側(cè)面碰撞中兒童約束系統(tǒng)的仿真研究

劉軍 晏曉娟 賈林夕 王利明 程偉

（江蘇大學(xué)，鎮(zhèn)江 212013）

側(cè)面碰撞中兒童約束系統(tǒng)的仿真研究

劉軍 晏曉娟 賈林夕 王利明 程偉

（江蘇大學(xué)，鎮(zhèn)江 212013）

通過(guò)MADYMO軟件建立了側(cè)面碰撞臺(tái)車及兒童約束系統(tǒng)的仿真模型，并對(duì)所建立的模型進(jìn)行了有效性驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，分析了側(cè)門(mén)不同侵入條件對(duì)兒童損傷響應(yīng)的影響情況。研究結(jié)果表明，側(cè)門(mén)的侵入速度對(duì)兒童假人的各項(xiàng)損傷響應(yīng)的影響較大，而侵入深度產(chǎn)生的影響較??；門(mén)板侵入方式的改變對(duì)兒童假人頭部的損傷響應(yīng)影響顯著，而對(duì)胸部及骨盆的響應(yīng)影響較小。建立的仿真模型有效可靠。

1 前言

近年來(lái)，兒童的乘車安全已經(jīng)得到了越來(lái)越廣泛的重視，而側(cè)面碰撞則是造成兒童乘員傷亡的主要原因之一。有關(guān)研究報(bào)告指出，在側(cè)面碰撞事故中，有1/3的兒童乘員受到AIS3+級(jí)的損傷[1]；41%的兒童乘員受到MAIS2+級(jí)的損傷[2]；由于側(cè)面碰撞中被撞車門(mén)的侵入而產(chǎn)生的直接載荷,使坐在碰撞側(cè)兒童乘員受到嚴(yán)重?fù)p傷和致命傷的風(fēng)險(xiǎn)大大提高[3]。

在車輛交通事故中，兒童約束系統(tǒng)（Child Restraint Systems，CRS）對(duì)降低兒童死亡或嚴(yán)重受傷發(fā)揮著很大作用。目前兒童約束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真研究有很多，如，A Eman等人[4]基于MADYMO剛體動(dòng)力學(xué)分析軟件，對(duì)前向四點(diǎn)式約束系統(tǒng)進(jìn)行建模，并分析了接觸表面材料特性對(duì)兒童乘員動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響；Marianne Johansson等人[5]在MADYMO環(huán)境下對(duì)前向式增高型兒童安全座椅模型進(jìn)行多剛體模型建模，研究了發(fā)生正面碰撞時(shí)安全帶、安全座椅及兒童假人腳部支持方式等共9個(gè)參數(shù)對(duì)兒童乘員保護(hù)性能提升發(fā)揮的作用。但這些研究方法主要針對(duì)正面碰撞進(jìn)行仿真及評(píng)估安全性能，對(duì)側(cè)面碰撞的仿真很少見(jiàn)。為此，本文利用MADYMO軟件建立了側(cè)面碰撞臺(tái)車及兒童約束系統(tǒng)仿真模型，并通過(guò)與側(cè)面碰撞臺(tái)車試驗(yàn)對(duì)比分析來(lái)驗(yàn)證模型的有效性。在此基礎(chǔ)上，研究了不同侵入條件對(duì)兒童約束系統(tǒng)中兒童損傷響應(yīng)的影響。

2 側(cè)面碰撞臺(tái)車仿真模型的建立

車輛側(cè)面碰撞試驗(yàn)臺(tái)車與正面碰撞試驗(yàn)臺(tái)車的最大區(qū)別在于需要增加用于側(cè)面侵入的門(mén)板結(jié)構(gòu)。國(guó)際上對(duì)于兒童約束系統(tǒng)側(cè)面碰撞臺(tái)車試驗(yàn)還沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)定，所使用的試驗(yàn)臺(tái)車主要分為加速型臺(tái)車和減速型臺(tái)車兩種?？紤]到側(cè)門(mén)侵入方式對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，參照ECE R129標(biāo)準(zhǔn)建立了側(cè)門(mén)以平行方式侵入的加速型側(cè)面碰撞臺(tái)車模型，同時(shí)參照ISO 29062標(biāo)準(zhǔn)建立了側(cè)門(mén)以旋轉(zhuǎn)方式侵入的減速型側(cè)面碰撞臺(tái)車模型。仿真模型主要包括臺(tái)車座椅模型和側(cè)面侵入門(mén)板結(jié)構(gòu)。

