汽車正面碰撞中兒童乘員約束系統(tǒng)的仿真研究

高 偉，陳 鵬

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 汽車工程系，湖北 十堰 442002）

汽車正面碰撞中兒童乘員約束系統(tǒng)的仿真研究

高 偉，陳 鵬

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 汽車工程系，湖北 十堰 442002）

利用MADYMO軟件，建立了3歲兒童乘員正面碰撞仿真模型，并對(duì)該模型的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，分析了汽車座椅安全帶及兒童約束系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)兒童乘員損傷的影響，提出了降低兒童乘員損傷的措施。

正面碰撞；兒童約束系統(tǒng)；損傷

隨著我國(guó)汽車保有量的增長(zhǎng)，交通事故頻繁發(fā)生。汽車裝備的常規(guī)座椅、安全帶約束系統(tǒng)和安全氣囊是針對(duì)成人設(shè)計(jì)的，不能對(duì)兒童乘員提供保護(hù)，反而帶來(lái)的是嚴(yán)重的傷害。根據(jù)公安部發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)每年超過(guò)1.85萬(wàn)名14歲以下兒童死于交通安全事故，死亡率是歐洲的2.5倍、美國(guó)的2.6倍，交通事故已經(jīng)成為14歲以下兒童的第一死因。［1］兒童乘車安全問(wèn)題受到社會(huì)的廣泛關(guān)注，相關(guān)研究表明：汽車兒童乘員約束系統(tǒng)對(duì)于車輛碰撞中保護(hù)兒童乘員的安全性作用效果明顯。歐美等國(guó)家紛紛出臺(tái)兒童安全乘車法規(guī)，要求兒童在乘車時(shí)必須使用兒童約束系統(tǒng)（CRS），而我國(guó)在這方面才剛剛起步。本文運(yùn)用MADYMO軟件，建立Taurus轎車后排座椅、汽車座椅安全帶、兒童約束系統(tǒng)的仿真模型，通過(guò)正面碰撞的仿真，分析兒童約束系統(tǒng)和汽車座椅安全帶的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)兒童乘員在碰撞中受到損傷的影響。

1 仿真模型的建立

仿真模型包括Taurus轎車后排座椅、汽車座椅安全帶、兒童約束系統(tǒng)（含五點(diǎn)式安全帶）和P3兒童假人。其中，汽車座椅模型、兒童安全座椅模型為多剛體模型；汽車座椅安全帶、兒童安全座椅五點(diǎn)式安全帶為多體和有限元耦合的模型。兒童假人模型采用MADYMO 6.2.1數(shù)據(jù)庫(kù)中的P3系列兒童假人模型。

兒童安全座椅原形是一款己通過(guò)ECER44法規(guī)試驗(yàn)驗(yàn)證，適合0～4歲兒童使用的座椅，該座椅既可以前向安裝也可以后向安裝。兒童安全座椅模型由15個(gè)橢球構(gòu)成，并將全部的橢球定義為一個(gè)剛體，質(zhì)量為15 kg，采用前向安裝的方式，通過(guò)汽車座椅安全帶固定在汽車后排座椅上。

2 仿真模型有效性分析

為了驗(yàn)證整個(gè)仿真模型的有效性，進(jìn)行了與FMVSS213法規(guī)規(guī)定的試驗(yàn)要求一致的仿真。通過(guò)MADYMO軟件計(jì)算輸出假人響應(yīng)，主要是頭部和胸部加速度數(shù)據(jù)以及頭部損傷標(biāo)準(zhǔn)HIC15值。頭部合成加速度及胸部合成加速度曲線分別如圖1所示。假人輸出的頭部合成加速度、胸部合成加速度峰值和頭部損傷標(biāo)準(zhǔn)HIC15值如表1所示。

圖1 假入輸出的加速度曲線

表1 假人輸出的各損傷參數(shù)峰值

由表1可以看出，假人頭部、胸部合成加速度峰值和頭部損傷標(biāo)準(zhǔn)HIC15值均在美國(guó)FMVSS213法規(guī)規(guī)定的范圍內(nèi)［2］。因此，本文所建立的仿真模型有效，可以用于后續(xù)的研究。

