基于正面碰撞和側面碰撞中CRS誤用潛在傷害的數值研究(共14頁)

1、基于正面和側面碰撞(pn zhun)事故中CRS誤用(w yn)的潛在傷害的數值(shz)研究Tanya Kapoora， William Altenhofa， Anne Snowdona， Andrew Howardb， Jim Rasicoc，Fuchun Zhuc， Daniel Baggioa摘要：這項研究集中研究了正面和側面碰撞事故中CRS誤用導致幼兒的頭部和頸部的受傷值。開發(fā)的Hybrid III模型的正面碰撞實驗結合完全變形的有限元模型在加拿大機動車安全標準和聯(lián)邦機動車輛安全標準下得到了驗證，國家公路交通安全管理局也驗證了此模型側面碰撞的響應。此外，還開發(fā)了Q3/Q3s兒童碰撞試

2、驗的假人模型。本文的目的是研究安全帶松弛和頂部栓帶缺失的情況下汽車碰撞時兒童的受傷程度。按照聯(lián)邦機動車安全標準，hybrid III 三歲假人模型和Q3/Q3s假人模型在有安全帶和頂部栓帶以及沒有安全帶和頂部栓帶的條件下進行了完整的正面和側面碰撞的測試。此外，也研究了使用十字形剛性ISOFIX系統(tǒng)的影響。由于CRS誤用導致的潛在傷害，分析頭部和胸部的加速度，頸部載荷和力矩。分別觀察CRS誤用情況下Q3兒童假人模型的HIC15值在正面碰撞和側面碰撞中分別增加了3040%和1020%。據觀察，在沒有頂部栓帶的情況下hybrid III 三歲假人模型和Q3/假人模型分別增加了大約70%和40%。在是

3、否存在CRS誤用時，正面和側面碰撞下使用十字形的剛性ISOFIX系統(tǒng)減少了頭部和頸部損傷值。CRS的誤用導致的損傷值和接觸相關的頭部受傷可能性顯著增加。使用一個剛性ISOFIX系統(tǒng)相比軟性的LATCH能更好的抑制 CRS誤用和減少損傷的可能性。關鍵詞：兒童安全，頭部和頸部潛在傷害，傷害指標，對策，CRS誤用1 引言交通事故是一個全球性公共健康的主要挑戰(zhàn)，需要加強努力，有效和可持續(xù)的預防(WHO，2004)。在世界范圍內，每年道路交通事故中有1200000人死亡，50000000受傷。根據生殖與兒童健康局死亡事故數據分析報告系統(tǒng)得出，車禍是加拿大和美國孩子死亡的首要原因。在2005年度，由于車輛

4、事故導致的14歲以下兒童共有103人死亡和13649人受傷。在23.3%的交通事故中四歲以下的孩子受傷率為19.4%。根據國家統(tǒng)計和分析中心（NCSA）在2005年度美國15歲以下的兒童在交通事故中有2348人死亡和271000人受傷。在美國5歲以下的兒童在交通事故中受傷占25%（590）以及汽車碰撞事故中受傷的孩子所有兒童占20.6%（56000）。兒童和成人生理的不同增加了兒童在事故中頭部和頸部受傷可能性。tingvall（1987）建立了兒童和成人之間最顯著的生理差異。這種身體不同部分的差異會使一個孩子的重心更高，在事故發(fā)生后影響兒童頭部和頸部在高集成環(huán)境下，機動車發(fā)生碰撞時更易損傷。此

5、外，孩子上頸椎的生物力學結構和性能加速誘導損傷風險的增加。兒童的發(fā)育差異也在傷害中發(fā)揮著作用，兒童的頸椎和一個正常成長和發(fā)育的臨時的軟骨關節(jié)相連接。隨著孩子逐漸長大，這種軟組織發(fā)生骨化。在嬰幼兒，減少軟骨結合的骨化，使脖子更容易斷裂。由密歇根大學交通研究所(UMTRI)韋伯(1995) 發(fā)表的一份研究報告認為，年幼的孩子頭部和頸部受傷是由于頸部生理和脆弱的頸部肌肉組織。這些因素降低了孩子能夠承受高沖擊力的限度。在一項由Gotschall et al 所做的研究中(1999)，表明頭部受傷死亡在美國出生的五歲的兒童中死亡的主要原因。在11歲以下兒童，頸椎損傷約占機動車事故占所有的38% (Mou