2.1 加速型臺(tái)車仿真模型的建立

參照ECE R129標(biāo)準(zhǔn)建立了加速型側(cè)面碰撞試驗(yàn)臺(tái)車仿真模型，標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)臺(tái)車的結(jié)構(gòu)如圖1所示。在CATIA中對(duì)加速型側(cè)面碰撞臺(tái)車進(jìn)行實(shí)體建模，模型主要包括試驗(yàn)臺(tái)車骨架、泡沫座墊及靠背、側(cè)面侵入門(mén)板等。在不影響臺(tái)車主體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)其非關(guān)鍵部位進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，將臺(tái)車的CATIA模型轉(zhuǎn)換成.IGS類型的文件保存，并導(dǎo)入到Hypermesh中進(jìn)行網(wǎng)格單元的劃分，如圖2所示。所建立的加速型側(cè)面碰撞臺(tái)車仿真模型如圖3所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)臺(tái)車結(jié)構(gòu)

圖2 加速型側(cè)面碰撞試驗(yàn)臺(tái)車網(wǎng)格劃分

圖3 加速型側(cè)面碰撞臺(tái)車仿真模型

2.2 減速型臺(tái)車仿真模型的建立

參照ISO 29062標(biāo)準(zhǔn)中用于前向式CRS的試驗(yàn)臺(tái)車建立了減速型臺(tái)車仿真模型，ISO 29062標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的侵入門(mén)結(jié)構(gòu)為可旋轉(zhuǎn)的鉸鏈門(mén)，前向式CRS試驗(yàn)臺(tái)車試驗(yàn)裝置如圖4所示。

在CATIA中對(duì)減速型臺(tái)車進(jìn)行實(shí)體建模，模型主要包括試驗(yàn)臺(tái)車骨架、泡沫座墊及可滑動(dòng)座椅背、可旋轉(zhuǎn)的鉸鏈門(mén)等。為避免門(mén)板在侵入過(guò)程中與前向式CRS試驗(yàn)臺(tái)車的座椅靠背相互作用，可將臺(tái)車座椅的椅背向門(mén)板一側(cè)移位100 mm放置。按照與加速型臺(tái)車同樣的方法對(duì)減速型試驗(yàn)臺(tái)車的骨架和泡沫座墊部分劃分網(wǎng)格，建立的減速型側(cè)面碰撞臺(tái)車仿真模型如圖5所示。

圖4 前向式CRS試驗(yàn)臺(tái)車試驗(yàn)裝置

圖5 減速型側(cè)面碰撞臺(tái)車仿真模型

3 兒童約束系統(tǒng)仿真模型的建立

所建立的兒童約束系統(tǒng)仿真模型包括兒童安全座椅有限元模型、多體與有限元混合的三點(diǎn)式成人安全帶模型、多體與有限元混合的兒童安全座椅五點(diǎn)式安全帶模型、HybridⅢ型3歲兒童試驗(yàn)假人模型等，根據(jù)某兒童汽車安全座椅尺寸建立三維模型。將該模型導(dǎo)入有限元前處理軟件Altair HyperMesh中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立研究所需兒童座椅有限元模型，如圖6所示。

圖6 兒童安全座椅有限元模型

兒童安全座椅由三點(diǎn)式成人安全帶固定，Hybrid III型3歲假人模型則由五點(diǎn)式安全帶約束在兒童安全座椅上。通過(guò)預(yù)模擬方法完成兒童假人在兒童座椅上的定位及兒童座椅在試驗(yàn)臺(tái)車座椅上的定位，預(yù)模擬后假人和安全座椅的位置見(jiàn)圖7。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為檢驗(yàn)CRS及側(cè)面碰撞臺(tái)車仿真模型的有效性，按照兒童約束系統(tǒng)側(cè)面碰撞臺(tái)車試驗(yàn)方法，給仿真模型施加與臺(tái)車試驗(yàn)中一樣的加速度波形，在相同條件下進(jìn)行臺(tái)車仿真試驗(yàn)。圖8為模型中輸入的門(mén)板加速度及滑動(dòng)座椅加速度波形。

