汽车正面碰撞中儿童乘员约束系统的仿真研究

高 伟，陈 鹏

（湖北汽车工业学院 汽车工程系，湖北 十堰 442002）

汽车正面碰撞中儿童乘员约束系统的仿真研究

高 伟，陈 鹏

（湖北汽车工业学院 汽车工程系，湖北 十堰 442002）

利用MADYMO软件，建立了3岁儿童乘员正面碰撞仿真模型，并对该模型的有效性进行了验证。在此基础上，分析了汽车座椅安全带及儿童约束系统的相关设计参数对儿童乘员损伤的影响，提出了降低儿童乘员损伤的措施。

正面碰撞；儿童约束系统；损伤

随着我国汽车保有量的增长，交通事故频繁发生。汽车装备的常规座椅、安全带约束系统和安全气囊是针对成人设计的，不能对儿童乘员提供保护，反而带来的是严重的伤害。根据公安部发布的数据显示，我国每年超过1.85万名14岁以下儿童死于交通安全事故，死亡率是欧洲的2.5倍、美国的2.6倍，交通事故已经成为14岁以下儿童的第一死因。［1］儿童乘车安全问题受到社会的广泛关注，相关研究表明：汽车儿童乘员约束系统对于车辆碰撞中保护儿童乘员的安全性作用效果明显。欧美等国家纷纷出台儿童安全乘车法规，要求儿童在乘车时必须使用儿童约束系统（CRS），而我国在这方面才刚刚起步。本文运用MADYMO软件，建立Taurus轿车后排座椅、汽车座椅安全带、儿童约束系统的仿真模型，通过正面碰撞的仿真，分析儿童约束系统和汽车座椅安全带的相关设计参数对儿童乘员在碰撞中受到损伤的影响。

1 仿真模型的建立

仿真模型包括Taurus轿车后排座椅、汽车座椅安全带、儿童约束系统（含五点式安全带）和P3儿童假人。其中，汽车座椅模型、儿童安全座椅模型为多刚体模型；汽车座椅安全带、儿童安全座椅五点式安全带为多体和有限元耦合的模型。儿童假人模型采用MADYMO 6.2.1数据库中的P3系列儿童假人模型。

儿童安全座椅原形是一款己通过ECER44法规试验验证，适合0～4岁儿童使用的座椅，该座椅既可以前向安装也可以后向安装。儿童安全座椅模型由15个椭球构成，并将全部的椭球定义为一个刚体，质量为15 kg，采用前向安装的方式，通过汽车座椅安全带固定在汽车后排座椅上。

2 仿真模型有效性分析

为了验证整个仿真模型的有效性，进行了与FMVSS213法规规定的试验要求一致的仿真。通过MADYMO软件计算输出假人响应，主要是头部和胸部加速度数据以及头部损伤标准HIC15值。头部合成加速度及胸部合成加速度曲线分别如图1所示。假人输出的头部合成加速度、胸部合成加速度峰值和头部损伤标准HIC15值如表1所示。

图1 假入输出的加速度曲线

表1 假人输出的各损伤参数峰值

由表1可以看出，假人头部、胸部合成加速度峰值和头部损伤标准HIC15值均在美国FMVSS213法规规定的范围内［2］。因此，本文所建立的仿真模型有效，可以用于后续的研究。

3 儿童约束系统设计参数的仿真

儿童乘员约束系统为儿童提供最直接的保护，所以其设计参数对碰撞中儿童乘员的响应有着重要的影响［3］。在已验证模型的基础上，针对儿童安全座椅与汽车座椅之间的摩擦系数、汽车座椅安全带刚度和儿童座椅安全带肩带固定点位置对儿童乘员损伤的响应进行了仿真分析。

3.1 儿童安全座椅与汽车座椅的摩擦系数的影响

儿童安全座椅与汽车座椅之间的摩擦系数是儿童约束系统设计参数之一。在碰撞过程中，儿童安全座椅与汽车座椅之间的摩擦力会影响到儿童座椅在碰撞中的运动情况，从而影响到假人头部和胸部的响应［4］。本文选取了儿童安全座椅和汽车座椅之间的摩擦系数分别为0.2、0.3（原方案）和0.4，其余参数均保持不变，进行计算。各损伤参数输出结果如图2及表2所示。

图2 摩擦系数不同时加速度曲线

表2 摩擦系数不同时各损伤参数汇总表

从图2中可以看出，当儿童安全座椅和汽车座椅间的摩擦系数不同时，各损伤参数曲线的形状、脉宽及走向趋势均比较接近，但各损伤参数出现峰值的时刻不同。

由表2可以看出，当儿童安全座椅与汽车座椅间的摩擦系数增大时，头部加速度峰值及头部HIC15值随之增大而降低，胸部加速度峰值随之增大而增大，这是由于摩擦系数增大，儿童安全座椅和汽车座椅间的摩擦力增大，从而约束了儿童安全座椅的运动，降低了儿童乘员头部的加速度响应。

