儿童乘员侧面碰撞损伤机理与自适应防护方法研究

Accident statistics show that the AIS2+ injury risks to children suffer from side impacts are the highest rate in vehicle accidents. Since a lack of in-depth study of child injury mechanisms and no internationally recognized standards of child restraint systems side impact test method and evaluation criteria, it is still difficult to provide the best side impact protection for children of different statures. The main work of this project are as follows:(1) 6 years old child finite element model with high biological fidelity in side impact will be built and validated through biomechanics tests conducted on child cadavers and tissues;(2)The injury mechanisms of child occupant in side crashes will be systematically analyzed based on the built-in adaptive child safety seat which solved the problem of conventional additive child safety seat misuse combined by dynamic simulations;(3)Side impact sled test method of child restraint systems will be explored to develop and validate the theory of adaptive child restraint system side impact protection structure design;(4) The child occupant classification algorithm based on images and information fusion will be developed and the structural collaborative control design method will be built and validated to achieve the best protection for child occupants of different statures. Completion of this project will provide a new research idea for child occupant safety designing, while making a core design technology with independent intellectual property, and provide baseline data for child safety study.

事故统计表明，汽车侧面碰撞是儿童乘员受AIS2+损伤率最高的事故形态。由于缺少对儿童损伤机理的深入研究，国际上对儿童约束系统的侧面碰撞试验评价方法尚无一致认可的标准，因此不同年龄儿童乘员侧面碰撞防护已成为汽车安全领域的瓶颈问题。本项目将（1）开展儿童尸体及组织的生物力学实验研究，建立具有高侧面碰撞生物逼真度的6岁儿童有限元模型；（2）基于解决常规附加式安全座椅误用问题的内置式自适应儿童座椅特征，结合动态仿真和事故重建，系统分析儿童乘员侧面碰撞损伤机理；（3）探索儿童约束系统侧面碰撞台车试验方法，发展内置式自适应儿童约束系统侧面碰撞防护结构设计理论；（4）开发基于图像的多信息融合儿童体征识别算法，建立并验证防护结构协同控制设计方法，实现对不同身材儿童的最佳保护。本项目的完成将为儿童乘员安全设计提供一条新的研究思路，同时打造成具有自主知识产权的核心设计技术，并为儿童安全研究提供基础数据支撑。

由于儿童乘员的生理解剖学特征与成人的差异较大，针对成人设计的乘员约束系统，不能对儿童提供有效保护，甚至可能导致儿童乘员在交通事故中受伤或死亡。由于缺少基础数据，目前儿童约束系统侧面碰撞的试验方法和评价指标并没有达成共识。项目：（1）在前期联合中南大学湘雅三医院开展儿童生物力学实验研究的基础上，对比分析了1岁以上儿童颅骨及利用动物颅骨对人体进行替代研究的材料属性数据，研究了儿童乘员侧面碰撞事故中的头部、胸部及腹部损伤机理。（2）开发了内置式儿童乘员约束系统侧面碰撞实验平台，建立多刚体-有限元内置式儿童座椅约束系统耦合模型，并进行了滑车碰撞实验验证和多角度碰撞、不同约束形式的优化设计。（3）通过不同人体的CT扫描数据，基于形状统计分析技术和网格变换技术，包括图像阈值分割、标志点选取、空间位置匹配、主成分分析以及线性回归分析，建立了基于年龄、身高、性别以及BMI等体征的参数化骨骼和体表有限元模型，提出了基于年龄、身高、性别以及BMI的参数化乘员有限元模型建模方法，并根据尸体试验对所建立的模型进行验证并进行了约束系统优化设计应用，同时开发了重复性好、成本低以及可调波形的台车碰撞吸能缓冲装置。（4）提出了基于ASM特征的乘员状态模糊识别方法和基于乘员轮廓的图像识别融合坐垫压力分布的乘员体征和坐姿识别算法，针对单目视觉人体检测无法获得深度信息的问题，提出了一种利用双目立体视觉动态规划棒状像素的方法以识别复杂环境中乘员的体征。项目资助共发表论文17篇（SCI、EI收录15篇），会议论文1篇，全国学术会议特邀报告1次；获得国家发明专利授权4项，在申请发明专利3项；培养毕业博士研究生2名、硕士研究生14名；在读博士研究生4名，硕士研究生14名。项目成果为儿童乘车安全防护系统设计提供理论依据，并为汽车自适应乘员约束系统的发展提供数据支撑，同时研究成果可以应于军用车辆士兵的防护装置设计。