兒童乘員傷害指標(biāo)及下潛趨勢的影響因素*

唐亮 吳滔滔 周青 鄧濱

(1.北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京100083;2.清華大學(xué) 汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室，北京100084;3.通用汽車中國科學(xué)研究院，上海201206)

在目前的歐美國家關(guān)于兒童乘員安全的法規(guī)ECE R44 和 FMVSS213［1-2］中，其損傷評估標(biāo)準(zhǔn)基于假人頭部加速度、頭部位移、胸部加速度和頸部受力等，但沒有腹部的相關(guān)評價標(biāo)準(zhǔn).Kate等［3］指出，在兒童乘員碰撞保護(hù)中，頭部仍是首要保護(hù)的部位，腹部保護(hù)的重要性逐漸增加.腹部傷害主要由下潛造成，下潛是指在正面碰撞過程中安全帶腹帶滑離乘員骨盆，直接侵入腹部的現(xiàn)象，腹帶侵入腹部易引起內(nèi)臟傷害.兒童由于身材較小，易發(fā)生下潛［4］.Arbogast等［5］通過統(tǒng)計交通事故中16歲以下兒童的傷害情況，得出4歲到8歲兒童的腹部損傷比例最高，是9歲到16歲兒童的2.6倍，3歲以下兒童的24.5倍.在已有的研究中，針對兒童乘員的下潛研究較少，主要是缺乏對于兒童乘員的下潛評估方法.文中提出了一個兒童乘員的下潛評估準(zhǔn)則，即安全腹帶相對腹部的最大滑移量，同時提出了減小兒童乘員下潛趨勢的設(shè)計.

文中提出的減小兒童乘員下潛趨勢的方法是使用增高墊并結(jié)合使用針對兒童乘員的安全帶限力器和預(yù)緊器.現(xiàn)有安全帶限力器和預(yù)緊器的設(shè)計是針對成年乘員［6-7］.Mertz等［8］發(fā)現(xiàn) 6kN 限力器能夠?qū)⒒膦?0th假人胸部壓縮量降低40%.針對成人設(shè)計的限力值對于兒童乘員相對偏高，會增加兒童在碰撞中的傷害.文中針對6歲兒童乘員，優(yōu)化出兒童乘員的限力器限力值.現(xiàn)有的研究都是針對卷收器預(yù)緊器、鎖扣預(yù)緊器［9］，對于安全帶固定點處增加錨點預(yù)緊器對兒童乘員的保護(hù)效果目前還沒有相關(guān)研究.文中研究了錨點預(yù)緊器對兒童乘員的保護(hù)效果，并優(yōu)化得出兒童乘員所需的預(yù)緊量.

1 仿真平臺描述

利用本實驗室前期采用逆向工程方法搭建MADYMO環(huán)境下的兒童約束系統(tǒng)仿真平臺，如圖1所示［10］.該仿真模型針對汽車后排座椅環(huán)境，模型包括:汽車后排座椅、成人安全帶、兒童增高墊、汽車前排座椅椅背等.其中汽車后排座椅模型和兒童增高墊模型為有限元模型，汽車前排座椅為Facet模型，成人安全帶系統(tǒng)為多剛體和有限元混合模型.增高墊有限元模型如圖2所示.增高墊的材料參數(shù)由材料試驗測得.

圖1 汽車后排座椅環(huán)境下的兒童約束系統(tǒng)模型Fig.1 Model of child restraint system in vehicle rear seat

圖2 增高墊有限元模型Fig.2 Finite element model of booster seat

研究中采用MADYMO假人數(shù)據(jù)庫中的HybridⅢ系列6歲多剛體兒童假人模型.安全帶的布局和后座環(huán)境的尺寸通過測量某款中級車型獲得.汽車坐墊的剛度參考了ECE R44臺車試驗的要求，卷收器、預(yù)緊器、限力器等參數(shù)的定義參考了MADYMO提供的模板，坐墊與增高墊之間摩擦系數(shù)和假人與增高墊之間摩擦系數(shù)通過摩擦試驗獲得，所有的仿真試驗在49 km/h臺車試驗的環(huán)境下進(jìn)行，臺車所經(jīng)歷的加速度脈沖是從一個ECE R44臺車試驗中獲取的，如圖3所示.

