来人们希望通过 安全座椅的优化设计来减少挥鞭伤就是一个例子。 正是基于上述几个要求，安全座椅在安全性方法将朝以下几个方面发展： 1 ) 座椅的结构不断优化，使用新材料制作安全座椅 结合人机工程学，使座椅的结构更加完善，乘员坐在上面不但感觉更加舒适， 而且会在碰撞发生时，针对人体的不同部位提供不同的约束力。 2 ) 完善座椅和其他安全装置的连接方式 如整体座椅改变了安全带三个固定点的连接方式解决了安全带的松弛问题。 在座椅整体式结构中，安全带三个固定点都在座椅上，无论调整座椅前后位置， 还是在尾部碰撞中座椅相对车身后移时，安全带都会随着座椅运动，始终为乘员 提供理想的约束条件n 。这种座椅整体式结构已经在德国b m w 公司的8 5 0 i 系 列汽车上，p o r s c h e 公司的9 2 8 和9 4 4 系列运动车上成功安装了。 3 ) w h i p s w h i p s 一般设置于前排座椅。当轿车受到后部的撞击时，头颈保护系统会 迅速充气膨胀起来，其整个靠背都会随乘坐者一起后倾，乘坐者的整个背部和靠 背安稳地贴近在一起，靠背则会后倾以最大限度地降低头部向前甩的力量，座椅 的椅背和头枕会向后水平移动，使身体的上部和头部得到轻柔、均衡地支撑与保 护，以减轻脊椎以及颈部所承受的冲击力，并防止头部向后甩所带来的伤害乜引。 汽车低速后碰撞中安令座椅的设计参数对颈部损伤的影响 v 0 l v o ( 富豪) s 8 0 是世上第一辆配有w h i p s 的轿车。 4 ) 尾部冲撞座椅a w s 防尾部冲撞座椅a w s 采用可撕裂变形的金属结构件替代座椅前端( 座椅导 轨) 与地板之间的传统刚性连接。在车辆发生尾部冲撞的瞬间，乘员自重惯性驱 动座椅发生后仰运动，此时座椅前端的金属连接件发生撕裂变形，使座垫前端上 倾及椅背后倾( 围绕座垫后端铰接点旋转) ，座椅整体的后向运动大量吸收冲撞 瞬间座椅施加给乘员身体的能量，大大缓解了乘员的颈部负荷，减少颈部损伤事 故发生的几率，提高车辆的乘坐安全性。2 5 k m h 的尾部冲撞试验表明：a w s 能 够降低n i c 、颈部运动速度及头反弹速度达5 0 以上口。 5 ) 头枕气囊( a u t o l i v ) 自充气头枕s i h r 是专为后排乘员提供的尾部冲撞颈部防护技术。s i h r 系 统由内置于椅背的大充气气囊、头枕内小气囊及两气囊间空气通道组成。在尾部 冲撞事故中，乘员的身体压迫椅背，驱动椅背气囊的气体流入头枕气囊，此时椅 背溃瘪、头枕向前鼓凸( 最大可达5 c m ) ，进而减少或完全消除了乘员头部与头 枕之间的间隙和头与躯体之间的相对位移量，降低乘员颈部的负荷。与传统的静 态( 固定) 头枕相比，该系统能够降低乘员颈部负荷达5 0 以上乜。 1 4 颈部损伤生物力学 1 4 1 颈部损伤生物力学定义 损伤生物力学亦称为碰撞生物力学，是汽车被动性安全研究的重要理论基础 之一。损伤生物力学主要研究人体的损伤以及人体组织在碰撞条件下的动力学响 应。碰撞事故中，人体暴露在一个机械冲击载荷的环境中，在惯性力和接触力的 作用下，人体的各部分组织将产生一定的生物力学响应n 刳。若生物力学的响应 使人体的组织超过了可以恢复的限度或导致解剖学组织的破坏和正常生理功能 的变化或丧失，这时就发生了人体损伤。人体组织在碰撞过程中所包含的有关力 学就称之为损伤生物力学。 从医学观点出发，损伤生物力学就是损伤的诊断、治疗和康复，讨论研究车 辆交通事故中的人体组织和器官所受到的破坏。从工程学观点出发，损伤生物力 学就是以损伤生物力学总结得到的指导方针为依据j 在工程设计中考虑避免和减 少事故损伤。因此，损伤生物力学是一个与汽车工程学、生物力学和医学等相关 联的学科，在研究中广泛使用了这些学科的研究方法。 