基于實(shí)車(chē)正面碰撞試驗(yàn)Q3假人頭部傷害仿真分析

李君杰,劉曉東,崔東,胡帛濤

中汽研(天津)汽車(chē)工程研究院有限公司,天津 300300

0 引言

2021版C-NCAP增加了對(duì)第二排兒童假人傷害考察，降低兒童假人傷害成為整車(chē)碰撞安全開(kāi)發(fā)中重要的一部分，從C-NCAP的發(fā)展趨勢(shì)可以看出，我國(guó)汽車(chē)安全領(lǐng)域，正在逐漸增加對(duì)兒童乘員保護(hù)的重視。根據(jù)公安部交管局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，截至2019年上半年，我國(guó)汽車(chē)保有量2.5億輛，私家車(chē)1.98億輛，城市擁堵不斷，同時(shí)全社會(huì)交通安全問(wèn)題日益突出。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2017年全國(guó)發(fā)生交通事故總數(shù)203 049起，直接造成財(cái)產(chǎn)損失121 311萬(wàn)元，導(dǎo)致209 654人受傷，63 772人死亡。資料顯示，我國(guó)每年有超過(guò) 1.85萬(wàn)名兒童死于交通事故，死亡率是歐洲的 2.5倍，美國(guó)的 2.6 倍。目前，道路交通傷害已經(jīng)成為中國(guó)兒童意外傷亡的第二大原因。對(duì)于兒童，道路交通傷害除了是傷害死亡的首要原因，還是非致命性兒童傷害的最重要的原因。由某機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，在由各類(lèi)原因?qū)е碌膬和B腦損傷事故中，84.1%的兒童顱腦創(chuàng)傷是由道路交通導(dǎo)致，兒童頭部損傷不僅給受傷兒童帶來(lái)非常嚴(yán)重的生理傷害，而且給患者家庭帶來(lái)沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，更加加重了醫(yī)療體系和社會(huì)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。因此，如何提高兒童乘員頭部的保護(hù)效率顯得尤為重要。

在實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)過(guò)程中，成人約束系統(tǒng)并不適用于兒童，兒童并不是成人的縮小版，當(dāng)用成人安全帶約束兒童時(shí)，會(huì)存在安全帶松弛的現(xiàn)象，在交通事故中，可能會(huì)勒住兒童的頸部，且極易壓傷兒童的腰部，更嚴(yán)重的話會(huì)引起肋骨的斷裂、胸部壓傷及扭斷脖子的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于兒童乘車(chē)人來(lái)說(shuō)，似乎使用兒童安全座椅是目前保護(hù)兒童乘員有效的辦法，而后向式安裝兒童座椅也一直被認(rèn)為是保護(hù)兒童乘員最有效的約束方式。但是，對(duì)于C-NCAP法規(guī)規(guī)程里涉及的正面碰撞試驗(yàn)工況中使用的Q3假人，其與后向安裝的兒童座椅在什么情況下才能匹配得當(dāng)，是一項(xiàng)值得研究的問(wèn)題。當(dāng)碰撞發(fā)生時(shí)，兒童座椅與車(chē)內(nèi)其他接觸部件是否真正相匹配，是否能發(fā)揮對(duì)兒童乘員最大的保護(hù)效能，如何合理匹配這些獨(dú)立的系統(tǒng)，成為兒童保護(hù)開(kāi)發(fā)研究的重點(diǎn)。

文中根據(jù)對(duì)某實(shí)車(chē)正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，同時(shí)加之CAE仿真對(duì)標(biāo)驗(yàn)證，得出制約后向安裝兒童座椅保護(hù)Q3假人頭部效率的因素，為兒童保護(hù)的開(kāi)發(fā)提供了一定的數(shù)據(jù)參考。