圖3 ECE R44臺車試驗測試得到的加速度脈沖Fig.3 Acceleration curves obtained by ECE R44 sled test

2 兒童座椅約束系統(tǒng)控制參數(shù)研究

目前安全帶限力器和預(yù)緊器針對成人設(shè)計，對成年乘員具有很好的保護(hù)效果，兒童乘員所用的安全帶限力器的限力值和預(yù)緊器的安裝位置究竟應(yīng)該如何設(shè)置才能夠?qū)和藛T給予適當(dāng)保護(hù)是一個值得研究的問題.文中針對兒童增高墊約束系統(tǒng)對這兩個參數(shù)進(jìn)行研究.如前文所述，增高墊改變了兒童乘員的坐高以及安全帶肩帶和腹帶相對乘員的走向，所以安全帶限力器的限力值和預(yù)緊器的安裝位置必須在增高墊和兒童乘員身材的限定條件下相匹配.根據(jù)兒童乘員在交通事故中的主要受傷情況，分析時重點關(guān)注下潛風(fēng)險以及頭部和胸部損傷指標(biāo)，為了量化發(fā)生下潛的趨勢，仿真結(jié)果輸出了XZ平面內(nèi)安全帶腹帶相對腹部的最大滑移量，滑移量越大說明下潛趨勢越明顯.

2.1 安全帶預(yù)緊器影響

為研究預(yù)緊器在兒童增高墊約束系統(tǒng)中對兒童乘員碰撞響應(yīng)以及保護(hù)效果的影響，通過改變預(yù)緊器的安裝位置，分析了如表1所示的4種工況，其中卷收器預(yù)緊器是從肩帶一端預(yù)緊，錨點預(yù)緊器是從腹帶一端預(yù)緊，預(yù)緊器的預(yù)緊量是通過優(yōu)化計算得到的在此工況下具有最低傷害的最佳預(yù)緊量.

表1 預(yù)緊器工況Table 1 Load cases for pretensioner

在普通的汽車座椅安全帶系統(tǒng)里，安全帶肩帶可以通過帶扣滑環(huán)滑入腹帶部分，腹帶也同樣可以通過帶扣滑環(huán)滑入肩帶部分.在帶扣滑環(huán)處使用安全帶雙向鎖止器，可防止安全帶肩帶和腹帶通過帶扣滑環(huán)的滑動，有可能增加保護(hù)效果.工況4中使用了這樣的安全帶雙向鎖止器.

表2列出了4種工況下的仿真計算結(jié)果，包括兒童乘員的損傷指標(biāo)及腹帶滑動距離對比.腹帶滑移量越大表示兒童乘員的下潛趨勢越大.如果腹帶滑離髖部髂骨(假人中有對應(yīng)的硬結(jié)構(gòu))的支撐，侵入了腹部軟組織，即發(fā)生了下潛.對于6歲假人，結(jié)合仿真動畫和對假人的測量能夠得到臨界腹帶滑動量(剛好發(fā)生下潛時，腹帶的滑動量)為30mm.兒童乘員碰撞過程中的頭部、胸部合成加速度時間歷程的對比如圖4(a)、(b)所示.骨盆向后轉(zhuǎn)角時間歷程曲線如圖4(c)所示，而乘員的下潛趨勢隨骨盆向后旋轉(zhuǎn)角度的增大而增加［11-12］.

表2 不同預(yù)緊器工況下?lián)p傷指標(biāo)響應(yīng)峰值Table 2 Injury indexes and peak values in different pretensioner cases

圖4 不同預(yù)緊器工況下的假人響應(yīng)曲線對比Fig.4 Comparisons of impact responses of dummy in different pretensioner cases

仿真工況2中在卷收器處增加了預(yù)緊器，與基準(zhǔn)模型相比，比較表2中的頭部損傷指標(biāo)可見，增加預(yù)緊量有利于降低頭部損傷指標(biāo)HIC和頭部前向最大位移;由頸部損傷指標(biāo)比較可見，盡管幅度不大，但肩帶預(yù)緊還是可以降低頸部損傷指標(biāo)Nij;由胸部損傷指標(biāo)比較可見，肩帶預(yù)緊，會減少胸部3ms合成加速度和胸部壓縮量，胸部垂直加速度有所增加，但遠(yuǎn)小于法規(guī)規(guī)定值;由下潛指標(biāo)可見，腹部滑移量由基準(zhǔn)模型的31 mm降低為23 mm，表明下潛趨勢降低.這是由于適當(dāng)增加肩帶預(yù)緊量，腹帶通過滑環(huán)進(jìn)入肩帶，有利于減少腹帶間隙，減小了骨盆向前運動的位移，從而減小骨盆后向轉(zhuǎn)角(如圖4(c)所示)，降低了下潛風(fēng)險.