6、sny et al .，2001)。頭部和頸部受傷在傷害規(guī)模(AIS)2 +傷害中占更大的數量和嚴重程度(Arbogast et al .，2002)。根據舍伍德etal 的研究案例(2003)，超過80%的幼兒由于頭部外傷發(fā)生的死亡。最常見的頸部損傷機制包括極端超屈曲導致蓋膜的破裂和椎骨寰枕脫位錯位(AOD)。和成年人相比兒童相對其他身體部位不成比例的頭部大小的相對轉動慣量單位加速度增加了。發(fā)育不完全的肌肉頸椎組合使得孩子在汽車碰撞中頸部損傷的風險增加了。頭部損傷包括接觸損傷以及慣性損傷，如顱骨骨折，硬膜外血腫，和額葉腦挫裂傷的接觸損傷，顱骨骨折等損傷、硬膜外血腫和額葉挫傷接觸損傷(Genn

7、arelli，1986)，很可能由于頭部的偏移和汽車內飾的影響。Arbogast等人表明(2002)大量材料占用了孩子的可用空間，因此允許接觸。頭部外傷的主要關注的是由加速度引起的大腦皮層引起挫傷的腦損傷。兒童(r tng)約束的法律在19821987年生效(shng xio)，兒童安全座椅固定在汽車座椅使用不同的錨定裝置。根據機動車安全法，標準210.2（加拿大運輸(ynsh)，2002），所有新的加拿大汽車制造，于2002年9月1日或之后，都要配備低通用錨桿。然而，之前的車型，將兒童安全座椅固定使用安全腰帶的汽車座椅。頂部栓帶在兩種情況下是強制性的。在一次嚴重事故頂部栓帶提供額外的保護通過

8、限制孩子的運動控制系統(tǒng)(CRS)。韋伯在密歇根大學交通研究所發(fā)現使用頂部栓帶使孩子的頭在發(fā)生嚴重的正面碰撞時起到安全限制（韋伯，2000）。根據韋伯的研究，CRS為身體結構發(fā)育不成熟和成長不好的孩子提供了專門的保護措施。保護系統(tǒng)的主要目標是保護中樞神經系統(tǒng)損傷，碰撞的損傷程度都與身體的快速減速和車輛的結構體有關。所有CRS的工作原則就是創(chuàng)建一個對孩子緊密耦合的約束，碰撞的汽車，盡可能廣泛的分配剩余負載的堅固解剖結構。限制車輛的設計限制和控制在碰撞減速機體的速率，從而減少力量作用于人體的表面，減少骨骼和內臟之間的差速運動（韋伯，2000）。在乘用車正確地安裝和使用兒童安全座椅是非常有效， 1 -

9、 4歲的兒童嬰兒死亡的風險降低了71%和54%，4歲及以下的兒童并減少69%的住院需要 (國家和運動，2004)。提出了面向CRS的機動車輛的碰撞與兒童約束只使用安全帶，有效地減少78%嚴重傷害的風險（Arbogast等人，2004）。據德和赫爾利（2005），在加拿大，14歲以下的兒童死亡人數一直在100人/年在1998以來，自1999年以來主要損傷以在700人/年。在1998和2002年之間，共有402人死于輕型機動車事故，對于兒童來說，什么是致命的傷害，發(fā)現不正規(guī)的約束造成大約66%(1歲以下)，50%的幼兒(1-4歲)，97%的學齡兒童(4-8歲)31%，大一點的孩子(9-14歲)的受

10、傷(Chouinard和赫爾利，2005)。韋伯認為在北美，80%的兒童約束裝置沒有起作用(韋伯，2000)。不同類型的誤用會對孩子限制性能有不同的影響。最常見的的誤用形式相對錯誤較少，能夠獲得低水平的保護。極大程度的誤用會使身體更容易受傷，即使不應該發(fā)生損傷的。如果所有四歲兒童乘客和年輕乘客被很好地保護，每年可以挽救162人的生命和預防20000人的傷害都是可以的。大約有29%的四歲兒童和年輕乘客沒有兒童安全座椅，這使得他們受到致命的和非致命的傷害增加兩倍，此外，約有85%的安全座椅約束不規(guī)范。對CRS的誤用(w yn)最常見的形式是松弛(sn ch)的安全帶和松弛(sn ch)的汽車安全帶

