汽车儿童安全座椅碰撞性能仿真分析与评价

彭炫权，臧孟炎，许韶恩，萧乃仁

(1.华南理工大学 机械与汽车工程学院，广东 广州 510640)(2.中山市隆成日用制品有限公司，广东 中山 528400)

汽车儿童安全座椅碰撞性能仿真分析与评价

彭炫权1，臧孟炎1，许韶恩2，萧乃仁2

(1.华南理工大学 机械与汽车工程学院，广东 广州 510640)(2.中山市隆成日用制品有限公司，广东 中山 528400)

根据欧洲儿童乘员约束系统法规(ECER44)的要求，建立提篮式儿童安全座椅有限元模型和1.5岁假人有限元模型，构造安全带约束系统，获得儿童安全座椅碰撞性能仿真分析有限元模型。应用有限元软件LS-DYNA仿真分析正碰过程，得到碰撞过程中假人运动形态、假人头部和胸部的加速度。仿真分析结果与对应的实验结果一致，验证了儿童安全座椅碰撞有限元模型的正确性。

汽车；儿童安全座椅；ECER44；碰撞性能；有限元仿真；实验评价

随着我国家用汽车保有量的逐年增加，儿童乘车安全问题越来越突出，不良的乘车习惯导致儿童乘车安全事故频发。而针对成人设计的常规座椅、安全带约束系统和安全气囊并不能很好地保护儿童，在汽车碰撞事故中，儿童乘员面临的伤亡风险远远高于成人[1-2]。研究表明，在撞击速度差为48km/h的汽车碰撞事故中，儿童乘员将受到相当于其身体质量30至60倍的惯性力作用[3]。若没有使用任何约束装置，儿童乘员将被抛出座椅与车内物体或其他乘员发生撞击，这对于身体还处于生长发育阶段的儿童乘员是相当危险甚至是致命的[4]。在乘车中正确使用儿童安全座椅，婴儿(1岁以下)在交通事故中的死亡率可降低71%， 1～4岁的幼龄儿童在交通事故中的死亡率也可降低54%[5]。显然，使用儿童安全座椅是降低儿童损伤的最有效手段。

目前，我国汽车儿童安全座椅碰撞性能的评价仍然主要依赖实验，严重制约着相关企业与国外同行的竞争实力。在设计过程中通过有限元等数值分析方法评价和优化产品性能是提高产品质量、降低开发成本的重要手段之一[6]。本文根据欧洲儿童乘员约束系统法规(ECER44)的要求，建立了包括某款提篮式儿童安全座椅、1.5岁假人和约束系统的有限元模型，使用有限元分析软件LS-DYNA

进行正面碰撞仿真分析，并对照实验结果，从假人运动形态、假人头部和胸部加速度3个方面对仿真结果进行有效性评价。

1 有限元模型的建立

本文通过有限元仿真分析方法，研究一款已通过ECER44法规试验，适用于0～1.5岁婴儿(体重不超过13kg)的G0+组国产汽车儿童安全座椅的碰撞性能。台车碰撞实验装置如图1所示，包括儿童座椅、1.5岁假人、安全带与带扣、ISOFIX底座和ECE座椅等。应用Altair HyperMesh前处理软件，建立整个碰撞实验装置的有限元模型。

图1 汽车儿童安全座椅台车碰撞实验装置

1.1儿童座椅及台车模型

儿童座椅及台车有限元模型如图2所示。儿童座椅置于ISOFIX底座中，并通过卡钩固定，同时ISOFIX底座与ECE座椅的连接通过ISOFIX固定点的转动铰链、固定座和靠背管实现。座椅主体、把手、靠背管和ISOFIX底座等使用壳单元建模；靠背板和ECE台车座椅缓冲泡沫使用六面体单元网格，台车座椅的金属板使用壳单元网格。儿童座椅安装在ECE台车座椅上。

图2 汽车儿童安全座椅结构示意图

1.2假人与安全带模型

本文参照Q1.5标准有限元假人模型尺寸和质量分布，对已通过假人碰撞测试实验的混合三型6岁有限元假人模型[7]，采用尺寸缩放和质量平衡的方法，获得对应的1.5岁假人有限元模型(非标准模型)。缩放方法如下：

a.以6岁假人H点为基准点，根据Q1.5假人与混合三型6岁假人身长比，将混合三型6岁假人有限元节点坐标向基准点压缩。

b.根据Q1.5假人模型尺寸规范，微调主要关节坐标。

c.根据Q1.5儿童头部尺寸，扩展儿童头部模型。

d.根据Q1.5儿童质量分布，通过添加质量单元的方法对假人主要结构进行质量调整。

e.保留原有约束和接触方式，特别是关节处定义的铰链及其局部坐标系。

f.使用LS-Prepost中的H-point operations功能，对H点实施平动和转动，调节假人的具体位置和整体姿势。

g.使用LS-Prepost中的Limb operations功能，转动各个关节，调节肢体的摆放位置。最终获得图3所示的1.5岁有限元假人模型。

图3 假人有限元模型缩放

与实验相对应，安全带模型采用“Y”型三点式安全带，主要约束肩部、胸部和髋部。如图4所示，假人与安全带接触区域使用二维安全带单元，非接触区域使用一维安全带单元。

图4 安全带模型

1.3材料模型

儿童座椅的靠背板材质是发泡性缓冲材料EPS，在碰撞过程中主要起缓冲作用，使用LS-DYNA软件中基于应变率的163号泡沫材料模型进行描述[8]，不同应变速率下的应力-应变曲线如图5所示。ECE座椅的泡沫材料选用57号低密度泡沫材料模型，其应力-应变曲线如图6所示[9]。座椅主体、把手及ISOFIX底座外壳使用弹性材料模型，而ISOFIX底座连接件及内部钢材、支撑脚等使用弹塑性材料模型，台车座椅金属板定义为刚体材料模型。