圖7 預(yù)模擬后假人及安全座椅的位置

圖8 加速度脈沖

4.1 仿真模型的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)驗(yàn)證

為驗(yàn)證仿真模型的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，將試驗(yàn)所得的兒童假人動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性曲線及各傷害指標(biāo)與仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，根據(jù)對(duì)比結(jié)果來(lái)評(píng)價(jià)仿真模型的準(zhǔn)確性[6]。利用所建立的兒童約束系統(tǒng)仿真模型考察了兒童試驗(yàn)假人的頭部、胸部、骨盆合成加速度曲線及主要傷害評(píng)價(jià)指標(biāo)。表1為HybridⅢ型3歲兒童假人進(jìn)行臺(tái)車試驗(yàn)及仿真試驗(yàn)所得各評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)值，其誤差范圍均控制在12%以內(nèi)。

表1 仿真與臺(tái)車試驗(yàn)各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比

圖9為試驗(yàn)和仿真所得的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性曲線。由圖9可看出，仿真模型得出的兒童假人各評(píng)價(jià)指標(biāo)的合成加速度曲線與臺(tái)車試驗(yàn)所得的相應(yīng)曲線吻合較好，曲線的趨勢(shì)、脈寬和峰值范圍也非常接近，表明該模型對(duì)兒童損傷情況的預(yù)測(cè)基本滿足要求，可認(rèn)為該模型的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)是準(zhǔn)確的。

4.2 仿真模型的運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)驗(yàn)證

仿真試驗(yàn)中的兒童假人不僅要在動(dòng)力學(xué)響應(yīng)上與試驗(yàn)假人匹配度較高，在整個(gè)碰撞過(guò)程中假人各時(shí)刻姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也應(yīng)該與試驗(yàn)假人有比較高的相似度，只有在動(dòng)力學(xué)響應(yīng)和運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)上均保持較高的相似度，才能說(shuō)明此仿真模型是有效和可靠的。仿真模型中的兒童假人和試驗(yàn)假人在碰撞中各時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)如圖10所示。

圖9 兒童假人各評(píng)價(jià)指標(biāo)的合成加速度曲線

由圖10可看出，不同時(shí)刻臺(tái)車試驗(yàn)與仿真試驗(yàn)中的兒童假人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)比較相似，進(jìn)一步說(shuō)明了該仿真模型是有效的，可用于后續(xù)的兒童損傷響應(yīng)分析研究。

圖10 不同時(shí)刻兒童假人試驗(yàn)與仿真運(yùn)動(dòng)姿態(tài)對(duì)比

5 侵入條件對(duì)兒童損傷響應(yīng)影響分析

車輛在發(fā)生側(cè)碰時(shí)最主要的傷害原因?yàn)閭?cè)門(mén)結(jié)構(gòu)的侵入[7]。通過(guò)對(duì)實(shí)車側(cè)面碰撞事故中碰撞特點(diǎn)的分析，選取侵入速度、侵入深度及門(mén)板的侵入方式作為研究對(duì)象，將頭部質(zhì)心合成加速度aH、胸部合成加速度aT、骨盆合成加速度aP、頭部損傷準(zhǔn)則HIC15、胸部損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)T3ms作為評(píng)價(jià)兒童乘員損傷的參數(shù)，采用經(jīng)過(guò)有效性驗(yàn)證的仿真模型，運(yùn)用MADYMO多剛體動(dòng)力學(xué)分析軟件進(jìn)行側(cè)面碰撞臺(tái)車仿真試驗(yàn)，研究側(cè)面碰撞臺(tái)車試驗(yàn)中各項(xiàng)參數(shù)對(duì)兒童乘員損傷響應(yīng)的影響程度。

5.1 門(mén)板侵入速度對(duì)兒童乘員損傷的影響

門(mén)板的侵入速度大小直接影響到門(mén)板傳遞給兒童安全座椅的能量，從而對(duì)兒童乘員的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及損傷響應(yīng)造成一定影響。仿真試驗(yàn)所得兒童假人各損傷參數(shù)曲線及損傷參數(shù)值如圖11和表2所示。

由圖11和表2可知，在碰撞速度為6.6 m/s時(shí)，頭部質(zhì)心合成加速度峰值、胸部合成加速度峰值、骨盆合成加速度峰值、HIC15及T3ms的數(shù)值均最大，碰撞速度為6.0 m/s時(shí)次之，碰撞速度為5.3 m/s時(shí)各損傷參數(shù)值最小。造成這種情況的原因是：在臺(tái)車試驗(yàn)環(huán)境條件相同的前提下，側(cè)面侵入門(mén)板以不同的速度撞擊兒童安全座椅，因?yàn)閮和偃诵枰銐虻哪芰坎拍芘c門(mén)板以相同的速度共同運(yùn)動(dòng)，所以當(dāng)臺(tái)車門(mén)板的侵入速度增大時(shí)，作用在兒童假人上的能量及假人的最終速度也相應(yīng)增大。由此可知，側(cè)面門(mén)板的侵入速度對(duì)兒童假人的各項(xiàng)損傷響應(yīng)有較大影響。