11、(Eby and Kostyniuk， 1999; Decina and Lococo，2005;Decina and Knoebel，1997).在約束系統(tǒng)中存在松弛，結合給兒童使用成人安全座椅和兒童安全座椅，通常導致更大程度的頭部偏移（頭部相對于軀干的位移），頭部和脊椎都面臨更大的受傷風險。加拿大運輸局在1998年完成的一項研究中發(fā)現至少32%的CRS設施不規(guī)范。這些規(guī)范的安裝是頂部栓帶26%的沒有安裝或連接在錯誤的位置的上。其他重要因素與濫用的范圍包括大量的松弛和扭曲的頂部栓帶(Rubin-Brown et al .，2007)。美國國家公路交通安全管理局(NHTSA)在2002年完成了

12、6個州的統(tǒng)計研究發(fā)現，所有安裝的關鍵CRS誤用占72.6%。特別是敞蓬貨車的CRS的誤用大約占82%。松弛的汽車安全帶(固定車輛的CRS)和CRS頂部栓帶用于限制孩子CRS指出，最重要的濫用原理(Decina Lococo，2003)。Brown等人（2005）從兩個專門的兒童醫(yī)院的醫(yī)療記錄數據并結合與澳大利亞汽車司機的和車間訪談分析了損傷數據。這項研究集中在3-8歲的兒童，損傷機制的分析表明，造成頭部受傷通常是由于頭部接觸的汽車內飾。這些頭部接觸通常發(fā)生在有過多的頭部偏移，因為缺少上半身限制，由于誤用限制，或者被占用。更為嚴重的脊髓損傷也發(fā)生在過度的頭部運動相結合，并與約束濫用相關的。脊髓損

13、傷多發(fā)生在頸椎和胸椎與安全帶配合不好，在發(fā)生碰撞前沒有安全帶或者安全帶不合理（Brown等人。，2005）。然而，最嚴重的脊髓損傷發(fā)生在兒童座椅的誤用，結果導致過度頭偏移。在另一項由Arbogast等人進行的研究（2002）觀察頭部受傷的發(fā)生由于汽車安全帶安裝兒童約束松弛的兒童安全帶。隨著汽車安全帶附件的松弛，乘坐空間和時間相對減少，缺少CRS安全帶，使得胸椎在孩子軀干和后座的相對運動中更靈活。這項集中研究調查由于CRS誤用而使幼兒在正面和側面碰撞事故的頭部和頸部受傷情況。開發(fā)的Hybrid III模型的正面碰撞實驗結合完全變形的有限元模型在加拿大機動車安全標準和聯(lián)邦機動車輛安全標準下得到了驗

14、證。此外這個模型也由國家公路交通安全管理局在近側碰撞下得以驗證，還開發(fā)了Q3/Q3s兒童碰撞試驗的假人模型(Q Advanced，2005;Carlson et al.，2007;LS-DYNA，2006;LS-DYNA，2007)。本研究的目的是探討安全帶松弛效應和頂部栓帶的缺失在車輛碰撞時幼兒頭部和頸部的受傷。這兩種模型是觀察兒童安全座椅誤用的最常用的模型。然而CRS誤用的模型損傷結果并未系統(tǒng)的調查。數值模擬是在聯(lián)邦機動車輛安全標準下發(fā)生正面和側面碰撞測試條件，利用Hybrid III假人和Q3s假人模型在安全帶存在和缺失的條件下進行的，并在頂部有頂部栓帶。此外，也對采用十字型剛性ISOF

