基于LS-DYNA的兒童座椅角度對(duì)Q3假人傷害分析

李君杰，梁亞妮，王昭辰

基于LS-DYNA的兒童座椅角度對(duì)Q3假人傷害分析

李君杰，梁亞妮，王昭辰

（中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司，天津 300300）

文章為解決新車型開發(fā)過程中后向安裝兒童座椅靠背角度最優(yōu)設(shè)置問題，通過分析某車型實(shí)車碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，基于LS-DYNA碰撞仿真分析軟件對(duì)實(shí)車進(jìn)行對(duì)標(biāo)后，優(yōu)化分析某兩款兒童座椅靠背角度對(duì)Q3兒童假人的傷害影響，來闡述不同兒童座椅傾斜角度對(duì)兒童乘員的保護(hù)情況，為新車型兒童約束系統(tǒng)開發(fā)提供參考依據(jù)。結(jié)果表明：正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗(yàn)（FRB）碰撞工況中，兒童座椅靠背傾斜角度，隨著傾斜程度的減小，假人傷害總體呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)。該研究為整車碰撞動(dòng)態(tài)兒童保護(hù)評(píng)價(jià)，選定兒童座椅安裝傾斜角度提供借鑒。

兒童乘員保護(hù)；Q3假人損傷；兒童座椅靠背角度；后向安裝；LS-DYNA

根據(jù)世界衛(wèi)生組織2018年發(fā)布的報(bào)告統(tǒng)計(jì)，道路交通傷害已經(jīng)成為兒童和青年人死亡的主要原因之一，每年有1 000多名兒童死于車禍，約167 000名兒童受傷[1]。兒童約束系統(tǒng)（Child Res- train System, CRS）能在道路交通事故中對(duì)兒童起到顯著的保護(hù)作用，研究表明，對(duì)于4歲以下兒童，CRS可將其死亡率降低60%左右[2]，如果使用得當(dāng)，CRS可將乘用車中3歲以下兒童的致命傷害減少71%[3]。美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理局（National Highway Traffic Safety Administration, NHTSA）的交通事故統(tǒng)計(jì)也表明，兒童座椅能有效保護(hù)兒童乘員在交通事故中免受傷害或減輕傷害的程度[4]。由此可見兒童約束系統(tǒng)對(duì)于兒童保護(hù)的重要性，在車?yán)镎_選擇和使用兒童座椅是非常必要的。

美國(guó)、日本及歐盟等國(guó)家和地區(qū)都制定了針對(duì)兒童保護(hù)相關(guān)的市場(chǎng)準(zhǔn)入法規(guī)，此外，各新車碰撞測(cè)試（New Car Assessment Program, NCAP）機(jī)構(gòu)頒布的規(guī)程針對(duì)兒童保護(hù)在測(cè)試及評(píng)價(jià)方面提出了更加詳細(xì)且嚴(yán)格的要求。正面碰撞事故在碰撞工況中很常見，VIANO等人利用通用估計(jì)系統(tǒng)（General Estimation System, GES）研究了6 071 000起警方報(bào)告的輕型車輛撞車事故，其中正面碰撞占車輛碰撞事故的49%，占嚴(yán)重傷害事故的47%，占死亡事故的39%[5]。我國(guó)的《C-NCAP 管理規(guī)程（2021版）》[6]也在正面碰撞工況中增加了針對(duì)后排Q3兒童的傷害評(píng)價(jià)指標(biāo)。

后向安裝的兒童座椅是CRS的一種常見形式，在預(yù)防死亡和減少傷害方面是非常有效的[7]。在正面碰撞中，后向安裝的兒童座椅通過兒童的背部傳遞碰撞力，同時(shí)保持頭部、頸部和脊柱對(duì)齊[8]。據(jù)NHTSA統(tǒng)計(jì)，2017年乘用車內(nèi)有325名兒童因使用后向兒童約束裝置而獲救[9]，后向兒童座椅已被證明在保護(hù)幼兒方面非常有效[10]。