颈部损伤生物力学是损伤生物力学的一个分支，它着重研究人体颈部损伤以 及在碰撞条件下人体颈部的动力学响应。由于人体颈部连接人体的头部和躯干， 在碰撞条件下，头部由于惯性等原因和躯干的运动不一致，这样人体颈部就很容 硕上学位论文 易受到伤害，如果运动非常剧烈，人体颈部还可能发生骨折、韧带拉断和肌肉撕 裂等严重损伤。因此，颈部是人体较为脆弱的一个部分，对它进行研究，并采取 相关措施进行防护具有非常重要的意义。 1 4 2 颈部损伤生物力学的研究内容 颈部损伤生物力学主要着重研究人体颈部的损伤以及在碰撞条件下人体颈 部的动力学响应，它的研究内容主要有以下几个方面： 1 ) 在事故调查基础上，对事故各方面做统计学分析。如发生追尾事故前两 车速度，车辆加速度波形，损伤人群分析，伤者康复时间等进行分析。 2 ) 对实验装置的开发和计算机仿真研究的模型开发。例如美国通用汽车公 司设计了h v b r i di i i 假人，瑞典查尔摩斯大学研究的b i o r i d 假人心3 1 。 3 ) 对颈部损伤机理、对人体损伤准则的研究以及对假人的损伤准则值的研 究。在用假人做试验时，要了解损伤机理和人体耐受度。 4 ) 开发安全座椅、安全头枕等安全设备，使颈部生物力学的研究成果真正 在实际的颈部防护中发挥功效。 1 5 颈部损伤机理 1 5 1 颈部损伤机理的重要意义 颈部损伤虽然被美国机动车医学促进会评定为a i s l ，即轻微损伤n 。但是 它在交通事故中，尤其是后碰撞中发生的频率却非常高，几率也非常大，给人们 带来了巨大的经济损失和社会负担，严重威胁着人民的生命健康。 日本汽车事故保险责任公司在1 9 9 2 年的统计数据表明，在车对车的碰撞中， 有轻微颈部损伤的人占到5 0 左右，而且这个数字有逐年上升的趋势他钔。就以 1 9 9 1 的统计数据为例，在车对车的后碰撞中，9 5 是轻微损伤( a i s l ) ，而在这 些轻微损伤中，又有8 5 是乘员的颈部损伤口引。而美国高速公路交通安全局2 0 0 0 年统计数据也表明，尽管在事故中只有2 5 是在后碰撞中造成的，但这些后碰 撞中造成的损伤大都是轻伤心引，即a i s l 。1 9 9 1 年在美国，平均一个a i s l 颈部 损伤案例需花费4 0 0 0 美元，一年花费在颈部损伤上的费用高达3 9 亿美元乜7 1 。 而在欧洲，保险公司仅为了支付颈部损伤的+ 花费就有l o o 到2 0 0 亿马克乜引。这 些数字都是非常惊人的。因此人们花了大量的时间和精力来研究颈部损伤的特点 及其损伤机理。但是遗憾的是，至今为止，人们还没有完全了解颈部损伤的机理， 只是根据试验方法和试验数据提出了几种假说。 1 5 2 颈部损伤研究的发展历程 早在2 0 世纪5 0 年代，s e v e r y 等人就开始了颈部损伤研究，得到志愿者头 汽车低速后碰掩中安伞座椅的设计参数对颈部损伤的影响 部运动的一些数据心引。但都是一些大概数值，没有颈部如何吸收碰撞中的加速 度和力的信息，以及碰撞中将产生什么类型的头部加速度等口叫。1 9 6 7 年m e r t z 和 p a t r i c k 用志愿者和几个尸体在台车上试验，测量了头部的精确加速度口h3 引。 1 9 6 4 年m a c n a b 提出了过伸理论( n e c kh y p e r e x t e n s i o n ) 哺- 引，即颈部损伤是 在后碰撞中过度伸展和弯曲造成的。根据m a c n a b 提出的过伸理论，r u e d m a n n 在1 9 6 9 发明了汽车头枕，以减少后碰撞中的颈部损伤口3 1 。 m a c n a b 提出的过伸理论在过去很长的一段时间内都被大家所认同，直到最 近十几年来才受到人们的质疑。人们发现根据过伸理论发明的头枕并不能很好地 减少颈部损伤，特别是低速后碰撞中造成的颈部损伤。