15、IX系統(tǒng)影響進行了研究。包括頭部和胸部的加速度分析，頸部載荷和力矩完成調查由于CRS誤用的潛在傷害。2 數值方法使用有限元分析的CRS，以及所有其他組件的數學模型包括座椅、安全帶和墊子。CRS的數值模型包含的完整可變形性包括材料非線性和CRS不同組件的接觸定義。不同組件的數值模型細節(jié)在本研究提出的附錄A中。完成了沒有變化的人體測量測試設備的數值模型的調查。通過CRS制造商和安全機構的Hybrid III 3歲大的假人的廣泛使用，在正面和側面碰撞的條件，這是人體試驗裝置在調查中使用的主要原因。此外，本研究也納入了在碰撞條件下的Q3和Q3s模型，相對于Hybrid III模擬。動態(tài)松弛的收斂性和收

16、斂公差(gngch)之間的迭代次數分別指定為1000和0.0001。Hybrid III和CRS之間的接觸(jich)，包括安全帶，帶扣。CRS的泡沫(pom)填充曲面是通過基于點球接觸算法實現。按照所有接觸定義靜態(tài)和動態(tài)摩擦系數的值被分別指定為0.25和0.2。類似的接觸定義也包括Q3/Q3s模型和CRS模型。臺車試驗按照FMVSS213標準在Graco公司的臺車的實驗臺上完成，圖一a說明了實驗測試中觀察到的FMVSS213的加速度脈沖。數值模型結合了先前已經利用FMVSS213標準和CMVSS 208標準測試驗證的加速度脈沖。此外，NTHSA測試研究中心在2002年也進行了臺車測試。這個測

17、試是在沒有車體但有剛性側架的臺車測試。變形的CRS模型結合Hybrid III三歲假人模型驗證了近側碰撞。圖1（b）說明了ANPRM FMVSS 213（試驗號4585）從這些臺車測試中觀察到的加速度脈沖。圖1 （a）FMVSS213標準下最高最低加速度限值以及臺車實驗值（b）4584加速度脈沖值本研究的目的是調查兩個主要類型的誤用的數值影響，即缺乏頂部栓帶和安全帶在正面和側面碰撞事故中的潛在傷害。頂部栓帶被刪除模擬“無頂繩”條件的影響，第二種類型的濫用(安全帶松弛)，前調整安全帶沒有完成。觀察模擬胸部和安全帶之間的松弛程度大約2.5厘米。數值仿真分析了在有沒有CRS誤用的情況下軟性的LATC

18、H系統(tǒng)和十字剛性的ISOFIX系統(tǒng)在正面和側面碰撞的情況。圖1中規(guī)定臺車實驗中在正面碰撞中X的正方向為剛性座椅，加速度脈沖圖1(b)是利用純模擬的條件，圖1 b規(guī)定在側面碰撞中加速度脈沖為Y軸負方向。近側碰撞試驗是在一個剛性壁的存在下完成的，對剛性壁進行網格劃分，一個網格代表一個汽車側面結構位置的座位壓降，相鄰的CRS從Z1定位508毫米。坐墊到剛性壁的高度約762毫米。剛性壁向前延伸的距離大約690毫米，以確保與頭部在同一平面上。剛性壁是LS-DYNA定義的剛性材料，圖2說明在有剛性壁的情況下Q3s兒童模型的近側碰撞。所有的數值模擬是利用個人電腦配備的2.6GHz AMD 速龍?zhí)幚砥麟p4GB

19、 RAM的LS-DYNA版本的970修訂版5434a進行分析的。圖2 側面(cmin)碰撞中Q3s配置(pizh)的剛性壁3 數據分析從虛擬(xn)模型儀器中提取兒童乘員損傷數據，包括加速度和負載。Hybrid III 3歲兒童假人和Q3 / Q3s模型的三軸加速度計安裝在頭部、胸部和骨盆，分別表現在X、Y、Z軸。假人頸部提供的六個輸出包括脖子上部和下部的三個力和三個力矩在坐標軸上。頭部和胸部的加速度利用公式一計算，XYZ坐標分別位于頭部和脊柱。力和力矩用公式二和公式三計算，分別在x，y，和z軸當地坐標系統(tǒng)位于脖子的位置。所有的數據測量按照SAE J211中規(guī)定的虛擬局部坐標和10kHz的采樣

