內(nèi)置式兒童安全座椅側(cè)面碰撞安全性研究*

白中浩，程勝華，陳亞楓

(湖南大學(xué) 汽車車身先進(jìn)設(shè)計制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410082）

內(nèi)置式兒童安全座椅側(cè)面碰撞安全性研究*

白中浩?，程勝華，陳亞楓

(湖南大學(xué) 汽車車身先進(jìn)設(shè)計制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410082）

建立了一款置于汽車后排中間位置的內(nèi)置式兒童安全座椅模型，采用 MADYMO與LS-DYNA耦合的方法進(jìn)行仿真計算，并對該模型進(jìn)行滑車試驗(yàn)驗(yàn)證.首先對無扶手、面式扶手、桿式扶手以及面式扶手及側(cè)翼相結(jié)合的4種不同類型的座椅進(jìn)行側(cè)面碰撞仿真試驗(yàn)，其次對扶手高度不同的座椅模型進(jìn)行側(cè)面碰撞仿真試驗(yàn)，最后對仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析.結(jié)果表明，扶手能限制兒童乘員從座墊滑落而有效避免安全帶約束兒童頸部造成的窒息死亡，側(cè)翼能有效保護(hù)兒童乘員的頸部和胸部，側(cè)翼和扶手組合式兒童安全座椅模型保護(hù)效果最好；扶手高度適中的座椅能對兒童乘員提供最好的保護(hù).

內(nèi)置式兒童安全座椅；兒童乘員安全；側(cè)面碰撞；仿真

從2014年9月1日起，國家將對兒童安全座椅 實(shí)施強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證(CCC認(rèn)證），對兒童安全座椅提出了更高的要求.內(nèi)置式兒童安全座椅不僅能夠有效降低兒童安全座椅的誤用率，而且適用于較寬年齡范圍的兒童［1］.

目前，內(nèi)置式兒童安全座椅已得到一定的應(yīng)用，如Volvo部分車上應(yīng)用的兒童安全座椅和國內(nèi)任錫娟等［1］設(shè)計的集成式兒童安全座椅，其形式主要為座墊高度的調(diào)整，適用于3～12歲兒童乘坐，同時，當(dāng)座椅放置最低點(diǎn)時，又不影響成人乘坐.內(nèi)置式兒童安全座椅由于座墊高度以及座墊深度的變化等能夠?qū)φ媾鲎仓胁煌挲g的兒童都具有較好的保護(hù)［2］.然而，相對于普通兒童安全座椅，內(nèi)置式兒童座椅缺少頭、肩部側(cè)翼以及扶手擋板，若采用三點(diǎn)式安全帶而放棄五點(diǎn)式安全帶，則不利于側(cè)面碰撞工況下兒童乘員的保護(hù).另外，采用三點(diǎn)式成人安全帶，兒童在碰撞中和碰撞后易造成頸部勒傷或窒息死亡［3］.國內(nèi)外對兒童安全座椅已經(jīng)有較深入的研究，如Klinich等［4］研究了汽車兒童座椅座墊長度、腰帶形式等對兒童防護(hù)影響.楊濟(jì)匡等［5］對側(cè)面碰撞中兒童乘員約束系統(tǒng)與安全氣囊匹配進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化提供了一種新方法.這些研究主要是針對普通兒童安全座椅，其產(chǎn)品已比較成熟.對于內(nèi)置式兒童安全座椅，還處于研制和實(shí)驗(yàn)階段，由于座椅形式和放置位置等差異，2種兒童座椅的影響因素并不相同.白中浩等［6］對3種獨(dú)立碰撞工況下的無扶手座椅模型進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，在側(cè)面碰撞工況中，選取頭、胸部傷害值進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化.

本文建立一款置于后排中間位置的內(nèi)置式兒童安全座椅模型，采用MADYMO與LS-DYNA耦合方法［7］仿真計算并對該模型進(jìn)行滑車試驗(yàn)驗(yàn)證，對4種不同形式的座椅在側(cè)面碰撞工況下的兒童假人響應(yīng)進(jìn)行仿真對比分析.其次，選取對兒童保護(hù)最好的側(cè)翼及扶手組合的座椅模型，對座椅扶手高度進(jìn)行調(diào)節(jié)，分析其對兒童乘員的影響.

