汽車兒童安全座椅碰撞性能仿真分析

李海風，臧孟炎，彭炫權(quán)，林明右，蕭乃仁

(1．華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州 510640)

(2．中山市隆成日用制品有限公司，廣東中山 528400)

隨著汽車數(shù)量的逐年增加，兒童乘員的乘車安全已成為汽車安全性研究的重要課題。研究表明，相比使用成人安全帶和成人懷抱的方式，兒童安全座椅的使用是降低事故傷害的最有效手段［1］。兒童安全座椅碰撞性能是指在汽車碰撞過程中，座椅系統(tǒng)通過約束、限制乘員保持合理的位移，以分散乘員身體承載過大沖擊力，減少乘員損傷［2］的能力。

多剛體模型［3］和有限元模型［4-5］是汽車安全研究領域中兩種重要的計算機仿真模型。多剛體模型的計算效率高，但模型中存在過多簡化;有限元模型則比較精細。本文針對某款汽車兒童安全座椅，應用有限元技術，建立ISOFIX型兒童座椅的有限元模型，使用顯式有限元軟件LS-DYNA分析假人在正碰情況下的運動響應，獲得頭部、胸部合成加速度曲線及頭部損傷值HIC15，定量評價該款兒童座椅對乘員的損傷保護效果。

1 有限元仿真模型的建立

在整個有限元分析過程中，前處理是一個重要的環(huán)節(jié)，涉及到單元選取、材料建模、接觸連接定義及加載等，它直接影響著碰撞仿真的計算精度與效率。

1.1 兒童座椅模型

本文使用的汽車兒童安全座椅原型屬于G0+組，適用于0～1．5歲嬰兒(體重不超過13kg)，具有后向安裝、ISOFIX固定連接及具有3對可調(diào)式肩帶孔位等特點。利用HYPERMESH將兒童安全座椅主體、把手、底座上下蓋板等板件使用殼單元(大小為5～10mm)建模，靠背板使用了六面體單元網(wǎng)格。安全座椅有限元網(wǎng)格模型如圖1所示。

圖1 兒童安全座椅網(wǎng)格

1.2 ECE臺車座椅模型

按照法規(guī)對ECE臺車座椅的具體尺寸要求，以立體單元對座椅緩沖材料部件劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸15mm，共生成11 320個體單元。金屬板用殼單元離散。

1.3 材料模型建立

該款ISOFIX嬰兒提籃式座椅所用材質(zhì)如下：STKM11A(碳素鋼鋼管)、POM90聚甲醛塑料、EPS(發(fā)泡性聚苯乙烯)、PP聚丙烯塑料、TPR橡膠及Q235。

發(fā)泡性緩沖材料EPS是碰撞過程中起主要作用的緩沖材料。在碰撞過程中，泡沫材料使用基于應變率的163號泡沫材料模型，更接近實際現(xiàn)象［6］。其他材料使用了較為常用的彈性和彈塑性材料模型，相關材料模型如圖2所示，材料參數(shù)［7］見表1。

表1 材料參數(shù)

圖2 基于應變率的泡沫材料性能曲線

1.4 假人與安全帶模型

假人采用ECER/4規(guī)定的P系列1．5歲假人模型。同時，假人的坐姿調(diào)整使用了預先模擬的方法［8］，以提高建模的精度。采用“Y”型三點式安全帶，在建模時與假人接觸區(qū)域使用了二維面單元，其他區(qū)域的安全帶都用1D安全帶單元，如圖3所示。

2 碰撞仿真試驗過程

2.1 多步分析實現(xiàn)

仿真過程分為兩個階段：兒童座椅的安裝固定階段和整個模型的碰撞階段。安裝固定階段根據(jù)ECER/4要求，將兒童座椅拉向臺車座椅ISOFIX固定點位置并固結(jié)，使兒童座椅緊靠臺車座椅。第二步的碰撞仿真分析是在第一步安裝的基礎上，以第一步最后狀態(tài)作為初始狀態(tài)，采用DYNAIN文件實現(xiàn)碰撞仿真模型初始化。

圖3 安全帶模型

兒童座椅安裝固定階段完成后，模型的變形狀況如圖4所示。

圖4 兒童座椅安裝后的模型變形情況

2.2 碰撞過程加載工況

基于歐洲安全標準ECER/4，仿真分析初速度50km/h的正面碰撞過程，加速度波形如圖5所示。

圖5 加速度曲線

對圖4所示的整個系統(tǒng)定義初始速度為50km/h的同時，給臺車座椅金屬板一個圖5所示的、與初速度方向相反的加速度脈沖載荷，以等效實現(xiàn)汽車正面碰撞效果，設置現(xiàn)象分析時間120ms。

3 碰撞仿真結(jié)果分析

圖6所示為臺車座椅速度歷程曲線。由該圖可知，在減加速度的作用下，座椅速度在75ms內(nèi)由50km/h迅速減小至0，然后開始回彈，在100ms左右臺車完全脫離碰撞壁進入等速狀態(tài)。下面以假人運動形態(tài)、頭部和胸部加速度及HIC值對仿真結(jié)果進行具體分析。

