文摘

为了提高儿童座椅结构设计的安全性和舒适性,本文结合了人体工程学和形态元素分析儿童座椅的结构设计,建立事故模型。此外,获得的运动响应和损伤曲线与相应的实际测试运动的生物力学响应和损伤参数来分析儿童乘员损伤儿童乘员的损伤特征在正面和侧面碰撞,和评估标准的头,脖子和胸部受伤。此外,本文结合了智能设计方法设计一个安全座椅,满足孩子的需求。结果表明,儿童座椅的结构设计方法基于形态元素和人体工程学提出了可以发挥重要的作用在儿童座椅的设计。

1。介绍

儿童约束系统主要是为儿童设计的,专注于汽车保护儿童的安全,主要由约束皮带,骑乘设备,连接设备,固定设备和其他辅助设备。儿童约束系统是固定在汽车的内部座位降低儿童乘员的伤害通过限制孩子的运动的身体在发生碰撞,确保孩子的安全。一般的汽车儿童约束系统可调,以满足不同年龄的儿童的使用。儿童安全座椅是一种最常见的儿童约束系统,也是目前最常用和有效的儿童约束系统。是通过连接装置固定在汽车座椅,可以从汽车座椅在不用的时候为了不影响汽车的正常使用的座位。对于儿童安全座椅的正确使用,可以减少孩子们的致命的伤害71%,可以减少和严重的伤害67%。此外,儿童约束系统扮演着至关重要的角色在孩子的安全和保护居住者。

驾驶安全保护装置,汽车安全带是为成年人设计作为传统安全保护装置。然而,儿童的身体状况不符合使用成人安全带保护孩子的居住者从身体伤害,所以它不会有保护作用,但会对孩子造成伤害的居住者1]。孩子的骨头居住者不像成年人一样强烈。在发生车祸的时候,身体会向前由于巨大的惯性力。这时,汽车安全带会导致骨折,窒息,甚至破坏孩子的胸部肋骨(2]。汽车安全气囊也保护的成年人在发生事故。力的自动生成的通货膨胀和扩张气囊必须是致命的年幼的孩子。没有的优点和缺点,和孩子不能承受这样的力量。儿童安全座椅是专门为了保护孩子的行车安全。正确使用合格的儿童安全座椅,满足监管标准和质量保证是最有效的方式,以确保儿童的安全车(3]。

儿童安全座椅的现状并不乐观,主要在两个方面:低使用率和滥用率高。根据相关调查,尽管许多家长表示,他们非常关心孩子的安全车,打算使用儿童安全座椅,正确使用儿童安全座椅的速度仍然不高。

儿童安全座椅的研究和设计相对完整,但由于价格高,使用不方便,和复杂的操作,利用率很低,滥用率很高。为了解决当前问题的使用儿童安全座椅,许多研究机构和汽车公司已经开始开发集成的儿童安全座椅,也称为内置的儿童安全座椅,将整合一个简化版的儿童安全座椅汽车座椅。当一个孩子骑马、集成的儿童安全座椅和隐藏的不使用时打开,以免影响正常的成年人骑。

本文结合了人体工程学和形态元素分析儿童座椅的结构设计,并结合了智能设计方法设计一个安全座椅,满足儿童的需求,改善儿童座椅的结构的科学性。

2。相关工作

实验表明,造成的伤亡人数6岁以下的儿童使用儿童安全座椅是只有1/3的人使用汽车安全措施,所以有关各方相信使用儿童安全座椅是最好的方法来保护儿童乘员的安全。(4]。安装儿童安全座椅的重要性阐述了汽车,这是一个安全装置保护孩子居住在发生交通事故(5]。使用儿童安全座椅的详细分析了在澳大利亚,这是发现有很多误动作的儿童安全座椅,也有事件,无法正确安装儿童安全座椅6]。提出加强家长的安全意识,尽量避免错误的操作造成的事故的儿童安全座椅。儿童约束系统的使用在美国七个州的调查,和锁的操作系统研究和分析。这篇文章细节的关键作用的正确安装和使用汽车儿童安全座椅(7]。报告显示,儿童使用儿童安全座椅在一次交通事故中死亡率明显低于那些不(8]。儿童安全座椅可以保证孩子的安全居住者在很大程度上(9]。通过交通事故的统计分析,汽车儿童安全座椅的安全性测试和研究儿童乘员的伤害和保护交通事故都是由计算机模拟实验(10]。几个关键点的研究保护儿童安全汽车如下:汽车儿童安全座椅;的形状、内部结构、虚拟仿真碰撞实验;事故安全风险评估和计算机3 d建模研究[11]。