1 內(nèi)置式兒童約束系統(tǒng)仿真模型

1.1 仿真模型的建立

本文采用前處理軟件HYPERMESH和多剛體軟件MADYMO建立座椅有限元模型和兒童約束系統(tǒng)，并使用LS-DYNA軟件與MADYMO軟件進(jìn)行耦合計算.座椅有限元模型主要包括座椅骨架、座墊以及座墊高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，為提高計算效率，本文未對兒童座椅兩側(cè)座椅建模.該有限元模型共計56 562個單元，其中殼單元46 077個，實(shí)體單元10 130個，梁單元101個，剛體單元254個.多剛體假人為MADYMO中自帶的P6兒童假人，并在MADYMO中建立有限元安全帶，安全帶材料為彈性各向同性材料.采用預(yù)模擬的方式對假人初始位置、座墊的初始變形以及應(yīng)力進(jìn)行設(shè)置，并對安全帶狀態(tài)進(jìn)行預(yù)模擬.

采用有限元和多剛體耦合的方法能結(jié)合兩個軟件優(yōu)勢：一方面能夠利用LS-DYNA準(zhǔn)確模擬座椅變形的特點(diǎn)；另一方面，發(fā)揮 MADYMO軟件中假人的計算精度高、效率高和數(shù)值穩(wěn)定的特點(diǎn).實(shí)物模型和仿真模型分別如圖1所示.

圖1 內(nèi)置式兒童安全座椅實(shí)物模型與仿真模型Fig.1 Built-in children safety seat and simulation model

1.2 仿真模型的驗(yàn)證

在湖南大學(xué)汽車碰撞試驗(yàn)室進(jìn)行了滑車碰撞試驗(yàn)，并采集了兒童假人頭部和胸部的三向加速度以及滑車車身加速度.將試驗(yàn)獲得的滑車車身加速度施加于仿真模型的假人上，通過調(diào)整各項(xiàng)參數(shù)與試驗(yàn)一致后，獲得假人響應(yīng)加速度曲線.

由圖2試驗(yàn)與仿真曲線的頭胸部加速度曲線可知，在仿真最后階段曲線有一定的不同，這主要是由于試驗(yàn)中座椅支撐失效而造成的頭胸部加速度的第1個小峰值或曲線延遲下降，對假人傷害值無影響，因此仿真中未模擬.經(jīng)計算，假人頭部傷害值HIC36ms誤差為1.65%，胸部3 ms加速度值誤差為1.9%，證明仿真模型具有較高的精度.

1.3 實(shí)車加速度曲線獲取

為更好地模擬兒童安全座椅在實(shí)車碰撞中的情況，本文利用某款車型在側(cè)面碰撞獲取的后排座椅的加速度曲線(如圖3所示）.實(shí)車碰撞速度為50 km/h，碰撞試驗(yàn)按照ECER95法規(guī)要求.

將試驗(yàn)獲得的加速度曲線施加到兒童乘員身上，方向與實(shí)車碰撞方向相反，然后對建立的多個不同類型有限元模型進(jìn)行對比仿真分析.

圖2 碰撞試驗(yàn)與仿真的頭、胸部加速度曲線對比Fig.2 The comparison of acceleration curves of head and chest in test and simulation

圖3 側(cè)面碰撞后排座椅加速度曲線Fig.3 The acceleration curve of rear seat in side impact test

2 座椅形式對兒童乘員的影響

2.1 仿真試驗(yàn)的設(shè)計及假人損傷參數(shù)的選取

現(xiàn)有內(nèi)置式兒童安全座椅多為無扶手和側(cè)翼式(如圖1所示），而普通座椅的扶手主要包括2種類型，桿式扶手和面式扶手，側(cè)翼只有一種類型即面式.

由于內(nèi)置式兒童安全座椅在設(shè)計時考慮成人的乘坐舒適性以及外觀，因此其扶手及側(cè)翼采用無傾斜角的伸縮式.通過參照傳統(tǒng)兒童安全座椅，本文設(shè)計了4款不同形式的座椅，并對這4種座椅進(jìn)行仿真試驗(yàn)和對比分析.不同類型座椅仿真模型及4種不同座椅的類型見圖4和表1.