3.2 汽车座椅安全带刚度的影响

儿童安全座椅通过汽车座椅安全带固定在汽车后排座椅上，汽车座椅安全带对儿童安全座椅的约束力影响儿童安全座椅在碰撞中的运动情况，从而影响到儿童假人的响应。通过改变汽车座椅安全带的刚度来调节汽车座椅安全带对儿童安全座椅的约束能力。图3为仿真输出头部合成加速度曲线和胸部合成加速度曲线。将汽车座椅安全带的加载、卸载曲线Y方向值上乘以一个比例系数0.5、1（原方案）和2，其他参数均保持不变［4］。

从图3可以看出，各损伤参数曲线形状及趋势受汽车安全带刚度影响不大。从各损伤参数汇总表（表3）对比结果可以看出，各损伤参数随着汽车座椅安全带的刚度的增大而减小，这主要是因为当汽车座椅安全带刚度增加时，汽车座椅安全带对儿童安全座椅的约束力增强，从而降低了儿童乘员的头部和胸部加速度响应。

图3 安全带刚度不同时加速度曲线

表3 安全带刚度不同时各损伤参数汇总表

3.3 儿童座椅安全带安装位置的影响

儿童假人是由儿童座椅安全带约束在儿童安全座椅上，故不仅儿童约束系统安全带的性能参数可能对假人的响应造成影响，结构参数也可能对假人的响应产生影响。为了研究儿童座椅安全带的穿孔位置对儿童乘员响应的影响，取儿童安全座椅上的3个不同的安全带穿孔位置（图4）进行了仿真，其他参数均保持不变。

图4 儿童座椅安全带穿孔位置示意图

图5分别为儿童座椅安全带不同穿孔位置各损伤参数曲线，表4为各损伤参数峰值。从图5可以看出，当儿童座椅安全带穿孔位置改变时，儿童假人各损伤参数曲线的形状、脉宽及走向趋势比较接近，但各损伤参数峰值变化较大。

由表4可以看出，安全带穿孔位置在高固定点或低固点时，其胸部加速度曲线的峰值均低于原方案，这主要是由于安全带穿孔位置在高定点或低固点时与原方案相比，穿孔处到儿童乘员肩部的安全带较长，使儿童安全带在碰撞过程中可以被拉伸更长的距离吸收以吸收能量，从而降低了儿童乘员的胸部加速度响应，但是安全带较长会使儿童乘员在碰撞中与汽车前排座椅发生碰撞，故在高固定点或低固定点位置头部加速度响应较大。

图5 安全带安装位置不同时加速度曲线

表4 安全带安装位置不同时各损伤参数汇总表

4 结束语

通过建立汽车正面碰撞儿童乘员约束系统的仿真模型，研究了汽车座椅和儿童安全座椅之间的摩擦系数、汽车座椅安全带的刚度和儿童座椅安全带穿孔位置等设计参数对儿童乘员损伤的影响，仿真分析结果表明，各参数对儿童乘员的头部及胸部加速度、头部损伤标准HIC15值有着不同程度的影响。儿童安全座椅设计和使用时，为了降低碰撞中儿童乘员的损伤，可以采取下列措施：1）使用ISOFIX或LATCH系统等固定装置，可以避免使用安全带固定时容易出现松弛的现象；2）要依据儿童乘员实际情况选择儿童座椅安全带的结构形式、佩戴舒适性和适用范围；3）采用新型适用的儿童座椅安全带，如预紧式安全带、限力式安全带等。

［1］孔 军，马 伟.车内乘员安全及其约束系统的研究［J］.武汉理工大学学报：信息与管理工程版，2007，29（6）：77-80.

［2］National Highway Traffic Safety Administration.FMVSS213：Child Restraint Systems［S］.2003.

［3］马 伟.车辆正面碰撞中儿童乘员约束系统的仿真研究［D］.武汉：武汉理工大学，2008.

［4］高 伟，邓召文.汽车侧碰撞儿童约束系统模型的建立及其设计参数的仿真研究 ［J］.湖北汽车工业学院学报，2008（4）：12-17.

Simulation of Child Restraint System for Child Occupants in Vehicle Frontal Impact

Gao Wei，Chen Peng
（Dept.of Automotive Engineering,Hubei Automotive Industries Institute，Shiyan 442002，China）

The simulation model of frontal impact was set up for the 3-year-old child occupants using MADYMO software and validity of the model was validated.The influences of the seat belt and relevant design parameters of the child restraint system（CRS）on child occupants’injuries in frontal impact were analyzed.The methods of reducing child occupants’injuries were brought forward.

frontal impact；child restraint system（CRS）；injury

U461.91

A

1004-5483（2010）04-0016-04

10.3969/j.issn.1008-5483.2010.04.005

2010-11-15

高 伟（1978-），女，吉林农安人，硕士，主要从事汽车被动安全研究。