获得人类骨骼节点的坐标信息和角度主要骨架节点之间通过Kinect互动装置。杰克逊的帮助下处理开发语言,实现人体运动过程的可视化和实时传输的数据。和对于设计师用户来说,实时统计分析和可视化实现12]。现有坐姿态检测算法的分类及其优缺点进行了详细分析。PEO的帮助下坐的姿势模型,nonimmersive坐姿时,提出了基于Kinect设备的检测算法。设计和实现一个健康的坐姿说服系统和应用程序基于人类认知模型和验证其可行性13]。在Kinect传感器的基础上,阐述了躯体感觉电子相册的实现方法。Kinect传感器是用来捕捉人类骨骼节点,和人类的手势的三维空间坐标变换与预设的手势库信息,然后姿态信息的合法性判断和反馈给电子相册软件完成输出指令(14]。

安全带和助推器垫为方向开发一个集成开发孩子助推器坐垫;后方的居住者4岁以下的孩子,座垫是集成在汽车后座的一部分。的设计还考虑使用安全带。当不使用辅助座垫,座垫可以很容易地恢复成人旅客的座位15]。每个集成助推器席位都有两个级别的高度调整,以更好地为4 - 12岁的儿童提供舒适的克制。这种集成的助推器垫很容易使用和滥用率低,显示持续的重要性在中国推广使用儿童约束系统(16]。孩子们的表现在乘车途中也进行了研究。在骑,孩子们通常不以正确的姿势坐在座位上由于自己的愿望和车辆动力学的影响。这种类型的研究将提供一个设计基础为未来的约束系统(17]。

多点安全带关于儿童保护的影响分析了有限元模拟和电车碰撞试验。结果表明,六点安全带有最好的保护效果。同时,也提出了有限元仿真分析可以取代一些小车碰撞测试,从而减少开发成本和缩短开发周期17]。儿童乘员的损伤状态下正确和不正确的使用儿童安全座椅进行了研究[18]。三种碰撞条件模拟和分析集成的安全座椅,和变量设计参数进行了优化19]。

3所示。儿童座椅的结构设计基于形态元素和人体工程学

本文主要是基于最新的欧洲CRS规定,联合国ECE R129,定量的分析了儿童乘员的损伤在动态加载过程中指定R129评估儿童乘员的损伤参数的头部,颈部和胸部。

根据实验的结果,志愿者实验和动物实验,韦恩州立耐受曲线,代表头翻译加速度之间的关系,时间和伤害,是绘制,如图1。

为了使韦恩州立曲线适合各种头加速度波形,范思哲使用平均加速度之间的任何时间t1,t2 (t1 <t2)定义头部受伤指数(嗝):

图2显示了头部受伤的理论图指数(嗝)使用三轴复合加速度波形。它对应于一个特定的时间t₁三轴加速度复合的t₂测量最小时间间隔内的变化t₂−t₁最大时间间隔(15 ms或36女士)。的最大价值是寻求(之间的平均加速度是吗t₁和t₂)。

ECE R129规定,3女士连续累积复合加速度的头部(80克)和高性能计算(15)值(800)被用作3岁儿童头部损伤评价指标正面碰撞的过程。

ECE R129法规,损害孩子的脖子居住者评价指标包括上颈部轴向力F_z和上颈弯曲力矩米_y,但他们只是用于监视和不损伤阈值。FMVSS 208条例规定,颈部损伤指标由轴向力F_z测量在枕头和弯矩 ,和损伤阈值 ,,计算公式如下:

的公式,轴向力;在屈曲弯矩/扩展;和下标“int”指的是“拦截”,负载和时刻,分别相交轴。

胸部合成加速度(时间3 ms)作为损伤指标对孩子的胸部在联合国ECE R129法规,及其损伤阈值是55 g。此外,最常用的胸部损伤基准包括胸部变形(胸骨的位移相对于胸椎)和粘度标准VC值。的胸部变形量与胸部损伤引起的压缩高度相关,如胸骨折或肺损伤。VC值获得粘度标准V(t),C(t)。具体方法见公式(3)。主要探讨粘性损伤内脏的胸部在高速从粘性的角度性能的影响。适用范围(3米/秒到30 m / s)如图3。结果胸加速度测量在第四胸椎,T4。这种损伤指标不如胸相关的损伤变形,但由于颈、腰椎,肩膀关节,胸椎和约束所有传播力量,这些力量的比例可以研究损伤指标。