图5 EPS应变率的泡沫材料性能曲线

图6 ECE座椅泡沫材料性能曲线

2 儿童座椅碰撞仿真模型

2.1碰撞仿真初始状态

根据ECER44要求，将儿童座椅安装在台车座椅ISOFIX固定点位置上并固结，使儿童座椅紧靠ECE座椅。为了仿真分析这一过程，采用DYNAIN文件实现碰撞仿真模型初始化。实验用ECE座椅替代实车座椅固定在台车上。外接电缆连接Q1.5儿童假人和数据采集系统，用于传输在碰撞过程中Q1.5儿童假人体内加速度传感器的数据。台车上装有加速度传感器，采集碰撞中台车所产生的加速度，并由数据采集系统输出数据。台车碰撞前的初始状态如图7所示。

2.2碰撞过程工况加载

依据欧洲安全标准ECER44，儿童座椅内放置被安全带约束的Q1.5儿童假人，台车在滑轨上逐渐加速到50km/h，并保持此速度进行初速度为50km/h的正面碰撞，得到台车碰撞的加速度波形如图8所示。加速度曲线基本上处于ECER44规定的区域内，即图8中两条虚线与坐标轴构成的区域。

图7 碰撞实验初始状态

图8 碰撞加速度曲线

对应正面碰撞实验，仿真模型工况加载如下：给整个汽车儿童安全座椅碰撞有限元模型定义汽车前进方向上的初始速度为50km/h，同时给台车座椅金属板一个如图8所示的、与初速度方向相反的加速度脉冲载荷，模拟汽车正面碰撞效果。重力方向加载9.8m/s2的重力加速度。

3 碰撞仿真分析与评价

在保证仿真加载工况与试验条件一致的前提下，使用LS-DYNA软件进行碰撞仿真分析。通过碰撞过程中假人运动形态、假人头部和胸部的加速度响应，定量地评价仿真模型的准确性。

3.1假人运动形态

图9,10分别是碰撞发生初始时刻、60ms和120ms时的假人运动形态仿真和实验结果。从假人运动形态来看，仿真结果与实验结果基本一致。

3.2头部加速度分析

图9 碰撞过程假人运动形态仿真结果

图10 碰撞过程中假人运动形态实验结果

图11为假人头部合成加速度仿真分析与碰撞试验结果。由图11可知，两条曲线的整体波形基本一致，头部最大碰撞加速度仿真结果42.0g(在66.8ms处)，稍大于试验最大峰值40.7g(在71.9ms处)。

图11 假人头部合成加速度仿真与实验结果

头部损伤指数HIC (Head Injury Criteria)作为表征乘员头部损伤的关键指标，采用式(1)进行评价：

(1)

式中：a(t)为头部质心处合成加速度，数值为重力加速度g的倍数；t1为碰撞过程HIC值计量初始时刻，t2为碰撞过程HIC值计量结束时刻，t2-t1=15ms,且为加速度积分值最大的时间段。

由图11的头部加速度仿真曲线计算得到的HIC15值为140.1，大于实验结果的116.6，远小于ECER44法规的规定值570。

3.3胸部加速度分析

图12为试验与仿真得到的假人胸部合成加速度曲线。两者比较，仿真最大峰值为43.7g,略大于实验结果的41.1g，符合ECER44法规中胸部合成加速度不得超过55g的规定。同时，从胸部合成加速度整体趋势看，仿真结果也与实验基本一致。

4 结束语

本文使用混合三型6岁假人有限元模型经缩放获得1.5岁假人模型，建立了ISOFIX型儿童座椅碰撞仿真分析有限元仿真模型，根据ECER44要求进行了正面碰撞仿真分析。通过对比实验与有限元仿真的假人运动形态、头部和胸部合成加速度曲线及HIC15可知，台车实验与仿真碰撞结果基本吻合，而且仿真分析加速度稍大于实验结果，验证了包括1.5岁假人模型在内的整个碰撞仿真分析模型的可靠性。以此为基础，今后将进一步进行儿童座椅碰撞安全性能的优化设计研究和开发工作。

图12 假人胸部合成加速度

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TheSimulationAnalysisandEvaluationonCrashworthinessofCarChildSafetySeat

PENG Xuanquan1, ZANG Mengyan1, XU Shaoen2, XIAO Nairen2

(1.South China University of Technology, Guangdong Guangzhou, 510640, China)(2.Zhongshan Lerado Group, Guangdong Zhongshan, 528400, China)

According to requirements of the European child occupant restraint system regulations (ECER44), it builds the child safety seats collision performance simulation finite element model with the establishment of basket-type child safety seats and 1.5-year-old dummy finite element model. Based on the finite element analysis software LS-DYNA simulation of the frontal-impact process, it obtains the dummy movement patterns, the dummy's head and chest acceleration during the collision course. The simulation analysis of consistency with the experimental results shows that the impact of child safety seats finite element model is correct.

Child Safety Seat; ECER/4; Collision Safety Performance; Finite Element Simulation; Trial Evaluation.

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.08.008

2014-07-26

广东省中山市优势传统产业升级项目(ZSEI-2012659066)；广东省技术创新项目(2013389031)

彭炫权(1989—)，男，广东中山人，华南理工大学硕士研究生，主要研究方向为车辆工程。

U491.6+1

B

2095-509X(2014)08-0032-05