1 兒童Q3假人頭部傷害超標(biāo)分析

根據(jù)C-NCAP 2021版評(píng)分體系，某實(shí)車(chē)正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗(yàn)中，兒童假人頭部傷害較大，超過(guò)低性能限值，最終導(dǎo)致兒童假人的總體評(píng)價(jià)成績(jī)較低。

頭部的損傷是外部機(jī)械力量傳至頭部，主要分為接觸損傷和慣性損傷，接觸損傷是由接觸碰撞導(dǎo)致的，接觸損傷又包括局部損傷和遠(yuǎn)端損傷。局部損傷是指由于物體受到碰撞時(shí)，其碰撞區(qū)域受到集中的應(yīng)力，碰撞能量通過(guò)局部骨折吸收；遠(yuǎn)端損傷則是由于受到?jīng)_擊的頭部運(yùn)動(dòng)受到阻礙，碰撞能量從碰撞點(diǎn)擴(kuò)散至遠(yuǎn)端，由遠(yuǎn)離沖擊點(diǎn)的骨折吸收。慣性損傷則是由線加速度和角加速度所致的。其損傷主要是由碰撞時(shí)頭部和頸部之間的相互作用產(chǎn)生的角加速導(dǎo)致。平移和旋轉(zhuǎn)加速合成的角加速是最常見(jiàn)的慣性損傷形式，而角加速的大小和持續(xù)時(shí)間決定了它引起腦損傷的程度。后向安裝兒童座椅時(shí)，當(dāng)碰撞發(fā)生時(shí)，兒童假人既會(huì)受到接觸損傷中的遠(yuǎn)端損傷情況，也會(huì)受到慣性損傷的情況，前者是由于兒童座椅頭枕受到接觸撞擊將碰撞能量傳遞給兒童頭部，后者是由于突然停止旋轉(zhuǎn)對(duì)兒童頭部的沖擊傷害，兩者的共同點(diǎn)在于受到?jīng)_擊的兒童頭部突然停止運(yùn)動(dòng)，其兒童頭部?jī)?nèi)的組織吸收了碰撞能量，最終導(dǎo)致兒童頭部的損傷。

通過(guò)對(duì)實(shí)車(chē)試驗(yàn)后高速錄像的檢查發(fā)現(xiàn)，后向安裝兒童座椅在試驗(yàn)過(guò)程中，兒童座椅靠背由于較大的向后張角，45 ms左右時(shí)兒童座椅背部支撐面開(kāi)始接觸到前排座椅靠背；55 ms左右時(shí)兒童座椅頭枕接觸到前排座椅靠背；隨著接觸程度的加重，65 ms左右時(shí)兒童頭部出現(xiàn)明顯沖撞兒童座椅頭枕的現(xiàn)象，如圖1所示。

圖1 兒童Q3假人頭部傷害曲線

綜上分析可知，頭部加速度傷害較大的原因在于，碰撞試驗(yàn)過(guò)程中，兒童座椅動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)位移異常過(guò)大，當(dāng)接觸到前排座椅靠背瞬間停止運(yùn)動(dòng)后，其旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成兒童假人頭部的接觸能量，傳遞到兒童顱腦內(nèi)部，最終導(dǎo)致兒童假人頭部的嚴(yán)重傷害。兒童座椅動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)位移示意如圖2所示。

圖2 兒童座椅動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)位移示意

另外，由試驗(yàn)高速錄像發(fā)現(xiàn)，兒童座椅靠背在出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，兒童座椅整體也存在明顯的下陷現(xiàn)象，在一定程度上加重了兒童座椅的動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

2 正碰兒童Q3假人頭部?jī)?yōu)化分析

2.1 仿真模型的建立

根據(jù)CAD數(shù)據(jù)及乘員空間，建立正面碰撞兒童乘員Q3約束系統(tǒng)仿真模型，包括前排乘員座椅、第二排乘員座椅、后向安裝兒童座椅，兒童Q3假人，整車(chē)試驗(yàn)脈沖加載等必要數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 正面碰撞兒童Q3假人仿真模型