20、率，并過濾數值結果。參照Butterworth4相位所描述的進行數據過濾，在數據分析前完成過濾。3.1 頭部傷害指標公式一中計算的合成加速度用來計算HIC在公式四中。這里的合成加速度是表示假人頭部重心的重力加速度，時間為秒。在15和36毫秒的間隔內分析HIC，NHTSA建議HIC15 和HIC36的限制值分別為570和1000.4 結果與討論對Hybrid III 3歲兒童(r tng)假人和Q3 / Q3s模型(mxng)在是否(sh fu)有CRS誤用的情況下完成了FMVSS213測試條件正面和側面碰撞的數值模擬。此外也研究了十字形剛性的ISOFIX系統(tǒng)的影響。仿真結果比較了頭部和胸部的加

21、速度、負載和力矩。表1-4匯總了所有Hybrid III 3歲兒童假人和Q3 / Q3s模型的損傷參數的高峰值。表1 Hybrid III模型在正面碰撞中分別接入柔性LATCH和剛性ISOFIX接口CRS各種損傷值柔性LATCH剛性ISOFIX沒有誤用安全帶松弛無頂部栓帶沒有誤用安全帶松弛無頂部栓帶頭部加速度59.563.260.547.95448.5胸部合成加速度59.255.54441.954.532.7頭部傷害指標（HIC15）304.7335.56332.5173.4217.84179.5頭部傷害指標（HIC36）325.2339415.8174.2280283.8上頸部合力22602

22、26723801937.719551780下頸部合力1473.915301589.3776899754上頸部合力矩33.23025.126.833.920.5下頸部合力矩143.9143174.2143.4158137正向位移235283397209247250表3 Q3模型在正面碰撞中分別接入柔性LATCH和剛性ISOFIX接口CRS各種損傷值柔性LATCH剛性ISOFIX沒有誤用安全帶松弛無頂部栓帶沒有誤用安全帶松弛無頂部栓帶頭部加速度57.568.264.5605756.5胸部合成加速度55.4504145.552.237.2頭部傷害指標（HIC15）310430382256247242

23、頭部傷害指標（HIC36）345530578256411303上頸部合力236623242924243124012398下頸部合力89115372055824931.8764上頸部合力矩16.719.713.51826.514.914.9下頸部合力矩123133.3134120122.25110正向位移331346457282305326表3 Hybrid III模型在側面碰撞中分別接入柔性LATCH和剛性ISOFIX接口CRS各種損傷值柔性LATCH剛性ISOFIX沒有誤用安全帶松弛無頂部栓帶沒有誤用安全帶松弛無頂部栓帶頭部加速度60.655.664.248.452.250.6胸部合成加速度

24、80.585.269424142頭部傷害指標（HIC15）239203.8288172.4180.2172頭部傷害指標（HIC36）147.4133182.5174.6175.3167.2上頸部合力1449.615471561111710051041下頸部合力177019871919.598610251047.2上頸部合力矩102.697115.656.555.655.614.9下頸部合力矩193.9179.6196.5134.3138141.6橫向位移213220217169189169表4 Q3模型(mxng)在側面碰撞(pn zhun)中分別接入柔性LATCH和剛性(n xn)ISOFI

25、X接口CRS各種損傷值柔性LATCH剛性ISOFIX沒有誤用安全帶松弛無頂部栓帶沒有誤用安全帶松弛無頂部栓帶頭部加速度156.5178.4156.658.553.356胸部合成加速度99.49786.554.35150.5頭部傷害指標（HIC15）735750919237228237頭部傷害指標（HIC36）400376437.7231175172.8上頸部合力2159.817832472.4112511971140下頸部合力213418252465714963733上頸部合力矩37.839.437.117.919.21614.9下頸部合力矩44.652.3643.637.634.735.5橫

26、向位移2262372271962091964.1 定性分析圖3說明配備Q3假人時，CRS存在誤用或者沒有誤用時假人頭部最大正向偏移的結構觀察。觀察到由于安全帶松弛假人模型頭部輕微向前位移。對于沒有配置軟性的LATCH頂部栓帶，觀察到伴隨巨大的碰撞CRS向前有更大的位移。觀察比較軟性的LATCH和剛性的ISOFIX在沒有頂部栓帶的情況下頭部和頸部 有更大的位移。所有的CRS配置觀察時最大的頭側向位移的Q3s假人的配置在圖4中展出。在安全帶松弛時，注意到假人頭部有稍大的側向位移。觀察在CRS是否誤用配置軟性LATCH條件下CRS和頭部模型之間的聯(lián)系。十字形剛性ISOFIX的聯(lián)系沒有觀察，觀察了在軟