圖6 臺車座椅速度歷程曲線

3.1 乘員運動形態(tài)分析

圖7 所示為碰撞發(fā)生后90ms時刻假人運動狀態(tài)。在碰撞發(fā)生的初期，假人姿態(tài)與初始狀態(tài)比較變化不大，僅腳部開始脫離臺車座椅靠背，可以理解為臺車座椅泡沫材料的緩沖效果所致。隨后腿部和手臂明顯抬起，到90ms時假人出現(xiàn)了沿初速度方向明顯后仰的趨勢，說明了兒童安全碰撞性能仿真模型的合理性。

圖7 假人運動形態(tài)90ms時刻響應

3.2 乘員頭部加速度分析

假人頭部合成加速度是衡量假人身體損傷的一個重要指標，法規(guī)要求頭部合成加速度不超過80g(g=9．8m/s2)。

圖8所示為碰撞過程假人頭部合成加速度仿真分析結(jié)果。由該圖可知，碰撞發(fā)生后的前20ms，由于臺車坐墊的緩沖作用，假人還是以初速度前進，尚未感受到明顯的沖擊。在臺車坐墊被充分壓縮后，兒童座椅開始變形，在40ms附近假人頭部撞擊靠背，承受的加速度迅速增大，在t=46ms時出現(xiàn)峰值80g(持續(xù)時間小于3ms)。然后在t=79ms處加速度出現(xiàn)一個59g的較小波峰，這是由于臺車座椅回彈，兒童座椅靠背撞擊假人頭部所致，即為二次碰撞產(chǎn)生。

圖8 假人頭部合成加速度

3.3 頭部損傷指數(shù)HIC

頭部損傷指數(shù)HIC(Head Injury Criteria)是表征乘員頭部損傷的關鍵指標，采用15ms時間差的計算公式評價：

式中：a(t)為頭部質(zhì)心處合成加速度，數(shù)值為重力加速度g的倍數(shù);t1為碰撞過程HIC值計量初始時刻;t2為碰撞過程HIC值計量結(jié)束時刻。

根據(jù)圖8的假人頭部合成加速度，計算得到對應的HIC15值為384(取t1=39ms至t2=54ms的15ms)，滿足法規(guī)HIC15要求(1．5歲兒童 HIC15最大值為600)。

3.4 胸部加速度分析

圖9所示為假人胸部質(zhì)心處的合成加速度隨時間變化曲線。與頭部加速度曲線一樣，在t＜20ms時間段內(nèi)，胸部加速度保持在較小數(shù)值內(nèi)。

圖9 假人胸部合成加速度

從t=16ms以后胸部加速度開始增大，至t=68ms時刻加速度達到峰值54g，此峰值小于法規(guī)要求的最大值55g。胸部加速度沒有像頭部加速度那樣出現(xiàn)2個峰值，正是由于安全帶的約束所致。

4 結(jié)束語

本文提出的有限元建模方法通用性較強，為汽車兒童安全座椅碰撞仿真分析提供了更好的解決方案。研究成果為今后兒童安全座椅進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計、新型材料替換，適應越來越嚴格的安全和環(huán)保標準，奠定了良好的基礎。但目前的工作局限于方法研究，后續(xù)將通過與對應實驗結(jié)果的對標分析，以確認和提高仿真分析模型的可靠性。

［1］ 葛如海，苗強．車用兒童約束裝置綜述［J］．中國安全科學學報，2006，16(4)：42-47．

［2］ 馬東杰．汽車正面碰撞中兒童乘員損傷防護技術研究［D］．武漢：武漢理工大學汽車工程學院，2012．

［3］ Emam A，Sennah K，Howard A，et al．Influence of crash severity and contact surfaces characteristics on the dynamic behavior of forward facing child occupants［J］．International Journal of Crashworthiness，2003，8(6)：619-627．

［4］ 胡佳，鐘志華，水野幸治．兒童座椅正確使用和誤使用的正面碰撞臺車試驗仿真［J］．汽車工程，2009，31(1)：10-3，7．

［5］ 張君媛，張敏，丁如芳，等．汽車側(cè)面碰撞乘員約束系統(tǒng)的多目標優(yōu)化［J］．汽車技術，2005(11)：1-4．

［6］ Croop B，Lobo H，DatapointLabs N Y．Selecting material models for the simulation of foams in LS-DYNA［DB/OL］．［2014-03-02］．http：//www．dynamore．de/de/download/papers/konferenz09/papers-depr/D-II-04．pdf．

［7］ 胡佳，鐘志華．基于試驗和有限元仿真的兒童乘員正面和側(cè)面碰撞安全研究［D］．長沙：湖南大學機械學院，2008．

［8］ 唐俊杰．校車學齡兒童約束系統(tǒng)的仿真研究［D］．淄博：山東理工大學，2012．