圖4 不同類型座椅仿真模型Fig.4 Simulation models of four different seats

表1 4種不同座椅的類型Tab.1 Four types of child safetyseats

4組仿真模型參數(shù)中，只有面式扶手及側(cè)翼形式不同，其余參數(shù)均相同.面式扶手及側(cè)翼的材料為硬質(zhì)塑料，在LS-DYNA軟件中采用24號材料.根據(jù)人機(jī)工程學(xué)原理，扶手設(shè)計的關(guān)鍵尺寸是扶手的高度和間距，這取決于兩肘之間的寬度、肘部平放高度及人體寬度［8］.扶手的高度一般取兒童上臂自然放置時的高度，本文針對六歲兒童的保護(hù)，故設(shè)置為125 mm.據(jù)兒童兩肘寬度，設(shè)置兩扶手間距為270 mm.

與成年人相比，兒童頭部重量相對自身體重所占比例較大.成年人的頭部僅占整個體重的6%，而嬰兒的頭部重量相當(dāng)于全身重量的一半，3歲和6歲兒童頭部的比重，分別為整個體重的18%和16%.兒童心臟在胸腔中占有的比例大于成人心臟在胸腔中占有的比例.兒童從3歲至青春期，頸部發(fā)育不完全，其頸部軟骨是一個逐漸骨化的過程，肌肉和韌帶也未完全形成［9］，因此兒童乘員若不正確使用約束系統(tǒng)，在發(fā)生事故時很可能導(dǎo)致頸部損傷風(fēng)險的增加.因此，本文主要選取頭部、胸部和頸部的傷害作為兒童傷害的主要評價指標(biāo)，同時選用頭部Y軸位移(以假人頭部重心位置面部正前方為X軸，左方為Y軸，正上方Z軸）作為參考.另外，由于本文模型中采用三點(diǎn)式安全帶，易導(dǎo)致兒童產(chǎn)生“座椅帶癥狀［9］”損 傷，因 此 選 用臀部加速度 作 為 參 考評價指標(biāo).

2.2 仿真試驗(yàn)結(jié)果

仿真計算后，在MADYMO中提取假人頭、胸、骨盆加速度曲線、頭部Y軸位移和頸部Nij曲線，進(jìn)行濾波后，結(jié)果分別如圖5～圖9所示.截取頭部Y軸位移最大時仿真動畫的圖片，如圖10所示.為更好地對比兒童假人的傷害，分別對頭、胸、骨盆加速度曲線、頭部Y軸位移以及頸部Nij曲線進(jìn)行計算，得到假人頭部損傷準(zhǔn)則HIC36ms、胸部3 ms加速度，骨盆最大加速度apmax、頭部Y軸最大位移Dmax以及最大Nij值如表2所示.

圖5 兒童假人頭部加速度曲線對比Fig.5 Comparison of child dummy’s head acceleration curves

圖6 兒童假人胸部加速度曲線對比Fig.6 Comparison of child dummy’s chest acceleration curves

圖7 兒童假人骨盆加速度曲線對比Fig.7 Comparison of child dummy’s pelvis acceleration curves

圖8 兒童假人頭部Y軸位移曲線對比Fig.8 Comparison of child dummy’s head displacement curves in Y direction

圖9 兒童假人頸部 Nij曲線對比Fig.9 Comparison of child dummy’s Nijcurves

圖10 仿真動畫圖片F(xiàn)ig.10 Photos of simulations

2.3 仿真試驗(yàn)的結(jié)果分析及結(jié)論

2.3.1 無扶手仿真結(jié)果分析

由表2中仿真1的結(jié)果可知，6歲兒童的頭部HIC36ms的值為205，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于人體的耐受限值1 000，這是由于內(nèi)置式兒童安全座椅位于后排座椅中間，兒童假人頭部未與車內(nèi)飾件發(fā)生碰撞接觸；胸部3 ms加速度值小于耐受限值60 g，但其值仍較大，易對兒童乘員造成傷害，這是由于對只有安全帶的假人進(jìn)行約束且集中于胸腹部從而導(dǎo)致其值較高；頸部損傷值Nij小于耐受極限值1，但其值仍較大.本文采用的是6歲兒童假人，對于年齡更小的兒童，由于其頭部占身體比重比較大且頸部更脆弱，易造成致命傷.另外由動畫結(jié)果(圖10）可知，碰撞中，兒童假人頸部被安全帶勒??；碰撞后，兒童假人從安全座椅座墊滑落，頸部仍被安全帶勒住，易造成窒息死亡［10］.結(jié)論：本文采用的內(nèi)置式兒童安全座椅對兒童的傷害主要集中于頸部和胸部，且易造成窒息死亡，而頭部傷害較小.