2.2 仿真模型對(duì)標(biāo)

根據(jù)實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行兒童Q3假人約束系統(tǒng)模型的對(duì)標(biāo)，其中頭部合成加速度傷害曲線對(duì)標(biāo)結(jié)果如圖4所示。

圖4 兒童Q3頭部合成加速度對(duì)標(biāo)結(jié)果

由圖4曲線可知，對(duì)標(biāo)的頭部合成加速度曲線與試驗(yàn)接近，仿真模型與實(shí)車(chē)試驗(yàn)一致性較好，仿真模型精度滿足要求，可以將此仿真模型作為基礎(chǔ)模型對(duì)兒童Q3假人頭部傷害進(jìn)行優(yōu)化分析。

2.3 仿真模型優(yōu)化分析

文中提到碰撞過(guò)程中后向安裝兒童座椅動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)位移異常過(guò)大。這里重點(diǎn)分析兒童座椅動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)位移對(duì)假人頭部的影響，分兩方面考慮問(wèn)題：一方面，從兒童座椅本身出發(fā)，加強(qiáng)后向安裝兒童座椅本身的強(qiáng)度，避免由于兒童座椅自身強(qiáng)度問(wèn)題，導(dǎo)致兒童座椅本體的動(dòng)態(tài)張角過(guò)大；另一方面，從與兒童座椅相接觸的車(chē)內(nèi)子系統(tǒng)考慮，包括后排座椅坐墊的支撐強(qiáng)度、前排座椅靠背與兒童座椅接觸位置的結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度。

初步計(jì)算如下方案：

方案一：兒童座椅本身強(qiáng)度加強(qiáng)；

方案二：第二排座椅支撐強(qiáng)度提高、前排座椅靠背結(jié)構(gòu)件弱化。

觀察兒童Q3假人頭部合成加速度曲線，發(fā)現(xiàn)兒童座椅本身結(jié)構(gòu)問(wèn)題影響頭部傷害相對(duì)較大，兒童座椅本體未能有效吸收撞擊接觸所傳遞而來(lái)的碰撞能量，最終將過(guò)多的能量傳遞給兒童假人。其次，方案二涉及的影響因素，也是增加接觸能量的關(guān)鍵因素，優(yōu)化這些問(wèn)題，對(duì)于緩解兒童假人頭部傷害，有著積極的作用。對(duì)比結(jié)果如圖5所示。

圖5 方案實(shí)施Q3假人頭部傷害對(duì)比

由圖5可知，兒童Q3假人頭部傷害情況受方案一和方案二兩方面因素的影響，然而在這兩方面因素中，由于兒童座椅作為子系統(tǒng)是由供應(yīng)商提供的成品，針對(duì)特定兒童座椅結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的可能性比較小，而另一方面，整車(chē)中其他子系統(tǒng)也會(huì)受到諸多因素的制約，而不能進(jìn)行有利的優(yōu)化，當(dāng)優(yōu)化這些子系統(tǒng)對(duì)其他成人乘員約束系統(tǒng)造成不利影響的情況出現(xiàn)時(shí)，就需要衡量這樣優(yōu)化的利弊，當(dāng)弊大于利時(shí)，可以換一種思路，比如嘗試考慮不同型號(hào)的兒童座椅，或者不同安裝固定方式的兒童座椅對(duì)具體車(chē)型的響應(yīng)情況。所以，沿著這個(gè)思路，將兒童座椅按安裝類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)，挑選每種類(lèi)型里比較有代表性的座椅進(jìn)行后續(xù)的滑臺(tái)及整車(chē)驗(yàn)證試驗(yàn)，來(lái)考察兒童假人的頭部傷害變化情況，挑選出來(lái)的座椅不代表唯一性，只是象征該類(lèi)車(chē)型適用的兒童座椅類(lèi)型參考方向。