在瑞典，n y g r e n 等人发 现引进头枕以后只消除了2 0 的颈部损伤口 。 此外，自从m a c n a b 提出过伸理论后，人们对颈部损伤的研究大都有一个局 限，都把注意力集中在头部的速度和加速度上，而很少涉及头部和颈部在后碰撞 中的受力情况，对颈椎各部分在后碰撞中的反应和肌肉收缩情况也很少观察。 p a n j a b i 等人发现如果没有肌肉控制，颈部区域的韧带和椎骨甚至不能使头 部保持在定的位置，由此可以看出肌肉在头部和颈部运动中的重要性来，而在 试验中忽略肌肉组织的作用显然是不能正确找到颈部损伤机理的原因之一n 钉。 此外，这些研究大部分都存在另一个局限，即使用的志愿者都是人强力壮的 军事人员，由这些志愿者得出来的结论不知道能否推广到更多的挥鞭伤受害者身 上。但是如果不使用军事人员，过高的碰撞速度又会造成志愿者的伤害。因此， 最近的试验大都在低速后碰撞下进行，保证人体在试验过程颈部不受到伤害。 正是以上两个原因，使人们的注意力转向了低速后碰撞中的颈部损伤，特别 是对颈部动力学、颈椎各部分在后碰撞中的反应和肌肉收缩情况。借助于试验和 成像技术，研究者获得了大量可靠的数据，提出了各种颈部损伤机理。 1 9 8 6 年，a l d m a n 发现当挥鞭伤对神经根造成压力的时候，脊髓槽内的压力 也增加了( s p i n a lc a n a lp r e s s u r e ) 口引。1 9 9 3 年s v e n s s o n 发现这种压力可以影响 背部神经根的中心，然后促使背部神经根的中心发送疼痛的信号给大脑 。 1 9 9 2 年，p e n n i n g 等人提出了过度平移( h y p e r t r a n s l a t i o n ) 损伤机理引。他 发现c o 到c 2 之间椎骨的转动，简单的平移要比头部弯曲和伸展大。而下端颈 椎没有出现这种情况，因此他认为在挥鞭伤中上端颈椎应该占有更大的比重。 1 9 9 6 年，y a n g 和b e g e m a n 提出了一个剪切力假说( s h e a r h y p o t h e s i s ) 口引。 他们认为剪切力是造成关节面囊疼痛的原因，因为在挥鞭伤过程中，面关节囊被 伸长了( f a c e tc a p s u l a rs t r e t c h ) 。2 0 0 0 年，d e n g ，等人用死亡后处理过的尸体( p o s t m o r t e mh u m a ns u d j e c t s ) 在刚性座椅上进行试验验证这个假想h 0 1 。 1 9 9 7 年0 n o 等人提出面关节侵入损伤机理( af a c e tj o i n ti m p i n g e m e n ti n j u r y m e c h a n i s m ) ，即一部分面关节囊被围困在面关节之间，在颈部运动过程中由于 硕士学位论文 被夹紧而产生疼痛h 。1 9 9 8 年y o g a n a n d a n 等人也提出了相似的损伤机理n 引。 1 9 9 8 年，p a n j a b i 等人提出了s 形局部过伸假说( 1 0 c a lh y p e r e x t e n s i o nw h e nt h e n e c kf o r m e da ns s h a p e d ) h 3 1 。他们认为颈部下端的脊椎是因为局部过度伸展造 成的，即在颈部运动过程中呈s 形时造成的，早于颈部完全伸展之前。 综上所述，到目前为止，已经提出了很多种颈部损伤机理的假说，这些假说 都从不同角度或者不同层面揭示了颈部损伤的一些损伤机理，但是目前还没有一 种完全令人信服、得到广泛认同的颈部损伤机理。 