仿真工況3中在錨點處加預(yù)緊器有利于減小頭部、頸部和胸部位移，但卻有較大的腹部滑移量，即較大的下潛風(fēng)險，這是因為錨點處的預(yù)緊器在預(yù)緊時，肩帶通過滑環(huán)滑入腹帶，致使肩帶間隙減小，腹帶間隙卻無顯著減小.在安全帶鎖扣處加上安全帶雙向鎖止器(工況4)，防止了肩帶和腹帶之間的相互滑動，所以肩帶間隙不會減小，上身前向運動趨勢增加;腹帶間隙減小，骨盆前向運動減少，從而減小了腹帶滑移量，即減小了乘員的下潛風(fēng)險，但由于安全帶肩帶部分依然有較大的間隙，從而造成了較大的頭部、頸部和胸部傷害值.

綜上所述，增加卷收器預(yù)緊器能夠降低假人與約束系統(tǒng)的初始間隙，降低假人的各項損傷指標(biāo)，增加錨點預(yù)緊器同樣能夠降低主要損傷指標(biāo)，但卻增加了下潛的風(fēng)險.預(yù)緊器對下潛的影響與預(yù)緊位置有關(guān)，若要消除下潛趨勢，需要結(jié)合肩帶限力器引起的胸部“前傾效應(yīng)”.下面一節(jié)將對限力器的影響進(jìn)行討論.

2.2 肩帶限力器影響

現(xiàn)有的安全帶限力器是針對成年人設(shè)計的，不能對兒童乘員起到很好的保護(hù)作用.文中通過改變安全帶限力器限力值，設(shè)計分析了3種工況對兒童乘員的保護(hù)效果，如表3所示.限力器的位置在卷收器處，限力值分別為2.5和4.0kN.基準(zhǔn)模型中沒有限力器.3種工況的仿真計算損傷指標(biāo)及響應(yīng)參數(shù)峰值對比如表4所示，加速度時間歷程曲線和胸部壓縮量曲線分別如圖5(a)、(b)、(c)所示.

表3 限力器工況Table 3 Load cases for load limiter

表4 不同限力器工況下的損傷指標(biāo)響應(yīng)峰值Table 4 Injury index and peck values in different load limiter cases

圖5 不同限力器工況下的假人響應(yīng)曲線對比Fig.5 Comparisons of impact responses of dummy in different load limiter cases

仿真工況2中限力值為2.5 kN，比較表4所示的胸部損傷指標(biāo)可見，減小限力值，有利于減小胸部最大3ms合成加速度以及胸部壓縮量.從骨盆相對角位移(如圖5(d)所示)和腹帶相對腹部滑移量可以看出肩帶限力器能夠降低下潛風(fēng)險.骨盆后向角位移越大，下潛風(fēng)險越大;峰值的時間點越早，說明假人的“前傾效應(yīng)”引起盆骨相對胸部提前反彈，下潛趨勢被抵消，引起反彈的因素正是上身的“前傾效應(yīng)”(如圖6所示).

限力值4.0kN情況下(工況3)，各損傷指標(biāo)和響應(yīng)參數(shù)與基礎(chǔ)模型區(qū)別不大.說明對于6歲兒童，4.0kN的肩帶限力值過大，對乘員的響應(yīng)影響不明顯.

綜上所述，對于6歲兒童，使用2.5 kN左右的肩帶限力器可降低假人的胸部傷害指標(biāo)，并通過假人胸部的“前傾效應(yīng)”抵消了下潛趨勢.

圖6 肩帶限力對假人運動姿態(tài)的影響(動畫時刻為150ms)Fig.6 Effect of load limiter force of shoulder belt on dummy posture(animation time:150ms)

3 結(jié)論

文中通過進(jìn)行兒童乘員約束系統(tǒng)的碰撞仿真優(yōu)化分析，針對6歲兒童乘員使用增高墊和安全帶，得出以下結(jié)論:

(1)卷收器預(yù)緊器能減小安全帶肩帶和腹帶的初始間隙，有利于減小兒童乘員頭部、頸部和胸部傷害值，同時減小兒童乘員的下潛風(fēng)險.

(2)錨點預(yù)緊器能通過滑環(huán)減小肩帶的初始間隙，從而減小頭部胸部的傷害值，但會增加了下潛風(fēng)險，可以通過安全帶鎖止器來限制肩帶和腹帶的相互滑動來減小下潛風(fēng)險.

(3)廣泛用于降低成年乘員碰撞傷害的4.0 kN卷收器式限力器對兒童不能起到明顯的保護(hù)效果.對于6歲兒童，在卷收器處加2.5 kN的限力器可有效減小兒童乘員胸部加速度和胸部壓縮量，也能降低下潛趨勢.

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