的公式, 通过胸部变形的差吗D(t);C(t)是瞬时压缩、变形的比值D(t)在那一刻最初的乳房厚度b。其损伤公差极限 。

有限元仿真软件LS-Dyna由利弗莫尔的软件开发技术,最初主要为武器设计提供分析。LS-Dyna是解算器,其预处理软件包括HyperMesh、Ansys, Patran。预处理软件,三维模型转化为元素和节点的方式,加载,限制,和边界条件应用于有限元模型,最后计算导出文件是关键字文件。LA-DYNA主要基于拉格朗日算法,可获得连续介质,主要解决物理问题,如爆炸、碰撞、液、流固耦合、金属加工和成型,和玻璃形成。LS-Dyna有强大的有限元分析能力和较高的计算精度,能准确反映每个组件的变形特点和应力应变的碰撞系统,以提供一个基础模型的改进结构。缺点是由于大量的单元模型,建模复杂,计算时间长。

拉格朗日是用来描述motion-deformation关系的部分,和中央差分法用于显示积分的计算。微量元素,可以获得以下方程:

的公式, 柯西应力张量;是身体力每单位质量;位移;p质量密度;t_我表面分布力: 是免费的前沿;和V是体积。

在(3空间域的对象),如果在研究中被定义为 ,采用虚拟位移场,空间域是由有限元离散我可以得到以下公式:

公式中,米是质量矩阵;{一个}是节点加速度向量;和{F_ext},{F_int}是外部和内部节点力向量。

公式(5)可以显示和综合使用中心差分方法,在时域运动方程的位移和速度可以从以前的时间步计算t:

的公式,的时间步长时间吗n,

采取整体位移计算公式(9)和节点的初始位置坐标向量操作,节点的坐标数据在任何新的时刻可以获得:

在一个循环中执行上述操作步骤,和时间步取决于网格的大小和材料参数。

电车座椅的有限元模型建立本文按照指定的尺寸和材料特性在联合国ECE R129规定(如图4)。实际的电车座位还包括一个电车结构支持ECE座位和rails的一部分连接到电车。本文简化了电车模型,只保留了ECE座位结构,主要由坐垫和靠背。图5是一个三维结构图的E-seat规定条例。这个几何模型预处理和网状HyperMesh 11.0,座垫和靠背几何模型划分为六面体网格和泡沫材料。因为这个模型是一个简化模型,为了更好地恢复实际结构,六面体网格覆盖着一层壳元素的材料。

本文主要分析了儿童安全座椅前面的身体保护类型和五点利用类型和测试模型主要是通过网上购物。前面座位的身体适合宝宝年龄在9个月到12年,五点载体的座位是适合婴儿0 - 4岁。它的物理图谱如图6。

儿童安全座椅的几何模型是通过反向扫描,和过程主要分为三个阶段,即数据采集、数据后处理和快速原型。

本文首先拆卸的儿童安全座椅在网上购买和拆卸部分分为两个部分:简单的标准形状和复杂形状。简单的标准形状在UG建模部分手工测量。对于复杂形状的零件,如座位,座位基地,头枕,等等,一般三维设计软件不能准确地恢复几何模型,而这些复杂的逆向三维扫描获得的部分。的一般过程如下。拆卸深色部分是喷洒开发人员方便扫描和识别。部分上的坐标点粘贴方便定位部分的仪器,可以粘贴的地方,更复杂的结构。接下来,扫描每一部分的每一部分尽可能多的细节部分获取点云数据。这是加工成我们需要使用的CAD几何模型Geomagic工作室。最后,使用UG完成组装。

后处理过程使用逆向软件Geomagic工作室主要包括点云和多边形数据处理、表面重建和错误检测模型,修改,在UG和组装。的一般处理流程如图Geomagic工作室7。

根据上面的反向扫描过程中,两个儿童安全座椅主要分析了拆卸和扫描。除了结构和形状,两个席位的反向扫描过程是相似的。

根据反向扫描获得的三维数字模型,几何清洁和啮合HyperMesh 11.0中进行了建立有限元模型的儿童安全座椅。座椅主要由框架、头枕基地,和其他承载部件,头枕和缓冲效果,侧面泡沫、前护板与约束效应,和五点安全带。其他配件,如布,海绵,等等,不重要的结构零件,这些零件在模拟被忽略。此外,由于五点带材料的特殊性,建立其有限元模型将在下一节介绍。

之前为有限元网格,使用11.0 HyperMesh软件导入3 d数字模型是几何清理,删除重复的表面,失踪的表面,和一些处理边界线。然后,需要严格控制网格质量标准划分网格时,以确保模型的准确性。划分网格的过程中,一些非关键部分可以适当简化。

框架、头枕、基地和其他儿童安全座椅的承载部分除以壳元素,和材料给ls - dyna软件图书馆MAT-24分段线性弹塑性材料(PP塑料)。其中,前面的基础body-protecting吹塑制成的座位,所以材料给MAT-3弹塑性材料在材料LS-DYNA图书馆软件。模拟,真实应力-应变曲线给出的材料,和真正的应力-应变曲线F(力)年代(位移)曲线的材料通过材料拉伸试验获得的。