5.2 門(mén)板侵入深度對(duì)兒童乘員損傷的影響

在實(shí)車側(cè)面碰撞中，側(cè)面結(jié)構(gòu)進(jìn)入乘員艙的位移量（侵入深度）也會(huì)直接影響兒童乘員的傷害程度。為研究侵入深度對(duì)兒童假人損傷的影響，分別進(jìn)行了兩組仿真試驗(yàn)，兩組試驗(yàn)的門(mén)板侵入速度均為6.6 m/s，門(mén)板侵入深度分別為250 mm和200 mm。仿真試驗(yàn)所得兒童假人各項(xiàng)損傷參數(shù)曲線及損傷參數(shù)值如圖12和表3所示。

圖11 不同門(mén)板侵入速度下兒童假人各損傷參數(shù)曲線

表2 不同門(mén)板侵入速度下兒童假人各損傷參數(shù)值

圖12 不同門(mén)板侵入深度下兒童假人各損傷指標(biāo)值輸出曲線

表3 不同門(mén)板侵入深度下兒童假人各損傷參數(shù)值

由圖12和表3可看出，兒童假人的頭部質(zhì)心合成加速度、胸部合成加速度、骨盆合成加速度峰值均有一定的增加，HIC15及T3ms值有所下降。這是因?yàn)閮煞N仿真試驗(yàn)的初始侵入速度均為6.6 m/s，當(dāng)侵入深度由250 mm減小到200 mm時(shí)，臺(tái)車的座椅系統(tǒng)需要獲得更大的加速度以達(dá)到門(mén)板的速度，因而假人身體各部位的加速度值均有所增大，而假人頭部的側(cè)向甩動(dòng)、胸部的側(cè)向位移量和受力卻隨著侵入距離的減小而變小，因此頭部HIC15及胸部T3ms的數(shù)值降低。因?yàn)楦黜?xiàng)損傷參數(shù)的差異值均小于7%，由此可知側(cè)面門(mén)板的侵入深度對(duì)兒童假人損傷響應(yīng)的影響較小。

5.3 門(mén)板侵入方式對(duì)兒童乘員損傷的影響

所建立的加速型臺(tái)車門(mén)板結(jié)構(gòu)采用平行方式進(jìn)行侵入，而減速型臺(tái)車的鉸鏈門(mén)結(jié)構(gòu)采用旋轉(zhuǎn)方式進(jìn)行侵入。對(duì)于同一個(gè)側(cè)面碰撞臺(tái)車裝置，采用加速型或減速型原理進(jìn)行側(cè)碰試驗(yàn)所得結(jié)果基本一致。因此，僅研究側(cè)面門(mén)板侵入形式的差異對(duì)兒童乘員損傷響應(yīng)的影響。對(duì)于加速型臺(tái)車需要對(duì)門(mén)板的侵入速度和座椅的滑動(dòng)速度分別進(jìn)行控制來(lái)確定門(mén)板相對(duì)于兒童約束系統(tǒng)的侵入速度，而對(duì)于減速型臺(tái)車鉸鏈門(mén)旋轉(zhuǎn)的角速度即為門(mén)板相對(duì)于兒童約束系統(tǒng)的侵入速度。側(cè)面碰撞仿真試驗(yàn)中加速型臺(tái)車的碰撞速度為6.6 m/s，減速型臺(tái)車鉸鏈門(mén)的旋轉(zhuǎn)角速度為12.3（°）/s，兩種試驗(yàn)臺(tái)車的侵入深度均為250 mm。仿真試驗(yàn)得到的兒童假人各項(xiàng)損傷參數(shù)曲線、損傷參數(shù)值如圖13及表4所示。