1 5 3 挥鞭伤及其研究方法 轻微的颈部损伤又称为“挥鞭伤( w h i p l a s hi n j u r i e s ) 或者“和紊乱相关的 挥鞭伤 ( w h i p l a s ha s s o c i a t e dd i s o r d e r s ，简称为w a d ) h 引。一些颈部损伤的病 人说在发生颈部损伤时，头部首先向后运动然后又向前剧烈运动，就像一个鞭子 在挥舞一样，“挥鞭伤”因此而得名。“挥鞭伤”这个词语在1 9 2 8 年首先被c r o w e 使用，并提议作为颈部损伤的机理h5 1 。与挥鞭伤有关的症状包括：脑震荡、颈 椎神经根炎、脖子痛、头痛、颈部僵硬、肩痛、视力和听觉的病症以及头昏眼花 等旺引。挥鞭伤一直没有明确的定义，普遍比较认同的是1 9 9 5 年魁北克挥鞭伤特 别工作组的定义，即“加速度和减速度的能量传递到颈部 h 劓。 为了了解颈部的损伤机理，挥鞭伤近十多年来成为研究的一个热点。挥鞭伤 的研究主要有以下几种途径： 1 ) 根据病人的临床症断和病人的一些症状来了解颈部损伤的特点和损伤机 理。这种方法可以进行颈部损伤的定性分析，但是却很难进行量化。此外，由于 每个病人的身体差异，这些损伤特点很难推广到更多的病人身上。 2 ) 通过志愿者试验来仿真乘员的后碰撞事故，利用高速摄像仪和x 光照相 技术等记录颈部运动的整个过程和颈部各个椎骨的运动情况，从而更加详尽地了 解和分析颈部运动的过程，找到颈部损伤机理。这种方法的最大优点是逼真度很 高，但是在试验中不能使用较高的速度或者加速度，以防止志愿者颈部受到伤害。 3 ) 通过人体尸体实验来仿真后碰撞事故。人体尸体可以是整个尸体，也可 以是单独颈椎。尸体试验往往因缺少肌肉组织或者肌肉已经僵化受到非议。 4 ) 通过假人试验来仿真乘员在真实情况下颈部损伤情况。由于假人结构组 织和材料与人体存在较大差异，因此这种方法的逼真度还是受到人们的怀疑。 5 ) 通过动物试验来仿真人体颈部的受力情况和生理反应。这种方法的逼真 度还值得探讨，特别是从动物损伤特性推广到人体有许多值得商榷的地方。 6 ) 建立数学模型，在计算机上进行仿真试验。这种方法得出的数据一般只 作为参考数据，还需要进行志愿者试验或者尸体试验等进行进一步的验证。 由上可知，没有一个非常完美的研究方法。因此人们总是试图利用某种方法 汽车低速后碰掩中安伞座椅的设计参数对颈部损伤的影响 的优点或几种方法的组合来避免研究方法的弊端，尽可能得出真实的数据。 1 6 颈部损伤的评价准则 人体损伤的评价准则是用来评价人体某个全部位在碰撞后的损伤程度或者 某个安全装置对人体某个部位的保护作用，例如头部损伤准则( h i c ) 、颈部损 伤准则( n i c ) 和胸部压缩量( t t i ) 等。颈部损伤准则是用来评价安全座椅、 头枕的等安全装置对人体颈部的保护作用。颈部损伤准则最终的目的都是为了提 高车辆的安全性和减少乘客损伤。 1 6 1 颈部损伤准则( n i c ) n i c ( n e c ki n j u r yc r i t e r i a ，简称n i c ) 是目前用来评价汽车乘员约束系统对 乘员保护效率应用最为广泛的一个颈部损伤准则。这个颈部损伤准则( n i c ) 是 基于一种假设提出来的，这种假设认为在后碰撞过程中脊髓槽内的液体形成压力 梯度，从而对神经根造成伤害。它主要考虑枕骨相对t 1 的运动响应。 n i c 可以通过下列这些公式计算得到： 胍( f ) i 口纠o ) o 2 + 吒z o ) r ( 1 1 ) 其中 口蹦一日? ( f ) 一哆，甜( f )( 1 2 ) ( f ) 一口1 ( f ) 一e 删o )( 1 3 ) 口：1 和哆1 分别指t 1 在x 方向上的加速度和速度，口掣和皑删分别指头部质 心在x 方向上的加速