MANSFIELD等[11-12]在一項(xiàng)研究中分析了汽車座椅剛度和長(zhǎng)度對(duì)兒童約束系統(tǒng)性能的影響，結(jié)論指出汽車座椅長(zhǎng)度對(duì)兒童約束系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)角度有一定影響，從而影響兒童約束系統(tǒng)對(duì)兒童的保護(hù)性能，但是，由于該研究的直接影響因子并非兒童座椅旋轉(zhuǎn)角度，所以并未有量化的關(guān)于旋轉(zhuǎn)角度對(duì)于兒童保護(hù)性能的結(jié)論性總結(jié)。黃建湘等[13]對(duì)兒童座椅造型、材料、功能方面的改良途徑進(jìn)行了探討，其中兒童座椅旋轉(zhuǎn)角度對(duì)于兒童保護(hù)性能也是非常重要的因素，但是文中無實(shí)際的工程應(yīng)用研究。郭慶祥等[14]通過單因素影響分析，確定了影響Q3兒童保護(hù)的主要因素包括兒童座椅形式、車身結(jié)構(gòu)、第二排座椅坐墊剛度及傾角、兒童碰撞空間及車輛安全帶。采用正交試驗(yàn)及極差分析法對(duì)各因素的靈敏度進(jìn)行分析，結(jié)果表明，對(duì)于Q3兒童保護(hù)，座椅布置形式為主要影響因素，其次是車身結(jié)構(gòu)，再次為二排座椅剛度和坐墊傾角。

大量研究都指明由于其他因素導(dǎo)致的兒童座椅角度對(duì)兒童保護(hù)有著明顯的影響，但是鮮有文獻(xiàn)直接量化研究?jī)和谓嵌葘?duì)于兒童損傷的影響。在實(shí)際的工程應(yīng)用中，兒童安全座椅類型以及座椅安裝角度對(duì)兒童均有不同的保護(hù)效果。所以為彌補(bǔ)研究空白和解決實(shí)際的工程應(yīng)用問題，本研究根據(jù)對(duì)某實(shí)車正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗(yàn)（Frontal impact test against rigid barrier with 100% overlapping, FRB）數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過選擇不同類型的兒童安全座椅和設(shè)置不同座椅安裝角度，在C-NCAP正面碰撞工況下進(jìn)行仿真，通過分析兒童座椅約束系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和假人的生物力學(xué)，得出兒童座椅靠背角度對(duì)兒童乘員保護(hù)的影響，為兒童約束系統(tǒng)和車輛工程師提供數(shù)據(jù)參考。這些信息可以幫助工程師進(jìn)行產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)，協(xié)助提供產(chǎn)品安裝建議，以提高兒童的安全。本文研究可為后續(xù)兒童座椅開發(fā)設(shè)計(jì)以及座椅安裝傾斜角度提供數(shù)據(jù)支持。

1 兒童Q3假人評(píng)分規(guī)則

根據(jù)C-NCAP 2021版評(píng)分體系[6]，第二排兒童假人評(píng)價(jià)最高得分為4分，最低得分為0分。評(píng)價(jià)部位為兒童假人的頭部、頸部、胸部。

假人頭部得分通過測(cè)量假人相關(guān)指標(biāo)而產(chǎn)生，第二排兒童假人頭部若在向前移動(dòng)過程中未發(fā)生二次碰撞，則頭部評(píng)分只使用假人頭部3毫秒合成加速度計(jì)算得分。若在向前移動(dòng)過程中與前排座椅、B柱等零部件發(fā)生二次碰撞時(shí)，頭部評(píng)分使用假人頭部傷害指數(shù)（Head Injury Criteria 15, HIC15）和頭部累積3毫秒合成加速度兩項(xiàng)指標(biāo)分別計(jì)算得分，并取兩個(gè)中較低分作為頭部評(píng)分。頸部部位得分通過假人頸部張力z指標(biāo)而產(chǎn)生。胸部得分通過測(cè)量假人胸部累積3毫秒合成加速度指標(biāo)而產(chǎn)生。