圖13 門(mén)板侵入方式下兒童假人各損傷指標(biāo)值輸出曲線

表4 不同門(mén)板侵入方式下兒童假人各損傷參數(shù)值

通過(guò)觀察仿真試驗(yàn)輸出的動(dòng)畫(huà)可看出，在鉸鏈門(mén)旋轉(zhuǎn)侵入的過(guò)程中，由于兒童假人身體向前運(yùn)動(dòng)并伴隨著側(cè)向甩動(dòng)，其骨盆與兒童安全座椅座墊部分的接觸面積變小，由此可知兒童假人與座椅之間的摩擦力變小，假人骨盆運(yùn)動(dòng)的加速度相應(yīng)的增大。同時(shí)，旋轉(zhuǎn)的侵入方式會(huì)導(dǎo)致兒童約束系統(tǒng)產(chǎn)生額外的轉(zhuǎn)動(dòng)，致使假人頭部與兒童安全座椅頭枕側(cè)翼接觸后沿著側(cè)翼的邊向外旋轉(zhuǎn)，使頭部的旋轉(zhuǎn)和偏移更加明顯，因此兒童假人頭部的加速度及HIC15的數(shù)值均有所增大。由差異值分析可知，門(mén)板侵入方式的改變對(duì)兒童假人頭部的損傷響應(yīng)影響顯著，而對(duì)胸部及骨盆的響應(yīng)影響較小。

6 結(jié)束語(yǔ)

利用MADYMO軟件建立了兒童約束系統(tǒng)仿真模型，利用該模型進(jìn)行了與側(cè)面碰撞臺(tái)車試驗(yàn)條件一致的仿真，驗(yàn)證了該仿真模型的有效性。在此基礎(chǔ)上，選取門(mén)板的侵入速度、侵入深度以及侵入方式作為側(cè)面碰撞臺(tái)車試驗(yàn)中的影響參數(shù)進(jìn)行了臺(tái)車仿真試驗(yàn)對(duì)比分析，研究側(cè)門(mén)不同的侵入條件對(duì)兒童損傷響應(yīng)的影響。結(jié)果表明，側(cè)面門(mén)板的侵入速度對(duì)兒童假人的各項(xiàng)損傷響應(yīng)有較大影響；側(cè)面門(mén)板的侵入深度對(duì)兒童假人損傷響應(yīng)影響較??；門(mén)板侵入方式的改變對(duì)兒童假人頭部的損傷響應(yīng)影響顯著，而對(duì)胸部及骨盆的響應(yīng)影響較小。

1 Langwieder K,Hummel T,Lowne R,et al.Side Impact to Chil?dren in Cars.Experience from International Accident Analy?sis and Safety Tests//15th ESV Conference.Melboume(Aus?tralia),1996.

2 Agran P,WinnD,Dunkle D.Injuries among 4 to 9 Year Old Restrained Motor Vehicle Occupants by Seat Location and Crash Impact.Monclus-Gonzalez 11 American Journal of Disability of Children,1989,143:1317～1321.

3 張超塵，楊濟(jì)匡.汽車側(cè)碰撞中兒童約束系統(tǒng)的仿真研究.微計(jì)算機(jī)信息，2010,26：（2）158～159.

4 Emam A,Sennah K,Howard A,et al.Influence of crash se?verity and contact surfaces characteristics on the dynamic ehavior of forward facing child ccupants.International Jour?nal of Crash worthiness,2003,8（6）:619～627.

5 Marianne Johansson,Bengt Pipkorn,Per L?vsund.Child Safety in Vehicles:Validation of a Mathematical Model and Development of Restraint System Design Guidelines for 3-Year-Olds through Mathematical Simulations.Traffic Injury Prevention,2009,10:467～478.

6 朱赟.汽車正面碰撞兒童約束系統(tǒng)參數(shù)靈敏度分析：[學(xué)位論文].上海:同濟(jì)大學(xué),2009.

7 陳超，魏明江，劉志新，等.兒童約束系統(tǒng)側(cè)面碰撞臺(tái)車試驗(yàn)方法對(duì)比分析.拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2013，40（5）:30～34.

（責(zé)任編輯 文 楫）

修改稿收到日期為2016年6月1日。

Simulation Research on Child Restraint System in Side Impact

Liu Jun,Yan Xiaojuan,Jia Linxi,Wang Liming Cheng Wei
（Jiangsu University,Zhenjiang 212013）

In this research,a simulation model of side impact sled and child restraint system was established in software MADYMO,and was verified in a simulation experiment.Then we analyzed the effects of different intrusion conditions of side door on child injury responses.The results showed that the intrusion velocity of side door had a great impact on injury responses of child dummy,whereas the intrusion depth had a little impact on them.The change of intrusion mode of door had significant impact on head injury response of child dummy,but it had a little impact on injury responses of chest and pelvis.The established simulation model is effective and trustworthy.

Side impact,Child restraint system,Injury response

側(cè)面碰撞 兒童約束系統(tǒng) 損傷響應(yīng)

U471.15

A

1000-3703（2017）01-0052-05