27、性LATCH和剛性ISOFIX條件下腳和剛性壁的聯(lián)系。圖3 正面碰撞中Q3人體模型使用LATCH和ISOFIX接口在CRS是否存在誤用時的頭部和CRS的最大正向位移量圖4 側面(cmin)碰撞中Q3人體模型使用(shyng)LATCH和ISOFIX接口(ji ku)在CRS是否存在誤用時的頭部和CRS的最大橫向位移量4.2 頭部和胸部的響應圖5和6分別展示了Hybrid III和Q3 / Q3s兒童假人模型在有無CRS誤用的情況下由此產生的頭部和胸部加速度曲線的時間函數。4.2.1 正面碰撞在正面碰撞中，觀察配置有軟性的LATCH，由于安全帶的松弛而導致的頭部合加速度。觀察到由于安全帶松弛的存

28、在使得Hybrid III 3歲兒童假人假人和Q3頭加速度峰值分別增加了大約8%和20%。由于安全帶的松弛，孩子頭部向前的位移增加，如圖3所示，增加Y軸坐標的頭部加速度。表1和表2分別列出了Hybrid III和Q3兒童假人的最大頭部偏移。Hybrid III模型由于安全帶的松弛，使得頭部向前偏移大約增加了20%。在沒有頂部栓帶情況下進行數值模擬，對Hybrid III 3歲大的假人頭部加速度峰值均相似。對于Q3假人模型，由于沒有頂部栓帶，使得頭部合成加速速度增加了10%。在頂部栓帶由于大位移的CRS缺失的模擬發(fā)生在峰值延遲。此外，觀察到這些峰值持續(xù)時間比非誤用情況時間較長。觀察這兩個模型的更

29、大的頭部偏移。Hybrid III三歲模型和Q3模型的頭部向前傾斜量分別增加了大約70%和40%。這增強了孩子頭部損傷相關的可能性，同時在是否有CRS誤用的情況下觀察胸部合成加速度的峰值。表1和2也匯總了HIC15和HIC36頭部損傷的值，Hybrid III三歲和Q3兩種模型在CRS誤用時在HIC15標準下分別增加了10%和30-40%的值，增加了孩子頭部慣性傷害的概率。觀察CRS誤用或者沒有誤用，使用剛性ISOFIX系統(tǒng)比軟性LATCH系統(tǒng)合成加速度大約減少了20%。特別是在使用剛性ISOFIX系統(tǒng)替代軟性LATCH系統(tǒng)時，在沒有頂部栓帶的條件下Hybrid III三歲模型和Q3模型的頭部

30、向前偏移的模擬數值分別減少了60%和40%。與十字型剛性ISOFIX系統(tǒng)的結合表現出胸部加速度減小。在沒有頂部栓帶的條件下，觀察剛性ISOFIX系統(tǒng)中Hybrid III三歲模型和Q3模型的胸部合成加速度分別減少了25%和10%。此外，結合使用剛性ISOFIX系統(tǒng)在有安全帶和沒有頂部栓帶的條件下觀察到兩種模型在HIC15標準值大約減少30-50%。因此剛性的ISOFIX有效的減少了孩子兩種加速度和接觸引起的頭部損傷的概率。與軟性LATCH系統(tǒng)相比，剛性ISOFIX減少了CRS誤用導致的傷害值。4.2.2側面(cmin)碰撞在側面(cmin)碰撞中Hybrid III三歲模型，觀察頭部合成加速(

31、ji s)速度的峰值，對于Q3模型，由于缺少安全帶使得頭部加速度的峰值大約增加了15%。由于模型頭部和剛性壁的相關性使得Q3模型有較高的相對值（表4）。此外，在安全帶松弛的系統(tǒng)中這兩種模型頭部橫向位移大約增加了5%。在沒有頂部栓帶的條件下兩種模型的頭部橫向位移影響并不大。Hybrid III三歲模型的頭部加速度大約增加7%。表3和4 匯總了CRS誤用和沒有誤用條件下的頭部損傷標準的峰值。沒有頂部栓帶使得Hybrid III三歲模型和Q3模型得HIC15標準值增加了10-20%。因此，安全帶松弛和沒有頂部栓帶增加了孩子頭部受傷接觸和慣性的概率。與軟性LATCH系統(tǒng)相比較，該十字形剛性ISOFIX