表2 假人傷害值Tab.2 Dummy injurycriteria

2.3.2 有無扶手的影響分析

通過仿真1與仿真2和仿真3的結(jié)果對比可發(fā)現(xiàn)，對于有扶手的座椅，假人頭部HIC36ms值、胸部3 ms加速度值、骨盆加速度值均增大，頸部Nij值略有減小或不變.通過對比動畫結(jié)果可得，扶手的增添限制了假人臀部的偏移，同時導(dǎo)致兒童身體側(cè)傾使頭部Y軸最大位移Dmax變大.與無扶手時身體能夠整體側(cè)移相比，假人頭胸部與臀部的相對位移變大，因而導(dǎo)致頭、頸、胸部傷害值均增大.但由動畫(圖10）可知，兒童假人未從座墊滑落，但在碰撞過程中頸部仍舊被勒住，可在一定程度上避免安全帶勒緊造成的窒息死亡.但對于其他位置的兒童安全座椅，扶手的添加限制假人的移動從而避免假人與內(nèi)飾件的碰撞，因此保護(hù)效果具有差異.結(jié)論：針對本文中的模型，座椅扶手的添加可能會對兒童乘員造成更嚴(yán)重的傷害，但能夠有效避免安全帶勒住而造成的窒息死亡.此結(jié)論只適用于后排中間位置內(nèi)置式座椅，對于其他位置的座椅，影響效果需進(jìn)一步研究. 2.3.3 扶手類型的影響分析

仿真2與仿真3中座椅扶手分別是面式扶手和桿式扶手，由仿真結(jié)果可得，其頭部HIC36ms值、胸部3 ms加速度值、頸部Nij值都比較相近，但桿式扶手的骨盆加速度峰值特別大，達(dá)到93 g，結(jié)合動畫分析可得，由于假人腰部被扶手限制，而臀部未被限制，致使其骨盆加速度峰值增加.由于兒童腰椎未發(fā)育完全，假人只有腰部被桿式扶手限制，致使腰腹部所承受載荷較大，易致傷害.結(jié)論：桿式扶手易對兒童腰部產(chǎn)生傷害，面式扶手相對于桿式扶手對兒童假人的保護(hù)具有更好的效果.

2.3.4 側(cè)翼扶手組合的影響分析

仿真4是具有面式扶手以及側(cè)翼的座椅類型.與仿真1結(jié)果對比可發(fā)現(xiàn)，其頭部加速度在50 ms時與側(cè)翼發(fā)生碰撞，造成頭部加速度增加較大，其HIC36ms為293，但仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于耐受極限，因此可以不考慮其增加的影響.由于具有側(cè)翼的防護(hù)，頭部Y軸位移減小較多，頸部Nij明顯減小至0.415，對兒童頸部保護(hù)提供更好的效果，同時胸部3 ms加速度值也有一定程度的減小.兒童假人未從座墊滑落且碰撞中未發(fā)生頸部被勒住情況，有效避免兒童的窒息死亡.由于扶手和側(cè)翼的增加，該內(nèi)置式兒童安全座椅的結(jié)構(gòu)會更復(fù)雜，會增加座椅的成本.結(jié)論：具有側(cè)翼和扶手的座椅類型不僅能夠?qū)和i部和胸部提供更好的保護(hù)，而且能夠有效避免安全帶勒住而造成的窒息死亡，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本較高.

綜上所述，不同類型的座椅對6歲兒童乘員的頸部和胸部保護(hù)效果由好到差：側(cè)翼與扶手組合式＞無扶手式＞桿式扶手/面式扶手；對6歲兒童的頸部勒住而造成窒息的有效避免，由好到差：側(cè)翼與扶手組合式＞面式扶手/桿式扶手＞無扶手式.由此可知，扶手的作用主要在于限制兒童乘員從座墊滑落從而有效避免安全帶勒住兒童頸部而造成的窒息死亡，側(cè)翼的主要作用在于保護(hù)兒童假人頸部及胸部.具有側(cè)翼和扶手相結(jié)合的兒童座椅能對兒童乘員提供更好的保護(hù).

3 扶手高度對兒童乘員的影響

具有側(cè)翼和扶手相結(jié)合的兒童安全座椅能更好地為兒童乘員提供保護(hù)，因此選用此種類型的座椅模型進(jìn)行進(jìn)一步研究.扶手的高度對假人的臀、胸的運(yùn)動狀態(tài)具有較大的影響從而影響頭頸部的傷害，因此本文主要研究扶手高度對兒童乘員的影響.