3 兒童約束系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的仿真

兒童乘員約束系統(tǒng)為兒童提供最直接的保護(hù)，所以其設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)碰撞中兒童乘員的響應(yīng)有著重要的影響［3］。在已驗(yàn)證模型的基礎(chǔ)上，針對(duì)兒童安全座椅與汽車座椅之間的摩擦系數(shù)、汽車座椅安全帶剛度和兒童座椅安全帶肩帶固定點(diǎn)位置對(duì)兒童乘員損傷的響應(yīng)進(jìn)行了仿真分析。

3.1 兒童安全座椅與汽車座椅的摩擦系數(shù)的影響

兒童安全座椅與汽車座椅之間的摩擦系數(shù)是兒童約束系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)之一。在碰撞過(guò)程中，兒童安全座椅與汽車座椅之間的摩擦力會(huì)影響到兒童座椅在碰撞中的運(yùn)動(dòng)情況，從而影響到假人頭部和胸部的響應(yīng)［4］。本文選取了兒童安全座椅和汽車座椅之間的摩擦系數(shù)分別為0.2、0.3（原方案）和0.4，其余參數(shù)均保持不變，進(jìn)行計(jì)算。各損傷參數(shù)輸出結(jié)果如圖2及表2所示。

圖2 摩擦系數(shù)不同時(shí)加速度曲線

表2 摩擦系數(shù)不同時(shí)各損傷參數(shù)匯總表

從圖2中可以看出，當(dāng)兒童安全座椅和汽車座椅間的摩擦系數(shù)不同時(shí)，各損傷參數(shù)曲線的形狀、脈寬及走向趨勢(shì)均比較接近，但各損傷參數(shù)出現(xiàn)峰值的時(shí)刻不同。

由表2可以看出，當(dāng)兒童安全座椅與汽車座椅間的摩擦系數(shù)增大時(shí)，頭部加速度峰值及頭部HIC15值隨之增大而降低，胸部加速度峰值隨之增大而增大，這是由于摩擦系數(shù)增大，兒童安全座椅和汽車座椅間的摩擦力增大，從而約束了兒童安全座椅的運(yùn)動(dòng)，降低了兒童乘員頭部的加速度響應(yīng)。

3.2 汽車座椅安全帶剛度的影響

兒童安全座椅通過(guò)汽車座椅安全帶固定在汽車后排座椅上，汽車座椅安全帶對(duì)兒童安全座椅的約束力影響兒童安全座椅在碰撞中的運(yùn)動(dòng)情況，從而影響到兒童假人的響應(yīng)。通過(guò)改變汽車座椅安全帶的剛度來(lái)調(diào)節(jié)汽車座椅安全帶對(duì)兒童安全座椅的約束能力。圖3為仿真輸出頭部合成加速度曲線和胸部合成加速度曲線。將汽車座椅安全帶的加載、卸載曲線Y方向值上乘以一個(gè)比例系數(shù)0.5、1（原方案）和2，其他參數(shù)均保持不變［4］。

從圖3可以看出，各損傷參數(shù)曲線形狀及趨勢(shì)受汽車安全帶剛度影響不大。從各損傷參數(shù)匯總表（表3）對(duì)比結(jié)果可以看出，各損傷參數(shù)隨著汽車座椅安全帶的剛度的增大而減小，這主要是因?yàn)楫?dāng)汽車座椅安全帶剛度增加時(shí)，汽車座椅安全帶對(duì)兒童安全座椅的約束力增強(qiáng)，從而降低了兒童乘員的頭部和胸部加速度響應(yīng)。

圖3 安全帶剛度不同時(shí)加速度曲線

表3 安全帶剛度不同時(shí)各損傷參數(shù)匯總表

3.3 兒童座椅安全帶安裝位置的影響

兒童假人是由兒童座椅安全帶約束在兒童安全座椅上，故不僅兒童約束系統(tǒng)安全帶的性能參數(shù)可能對(duì)假人的響應(yīng)造成影響，結(jié)構(gòu)參數(shù)也可能對(duì)假人的響應(yīng)產(chǎn)生影響。為了研究?jī)和伟踩珟У拇┛孜恢脤?duì)兒童乘員響應(yīng)的影響，取兒童安全座椅上的3個(gè)不同的安全帶穿孔位置（圖4）進(jìn)行了仿真，其他參數(shù)均保持不變。