32、系統(tǒng)使得模型頭部的橫向位移明顯減少。觀察在沒有頂部栓帶的條件下剛性ISOFIX系統(tǒng)使得Hybrid III三歲模型和Q3模型的頭部合成加速速度分別減少了大約25%和65%。使用此系統(tǒng)表現出在側面碰撞下胸部合成加速度減小了。剛性ISOFIX系統(tǒng)和軟性LATCH系統(tǒng)相比，在CRS存在與否的條件下，兩個模型的胸部合成加速度大約減少50%。此外，相比軟性LATCH系統(tǒng)，剛性ISOFIX系統(tǒng)在CRS存在與否的條件下HIC15的值減少了約65-75%，也減少了橫向位移20%。因此基于兩個模型的頭部響應，可以說剛性的ISOFIX系統(tǒng)減少了孩子在側面碰撞中接觸和加速度的值。它相比軟性的LATCH系統(tǒng)限制了CR

33、S誤用的影響。4.3 頸部(jn b)響應圖7和8分別(fnbi)說明了在在不同的碰撞(pn zhun)條件下，Hybrid III三歲模型和Q3模型CRS是否存在誤用頸部合成力和力矩的時間函數。4.3.1 正面碰撞在正面碰撞下，由于沒有頂部栓帶使得Hybrid III三歲模型和Q3模型得頸部合成力大于增加了5%和25%，但缺少安全帶的條件下影響并不大。表1和2也匯總了兩種模型的頸部合成力的峰值。對于Q3模型，在存在CRS誤用時，合成頸部力增加了約75-85%。同時觀察兩個模型的合力的峰值，在CRS誤用和沒有誤用的情況下。沒有頂部栓帶會使頸部合成力矩增加了10-15%。Q3模型在沒有頂部栓帶是

34、頸部旋轉量會更大。極端超屈曲導致蓋膜的破裂和椎骨導致大氣氣溶膠的分離。因此，由于缺少頂部栓帶會使得孩子由于慣性而受到損傷的可能性更大。研究CRS誤用和正常使用，使用剛性ISOFIX系統(tǒng)可以減少兩種模型20-25%的頸部合力和20%的合成力矩。因此剛性ISOFIX系統(tǒng)有效的減少了傷害。4.3.2 側面(cmin)碰撞在側面(cmin)碰撞條件下，沒有(mi yu)頂部栓帶會分別增加Hybrid III三歲模型和Q3模型頸部合力8%和15%。由于安全帶的松弛，Hybrid III三歲模型的頸部合力增加了15%，觀察CRS誤用和正常使用時同時兩種模型的合成力矩。比較兩種模型的合成力矩，得到Hybri

35、d III三歲模型的合成力矩值比Q3模型相對較高。這歸因于兩種模型的幾何形狀和剛度的不同。Q3/Q3s模型比Hybrid III三歲模型長14毫米，此外，Hybrid III三歲模型的硬度約是Q3/Q3s模型的十倍。結合剛性ISOFIX系統(tǒng)可以使兩種模型的頸部合力減小35%和55%。此外還可以減小兩種模型的合成力矩的50%。因此，剛性的ISOFIX系統(tǒng)可以減小側面碰撞中孩子頸部的受傷概率。5 結論 在正面和側面碰撞的實驗中，Hybrid III三歲模型和Q3模型結合CRS誤用或者正常使用進行了數值研究。研究了安全帶松弛和沒有頂部栓帶這兩種類型的誤用。此外還研究了使用剛性ISOFIX系統(tǒng)的影響，