与传统汽车相比,儿童安全座椅,这个设计儿童舒适性的同时解决了问题,兼容性,和安全。与现有技术相比,双向骑综合儿童安全座椅具有以下优势。(1)它集成了两个骑模式:后退和前进。向后整合的实现可以更好地保护儿童的骑行安全,适用于更广泛的孩子。(2)它集成了可折叠的儿童安全座椅的靠背成人座椅和座椅不会有大位移在发生碰撞,哪个更有利于保护儿童。特别是,骑在一个后置的位置时,孩子们可以在正面和侧面碰撞保护由于成人座椅靠背的保护。(3)儿童游乐设施直接在儿童安全座椅,而不是成人座椅,舒适性是与以前相比大大提高了集成的儿童安全座椅。(4)可折叠座椅靠背的儿童安全座椅可以删除如果不使用很长一段时间,以免影响正常使用的树干,折叠尺寸很小,轻便,便于携带和储存。(5)你可以选择五点安全带或三点安全带约束孩子。婴儿前置和后置年轻孩子,五点安全带可以用来克制而骑。 For older children, three-point seat belt restraints can be used when riding forward.

4所示。有限元建模与仿真

本文的仿真分析方法选择有限element-multi-rigid-body耦合,建立了耦合仿真模型。据欧洲ECE R129监管问系列多刚体儿童虚拟模型被选中。有限element-multi-rigid-body耦合分析方法结合有限元方法和多刚体系统动力学方法。这种耦合方法通常用于汽车侧面碰撞的分析。在侧面碰撞,假的反应和身体的变形形式相互影响的耦合过程。有很多分析在正面碰撞仿真分析计算方法,但有时他们在侧面碰撞条件下不适用。LS-DYNA和参数耦合仿真分析方法的优点结合强啡肽汽车结构有限元分析和NADYMO multi-rigid虚拟约束系统分析。这种耦合计算不仅避免了情况计算终止由于经常出现负体积,在计算过程中,还可以快速反映了乘员损伤情况,和适用于影响和正面碰撞仿真分析。耦合分析的原则是,LS-DYNA通过耦合接口和参数化进行耦合分析,软件和信息从一个到另一个通过相同的耦合接口进行。这两个软件的解决同时操作,完成数据的传输和交换的过程中操作,分别和获取所需的数据。

在这项研究中,儿童安全座椅的结构变形需要考虑,同时,儿童乘员的损伤和运动碰撞仿真过程中应该进行分析。此外,儿童需要使用多个年龄段的模型,所以multi-rigid-finite元素耦合分析方法不仅可以满足需求的结果分析,而且可以减少工作量,加快计算速度。碰撞仿真通过耦合接口建立耦合模型。最后,不仅儿童安全座椅的结构变形可以回应,而且孩子的伤害值和运动仿真可以回应。本文建立的耦合模型的步骤如下:

(1)座位的三维模型导入到HyperMesh软件,并建立了座椅的有限元模型,包括前后的两种模型。(2)Multi-rigid选择不同年龄段儿童假人,和一个五点安全带约束系统建立参数化软件。(3)有限元模型和儿童安全座椅带multi-rigid身体模型导入到耦合助理软件耦合,儿童假人的坐姿调整,有限元模型之间的联系和multi-rigid身体虚。(4)耦合模型推导和计算结果。具体流程图如图8。

的影响在此基础上,儿童座椅的结构设计方法基于形态元素和人体工程学提出了验证,并评价分数的结构性影响孩子的座位在本文设计计算。本文主要从两个角度评价的安全和舒适,结果如表所示1和2得到了。

从上面的研究,可以看出,儿童座椅的设计方法基于形态学结构元素和人体工程学提出了可以发挥重要作用在儿童座椅的设计。

5。结论

为了增加儿童安全座椅的普及,提高儿童安全座椅的质量,增加儿童安全座椅的安全性,并减少孩子的约束在座位上,本文分析和总结了现有汽车儿童安全座椅的缺点通过分析孩子的生理和心理。此外,本文进行了一次调查,儿童安全座椅的设计要求对现有用户和更好的将用户需求集成到智能儿童安全座椅的设计为儿童提供包括生理的和心理的保护。本文结合了人体工程学和形态元素分析儿童座椅的结构设计,并结合了智能设计方法设计一个安全座椅,满足孩子的需求。结果表明,儿童座椅的结构设计方法基于形态元素和人体工程学提出了可以发挥重要的作用在儿童座椅的设计。

数据可用性

标签数据集用于支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者声明没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是由山东青年政治学院的支持。