圖4 兒童座椅安全帶穿孔位置示意圖

圖5分別為兒童座椅安全帶不同穿孔位置各損傷參數(shù)曲線，表4為各損傷參數(shù)峰值。從圖5可以看出，當(dāng)兒童座椅安全帶穿孔位置改變時(shí)，兒童假人各損傷參數(shù)曲線的形狀、脈寬及走向趨勢(shì)比較接近，但各損傷參數(shù)峰值變化較大。

由表4可以看出，安全帶穿孔位置在高固定點(diǎn)或低固點(diǎn)時(shí)，其胸部加速度曲線的峰值均低于原方案，這主要是由于安全帶穿孔位置在高定點(diǎn)或低固點(diǎn)時(shí)與原方案相比，穿孔處到兒童乘員肩部的安全帶較長(zhǎng)，使兒童安全帶在碰撞過(guò)程中可以被拉伸更長(zhǎng)的距離吸收以吸收能量，從而降低了兒童乘員的胸部加速度響應(yīng)，但是安全帶較長(zhǎng)會(huì)使兒童乘員在碰撞中與汽車前排座椅發(fā)生碰撞，故在高固定點(diǎn)或低固定點(diǎn)位置頭部加速度響應(yīng)較大。

圖5 安全帶安裝位置不同時(shí)加速度曲線

表4 安全帶安裝位置不同時(shí)各損傷參數(shù)匯總表

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)建立汽車正面碰撞兒童乘員約束系統(tǒng)的仿真模型，研究了汽車座椅和兒童安全座椅之間的摩擦系數(shù)、汽車座椅安全帶的剛度和兒童座椅安全帶穿孔位置等設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)兒童乘員損傷的影響，仿真分析結(jié)果表明，各參數(shù)對(duì)兒童乘員的頭部及胸部加速度、頭部損傷標(biāo)準(zhǔn)HIC15值有著不同程度的影響。兒童安全座椅設(shè)計(jì)和使用時(shí)，為了降低碰撞中兒童乘員的損傷，可以采取下列措施：1）使用ISOFIX或LATCH系統(tǒng)等固定裝置，可以避免使用安全帶固定時(shí)容易出現(xiàn)松弛的現(xiàn)象；2）要依據(jù)兒童乘員實(shí)際情況選擇兒童座椅安全帶的結(jié)構(gòu)形式、佩戴舒適性和適用范圍；3）采用新型適用的兒童座椅安全帶，如預(yù)緊式安全帶、限力式安全帶等。

［1］孔 軍，馬 偉.車內(nèi)乘員安全及其約束系統(tǒng)的研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：信息與管理工程版，2007，29（6）：77-80.

［2］National Highway Traffic Safety Administration.FMVSS213：Child Restraint Systems［S］.2003.

［3］馬 偉.車輛正面碰撞中兒童乘員約束系統(tǒng)的仿真研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2008.

［4］高 偉，鄧召文.汽車側(cè)碰撞兒童約束系統(tǒng)模型的建立及其設(shè)計(jì)參數(shù)的仿真研究 ［J］.湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008（4）：12-17.

Simulation of Child Restraint System for Child Occupants in Vehicle Frontal Impact

Gao Wei，Chen Peng
（Dept.of Automotive Engineering,Hubei Automotive Industries Institute，Shiyan 442002，China）

The simulation model of frontal impact was set up for the 3-year-old child occupants using MADYMO software and validity of the model was validated.The influences of the seat belt and relevant design parameters of the child restraint system（CRS）on child occupants’injuries in frontal impact were analyzed.The methods of reducing child occupants’injuries were brought forward.

frontal impact；child restraint system（CRS）；injury

U461.91

A

1004-5483（2010）04-0016-04

10.3969/j.issn.1008-5483.2010.04.005

2010-11-15

高 偉（1978-），女，吉林農(nóng)安人，碩士，主要從事汽車被動(dòng)安全研究。