36、通過定量和定性的分析，可以得出以下結論：1 在CRS配置軟性的LATCH系統(tǒng)時，如果安全帶松弛，頭部合成加速速度在正面和側面碰撞中分別增加了12%和15%（僅僅考慮Q3模型）。在這個研究中，認為當平均這兩種模型的響應時使用剛性ISOFIX系統(tǒng)輕微的減小頭部合成加速度的峰值。2 對于Q3模型，在使用軟性LATCH系統(tǒng)缺乏頂部栓帶條件下頭部合成加速度增加了12%，而當使用剛性ISOFIX系統(tǒng)時，頭部合成加速度的峰值在較小程度上有所減小。3 Hybrid III三歲模型安全帶松弛會使得頭部向前偏移值增加了20%，在沒有頂部栓帶的情況下，Hybrid III三歲模型和Q3模型頭部前部偏移值分別增加了7

37、0%和40%。4 兩種CRS誤用的形式使得Q3模型HIC15的值在正面和側面碰撞時分別增加了30-40%和10-20%。此外，安全帶松弛和沒有頂部栓帶會增加孩子由于獲得加速度導致的頭部受傷的可能性增加。5 在正面和側面碰撞(pn zhun)時，沒有頂部(dn b)栓帶會使得(sh de)Hybrid III三歲模型和Q3模型的頸部合力分別增加了5-10%和15-25%。此外在安全帶松弛時發(fā)生側面碰撞會使頸部合力值增加約15%。沒有頂部栓帶會使得兩種模型頸部旋轉量增大。6 使用十字形剛性ISOFIX系統(tǒng)，在正面和側面碰撞中頭部合成加速度分別減小了20%和25-65%。同時頭部的前部位移和橫向位移

38、分別減小了40-60%和20%。因此，剛性ISOFIX系統(tǒng)有效的減小了頭部接觸傷害和慣性傷害的可能性。7 正面碰撞下，CRS誤用和正常使用，使用剛性ISOFIX系統(tǒng)，使得兩種模型的頸部合力和合成力矩分別減小了20-25%和20%。在側面碰撞中，頸部合成力矩減小了50%。因此剛性ISOFIX系統(tǒng)有效的減小了孩子頸部受傷的概率。8 在同樣的測試條件下，發(fā)現Q3模型的頸部彎曲量大于Hybrid III三歲模型的。這導致頭部位移增大和頭部接觸傷害以及頸部慣性傷害的可能性，這兩種傷害都是孩子在汽車碰撞時發(fā)生傷害的主要原因。致謝對卓越Auto21網絡中心提供的財政支持表示感謝。感謝Graco公司的實物的貢

39、獻。此處表示和分析結論，意見不一定狀態(tài)或反映固瑞克公司。結論、觀點和分析表達并沒有標明和反映Graco公司。附錄A的數值模型開發(fā)A.1 CRS模型兒童座椅使用Graco公司提供的計算機輔助設計(CAD)界面建模的。按照ASTM D638M(ASTM，2004)完成拉伸試驗，為了確定聚丙烯材料在大變形下各部分CRS標本的機械特性。用游標卡尺測量到不同面板部分CRS的厚度為3.5和4.5毫米。CRS生成兩個不同的截面屬性，既將Belytschko-Tsay殼元素分配給厚度分別為3.5和4.5毫米CRS區(qū)域。各向同性軟性的塑料材料模型，利用Von米塞斯屈服準則選擇模型CRS的聚丙烯材料特性。密度值、

40、楊氏模量、泊松比分別為800kg/m3，0.842Gpa和0.3。兒童座椅的網格是由12728個節(jié)點和12728年殼牌元素組成。A.2 安全帶的約束和錨固技術安全帶的建模是通過一系列的CRS開口和渠道以及符合FMVSS 213標準假人模型。為了減少計算時間，部分通常接觸CRS后面的安全帶使用一維建模。連接到安全帶的一維元素和二維元素用于建模，安全帶和模型之間通過節(jié)點剛性體接觸。安全帶較低的三個部分經過孩子模型腹股溝并直接連接CRS。為了評估安全帶的力學特性，在CRS標本提取裝載/負載條件下獲得安全帶特性的信息完成拉伸試驗。這些測試是在室溫下速度為25mm/min液壓Tinius-Olsen試驗機下完成。從拉伸樣本提取的安全帶的裝卸特性包含CRS的從材料模型。圖一說明了從樣本中提取的安全帶特性。LS-DYNA里的織物材料模型選擇(xunz)模型化的二維安全帶有限元模型，密度值、楊氏模量、