將兒童座椅的扶手高度分別設(shè)置為80，100，120，140和160 mm，對應(yīng)仿真編號分別為5，6，7，8，9.在側(cè)面碰撞試驗(yàn)中，假人的頭部HIC36ms值較低，而臀部的傷害一般較小，因此主要考慮胸部和頸部傷害.仿真結(jié)果經(jīng)計算后獲得假人胸部3 ms加速度值及頸部Nij值，見表3.假人胸部3 ms加速度值及Nij值隨扶手高度變化情況傷害值及其擬合曲線如圖11所示.

表3 不同扶手高度下假人傷害值Tab.3 Dummy injuries under different armrest heights

圖11 假人傷害值及其擬合曲線Fig.11 Dummy injuries and approximation curves

仿真5～9中兒童假人胸部3 ms加速度值及頸部Nij值隨著扶手的增大先減小后增大，胸部3 ms加速度值在扶手高度為142 mm時，傷害最小，頸部Nij值在扶手高度為113 mm時，傷害最小.結(jié)合仿真動畫可知(如圖10(a）效果相似），扶手高度太低，兒童乘員腿部從扶手上部越過，對假人的限制作用減弱，導(dǎo)致假人胸部及頸部傷害增大；扶手高度過高時，對兒童假人的限制作用較大，缺少緩沖，導(dǎo)致胸部和頸部傷害變大.另外，扶手高度過高，不便于兒童乘坐.

綜上所述，扶手在高度適中時(110～140 mm），即能對6歲兒童乘員的胸部和頸部都能夠提供較好的保護(hù)，又便于兒童乘坐.

4 結(jié) 論

1）本文采用多剛體軟件MADYMO與有限元軟件LS-DYNA耦合的方式進(jìn)行仿真計算，能夠有效利用有限元座椅變形的精確性以及MADYMO在對假人計算時具有精度高、效率高和數(shù)值穩(wěn)定的特點(diǎn).

2）在現(xiàn)有的后排中間內(nèi)置式兒童安全座椅的基礎(chǔ)上，對原座椅形式、面式扶手座椅、桿式扶手座椅以及面式扶手及側(cè)翼相結(jié)合的4種類型內(nèi)置式兒童安全座椅進(jìn)行側(cè)面碰撞仿真分析，根據(jù)兒童假人各個部位的傷害分析其原因和結(jié)論，最終得出：扶手能夠限制兒童乘員從座墊滑落而有效避免安全帶勒住兒童頸部造成的窒息死亡，側(cè)翼能夠保護(hù)兒童乘員的頸部和胸部，扶手與側(cè)翼組合的座椅能夠?qū)和峁┳詈玫谋Ｗo(hù).

3）對于選用側(cè)翼和扶手相結(jié)合的座椅結(jié)構(gòu)，對不同扶手高度的模型進(jìn)行了對比仿真分析.最終結(jié)論：扶手高度適中的座椅能對兒童乘員的胸部和頸部都提供較好的保護(hù)，且便于兒童乘坐.

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Research on the Side Impact of Built-in Child Safety Seat

BAI Zhong-hao?，CHENG Sheng-hua，CHEN Ya-feng

（State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body，Hunan Univ，Changsha，Hunan 410082，China）

A model of a built-in children restraint system was set up.The method of coupling between MADYMO and LS-DYNA was used in simulation and a sled test was adopted to validate this model.First，side impact simulations were carried out respectively for vehicle seat without armrest，with different types of armrests and the combination of armrest and lateral flank.Then，an analysis of the influence of the different heights of armrest for children was done through other side impact simulations.Finally，the simulation results were analyzed.The results show that the armrest can prevent the child occupant from slipping out of the seat cushion so as to avoid suffocation death caused by neck bridled，while lateral flank can protect children′s neck and chest effectively.Vehicle seat with the combination of lateral flank and armrest can provide the best protection for children in all types.The results also show that the seat with moderate armrest height can provide the best protection for children.

built-in child safety seat；child passenger safety；side impact collisions；simulation

U463.836

A

1674-2974（2014）08-0001-06

2013- 11- 27

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃）資助項(xiàng)目(2012AA111802）；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51105137）；湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11JJ4034）

白中浩(1978-），男，河南睢縣人，湖南大學(xué)副教授，博士

?通訊聯(lián)系人，E-mail：baizhonghao@163.com