3 滑臺(tái)及實(shí)車(chē)驗(yàn)證分析

為驗(yàn)證前期分析的結(jié)果，在滑臺(tái)模擬試驗(yàn)和實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)中進(jìn)行正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗(yàn)工況，觀察兒童Q3假人頭部合成加速度是否有減小趨勢(shì)。采用不同品牌后向安裝的兒童座椅以及不同安裝形式的兒童座椅進(jìn)行對(duì)比分析，如圖6和圖7所示。

圖6 不同品牌后向安裝的兒童座椅

圖7 不同安裝形式的兒童座椅

滑臺(tái)模擬試驗(yàn)后，兒童Q3假人頭部合成加速度傷害情況如圖8和圖9所示。

圖8 不同后向安裝兒童座椅Q3假人頭部傷害對(duì)比

圖9 不同安裝形式兒童座椅Q3假人頭部傷害對(duì)比

由圖8和圖9可知，對(duì)于特定條件下的車(chē)型配置，大部分后向安裝的兒童座椅與整車(chē)不匹配，兒童假人頭部傷害嚴(yán)重，當(dāng)使用三點(diǎn)式安全帶固定兒童座椅的方式固定正向兒童座椅時(shí)，其Q3兒童頭部傷害改善明顯。

將滑臺(tái)模擬試驗(yàn)中表現(xiàn)較好的兒童座椅類(lèi)型應(yīng)用到實(shí)車(chē)試驗(yàn)中，進(jìn)行正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗(yàn)，驗(yàn)證匹配效果，觀察兒童Q3假人頭部合成加速度傷害值是否減小。其試驗(yàn)后兒童假人頭部合成加速度傷害結(jié)果如圖10所示。

圖10 實(shí)車(chē)試驗(yàn)驗(yàn)證Q3假人頭部傷害對(duì)比

由圖10可知，實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)中，兒童Q3假人頭部合成加速度傷害改進(jìn)效果明顯。整車(chē)三點(diǎn)式安全帶固定兒童座椅的方式，相對(duì)于兒童假人來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于增加了碰撞能量的卸載途徑，進(jìn)一步緩沖了假人受到瞬間沖擊傷害的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

文中通過(guò)對(duì)實(shí)車(chē)正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗(yàn)(FRB)中兒童Q3假人的頭部合成加速度傷害進(jìn)行分析，以降低第二排兒童Q3假人頭部傷害為目的，借助CAE仿真手段進(jìn)行仿真模擬對(duì)標(biāo)，提出了解決后向安裝兒童座椅所造成兒童假人頭部傷害的思路，最終經(jīng)過(guò)滑臺(tái)及實(shí)車(chē)試驗(yàn)驗(yàn)證，降低了兒童Q3假人頭部傷害程度，提高了該車(chē)型在正面碰撞中兒童Q3假人的保護(hù)性能，從中得到以下結(jié)論：

(1)對(duì)于Q3兒童假人，并非所有車(chē)型均適合采用后向安裝兒童座椅的方式進(jìn)行對(duì)兒童的保護(hù)，需要具體車(chē)型具體分析。

(2)對(duì)于后向安裝的兒童座椅而言，其自身的強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)性能需要進(jìn)一步提升，強(qiáng)度可靠，結(jié)構(gòu)有效吸能，對(duì)于兒童的保護(hù)意義重大。

(3)采用整車(chē)三點(diǎn)式安全帶固定方式的正向安裝的兒童座椅，對(duì)于兒童假人頭部傷害風(fēng)險(xiǎn)的降低有積極作用，但需要注意一點(diǎn)，正向安裝座椅，對(duì)于兒童假人頸部及胸部的傷害波動(dòng)較大，文中尚未對(duì)此進(jìn)行分析闡述，后續(xù)需要進(jìn)一步研究其波動(dòng)范圍是否可控，正向安裝形式下，五點(diǎn)式安全帶對(duì)兒童假人的損傷風(fēng)險(xiǎn)，也需進(jìn)一步深入研究。