以上三個(gè)部位的評(píng)價(jià)，均依托于各自部位對(duì)應(yīng)的高低性能限值，高性能限值對(duì)應(yīng)該部位的最高得分，低性能限值對(duì)應(yīng)該部位的最低得分，處于兩者之間的測(cè)量值分別采用線性插值的方法得出相應(yīng)分?jǐn)?shù)，該分?jǐn)?shù)采用四舍五入的方法保留到小數(shù)點(diǎn)后三位。Q3假人各部位高低性能限值及分值分配情況如表1所示：

表1 Q3 假人傷害高、低性能限值及分值分配

部位評(píng)價(jià)項(xiàng)高性能低性能極限值滿分 頭部HIC15有接觸<500>7007002 a3ms/g<60>8080 頸部Fz/kN<1.555>2.840 1 胸部a3ms/g<41>55 1

2 正碰兒童Q3假人傷害優(yōu)化分析

2.1 仿真模型的建立

根據(jù)某車型計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design, CAD）數(shù)據(jù)，分別建立兩種兒童座椅安裝形式的約束系統(tǒng)仿真模型，即ISOFIX連接固定+支撐腿、三點(diǎn)式安全帶固定，如圖1所示。

圖1 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)車碰撞試驗(yàn)結(jié)果，針對(duì)ISOFIX+支撐腿安裝方式的兒童座椅進(jìn)行FRB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、頸部軸向張力z傷害曲線、胸部合成加速度曲線對(duì)標(biāo)結(jié)果如圖2所示。

圖2 Q3兒童頭部、頸部、胸部傷害曲線對(duì)標(biāo)結(jié)果

試驗(yàn)與仿真對(duì)應(yīng)傷害值如表2所示。

表2 假人關(guān)鍵部位傷害指標(biāo)

方案頭部/g頸部/kN胸部/g 實(shí)車試驗(yàn)40.491.21646.29 仿真對(duì)標(biāo)41.391.26340.53

由圖2曲線可知，對(duì)標(biāo)的頭部合成加速度曲線、頸部軸向張力曲線F、胸部合成加速度曲線與試驗(yàn)接近，仿真模型與實(shí)車試驗(yàn)一致性較好，可以將此仿真模型作為基礎(chǔ)模型研究該款兒童座椅靠背角度變化對(duì)兒童Q3假人各部位傷害的影響。

2.3 座椅靠背角度優(yōu)化分析

以對(duì)標(biāo)模型為參考基礎(chǔ)，調(diào)整不同的兒童座椅靠背角度，從最傾斜到直立進(jìn)行角度設(shè)置，對(duì)應(yīng)編號(hào)0－6，設(shè)置角度如表3所示。

表3 兒童座椅靠背調(diào)節(jié)角度方案說明

方案0123456 調(diào)節(jié)角度?10°基礎(chǔ)+2.5°+5.0°+7.5°+10°+20°

注：“?”向傾斜趨勢(shì)調(diào)整；“+”向直立狀態(tài)調(diào)整。

兒童座椅靠背角度調(diào)整狀態(tài)展示如圖3所示。

圖3 兒童座椅靠背旋轉(zhuǎn)角度狀態(tài)

根據(jù)兒童座椅靠背角度傾斜方案，相應(yīng)調(diào)試仿真模型，經(jīng)過仿真計(jì)算，傷害情況如表4及圖4所示。

表4 假人關(guān)鍵部位傷害指標(biāo)

方案頭部/g頸部/kN胸部/g 053.171.53241.78 141.391.26340.53 238.581.11040.34 341.720.97342.98 446.560.90443.17

圖4 方案實(shí)施Q3假人傷害趨勢(shì)變化

由表4傷害值和圖4傷害變化趨勢(shì)可知，隨著兒童座椅靠背傾斜角度的減小，假人頭部傷害出現(xiàn)波浪式變化，但總體呈現(xiàn)減小趨勢(shì)；假人頸部傷害呈現(xiàn)線性減小趨勢(shì)；假人胸部傷害，從變化趨勢(shì)上觀察，變化波動(dòng)較小?？傮w上，Q3兒童假人傷害隨著兒童座椅靠背傾斜角度的減小，假人傷害出現(xiàn)減小趨勢(shì)。

