混杂工况下儿童胸腹部损伤机理与自适应吸能约束系统研究

In order to improve the safety of children in car, it is urgent to find out the thoracic and abdominal injury mechanism of children and the endergonic characteristics of adaptive restraint system. Combined with real human motion characteristics and local, global verification, this project will construct multi-seat, multi-age children biomechanical models in accordance with the anatomical structure of thorax and abdomen in China; study the multi-model coupling method, establish human-vehicle coupling models. Based on the mixed conditions (the different combinations of ages, collision conditions, wearing styles of seatbelt, sitting postures), this project will study the influence rule of the part mass parameters and centroid trajectories of children, the restraint system parameters to the bone and visceral injury parameters of children's thorax and abdomen, to explore the relationship between human body quality parameters, human body movement parameters, restraint system parameters and children's thoracic and abdominal injury, to reveal the thoracic and abdominal injury mechanism of children. Based on the human-vehicle coupling models and the vehicle airbag-seatbelt model, this project will set up human-vehicle-belt coupling models, to study the effect rule of various design parameters of the vehicle airbag-seatbelt device to the bone and visceral injury parameters of children's thorax and abdomen, to optimize design parameters, to clean the protective effect of the vehicle airbag-seatbelt device, to clarify the endergonic characteristics of adaptive restraint system, providing theoretical basis and technological support for developing new child protection devices.

为提高儿童乘车安全，迫切需要探明儿童胸腹部损伤机理与自适应约束系统的吸能特性。本项目结合真实人体运动特性及局部与整体验证，构建符合我国儿童胸腹部解剖结构的多坐姿、多年龄儿童生物力学模型；研究多模型耦合方法，建立人车耦合模型。基于混杂工况（年龄、碰撞工况、安全带佩戴形式、坐姿的不同组合），研究儿童各部位质量参数、各质心运动轨迹，以及各约束系统参数对儿童胸腹部骨骼与内脏损伤参数的影响规律，探索人体质量参数、人体运动参数、约束系统参数与儿童胸腹部损伤的关系，揭示儿童胸腹部损伤机理。基于人车耦合模型与机动车气囊式安全带模型，搭建人—车—安全带耦合模型，研究机动车气囊式安全带装置的各设计参数对儿童胸腹部骨骼与内脏损伤参数的影响规律，优化其设计参数，明确机动车气囊式安全带装置的保护功效，阐明自适应吸能约束系统的吸能特性，为研发新型儿童保护装置提供理论基础与技术支撑。

儿童是道路交通安全中的弱势群体，发生交通事故时，儿童死亡或重伤的概率远高于成人。相比成人，受伤儿童需要更长的恢复周期与看护时间，这给所在家庭带来沉重的心理负担与巨大的经济损失。2017至2019年，我国小学在校人数连续三年超过1亿人，如此数量庞大的儿童往返于学校与住所之间，亟需安全性能卓越的载运工具——校车。本项目通过应用生物力学与车辆工程学科交叉，聚焦校车儿童乘员的胸腹部损伤行为，研究了混杂工况下儿童乘员的运动学响应和损伤特点与自适应约束系统的吸能特性，具体包括：（1）确定了具有代表性的6岁、12岁儿童人体尺寸及骨骼与内脏几何形态；探索了局部与整体结合验证儿童生物力学模型有效性的方法；基于真实人体运动特性及局部与整体结合验证，构建了符合我国儿童胸腹部解剖结构的多坐姿下儿童生物力学模型；为研究多坐姿下儿童胸腹部损伤机理、自适应约束系统的吸能特性创立基础条件，驱动创新性研究。（2）建立并验证了校车仿真模型；研究了多模型耦合方法，构建了儿童生物力学模型与校车仿真模型的人车耦合模型；在多年龄、多碰撞工况、多安全带佩戴形式与多儿童坐姿的组合下，厘清了人体质量参数、人体运动参数、约束系统参数与儿童胸腹部损伤的函数关系，揭示了儿童胸腹部损伤机理；进而确立儿童处于多种坐姿时，胸腹部的损伤阈值与耐受极限，为最大限度提升儿童胸腹部的保护功效，确立研发目标。（3）提出一种校车自适应约束系统，搭建了校车—常开式安全气囊耦合模型；揭示了常开式安全气囊设计参数对儿童乘员损伤指标的函数关系；开展了常开式安全气囊的优化设计，获得了主要设计参数的最优组合；明确了常开式安全气囊的保护功效，阐明了校车自适应约束系统的吸能特性，为研发新型儿童保护装置提供了理论基础与设计策略参考。