3 兒童座椅安裝角度驗(yàn)證分析

為驗(yàn)證前期兒童座椅安裝傾斜角度分析的結(jié)果，采用另外一款三點(diǎn)式安全帶固定的兒童座椅在實(shí)車碰撞試驗(yàn)中的結(jié)果，進(jìn)行仿真對(duì)標(biāo)，然后優(yōu)化調(diào)整不同的座椅安裝傾斜角度，觀察兒童Q3假人各部位傷害情況是否有相同的變化趨勢(shì)。此款兒童座椅基礎(chǔ)模型對(duì)標(biāo)效果如圖5所示。

基于對(duì)標(biāo)模型，其作為調(diào)整方案的基礎(chǔ)模型，進(jìn)行座椅安裝角度調(diào)整方案的設(shè)定，方案如表5及圖6所示。

表5 兒童座椅靠背調(diào)節(jié)角度方案說明

方案01234 調(diào)節(jié)角度?10°?5°基礎(chǔ)+5°+10°

注：“?”向傾斜趨勢(shì)調(diào)整；“+”向直立狀態(tài)調(diào)整。

根據(jù)此款兒童座椅調(diào)節(jié)的安裝角度，相應(yīng)更新后排座椅座墊與其接觸的角度，更新調(diào)試模型，進(jìn)行仿真優(yōu)化計(jì)算，兒童假人各部位傷害情況如表6及圖7所示。

表6 假人傷害指標(biāo)

方案頭部/g頸部/kN胸部/g 048.450.83836.26 133.280.88529.86 236.150.99428.97 332.480.80226.99 430.610.65025.75

由表6結(jié)果和圖7變化趨勢(shì)可知，隨著此款兒童座椅安裝傾斜角度的減小，假人各部位傷害值總體呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，變化規(guī)律與上一款兒童座椅表現(xiàn)的趨勢(shì)一致，得到相互驗(yàn)證。

圖7 方案實(shí)施Q3假人傷害趨勢(shì)變化

4 結(jié)論

本文通過分析兩款不同安裝類型的兒童座椅在正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗(yàn)工況中的表現(xiàn)，引入兒童座椅安裝傾斜角度這一變量，對(duì)某車型有限元Q3兒童約束系統(tǒng)模型進(jìn)行分析，以兒童Q3假人各部位傷害變化趨勢(shì)為依據(jù)，借助LS-DYNA碰撞仿真分析軟件進(jìn)行單一變量分析，從中得到以下結(jié)論：

FRB工況中，對(duì)于后向安裝的兒童座椅，隨著兒童座椅靠背安裝傾斜角度的減小，假人傷害總體呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)，個(gè)別部位傷害值在小范圍波動(dòng)，可根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)，有針對(duì)地進(jìn)行優(yōu)化分析，進(jìn)而選用合適的兒童座椅靠背傾斜角度。

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Analysis of the Injury of Dummy Q3 by Child Seat Angle Based on LS-DYNA

LI Junjie, LIANG Yani, WANG Zhaochen

( CATARC (Tianjin) Automotive Engineering Research Institute Company Limited, Tianjin 300300, China )

In this paper, in order to solve the problem of optimal setting of the backrest angle of a rear-mounted child seat during the development of a new model, the injury situation of Q3 child dummy is optimized and analyzed by analyzing the crash test data of a real car based on LS-DYNA crash simulation analysis software after the vehicle benchmarking, this paper expounds the performance defects of different tilt angles of child seats in vehicle collisions, so as to provide a reference for the development of child restraint system of new cars. The results show that: In the frontal impact test against rigid barrier with 100% overlapping (FRB) collision condition, as the angle of the child seat decreases, the injury of dummy show a gradually decreasing trend. The research provides reference for the dynamic child occupant protection evaluation of vehicle collision and the selection of child seats mounting tilt angle.

Child occupant protection; Injury of dummy Q3; Child seat back angle; Backward mounting;LS-DYNA

U461.91；U467.1

A

1671-7988(2023)17-94-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.017.017

李君杰（1989－），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槠嚤粍?dòng)安全，E-mail:kaituo34234171@sina.com。