汽车儿童安全座椅碰撞性能仿真分析

李海风，臧孟炎，彭炫权，林明右，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)

随着汽车数量的逐年增加，儿童乘员的乘车安全已成为汽车安全性研究的重要课题。研究表明，相比使用成人安全带和成人怀抱的方式，儿童安全座椅的使用是降低事故伤害的最有效手段［1］。儿童安全座椅碰撞性能是指在汽车碰撞过程中，座椅系统通过约束、限制乘员保持合理的位移，以分散乘员身体承载过大冲击力，减少乘员损伤［2］的能力。

多刚体模型［3］和有限元模型［4-5］是汽车安全研究领域中两种重要的计算机仿真模型。多刚体模型的计算效率高，但模型中存在过多简化;有限元模型则比较精细。本文针对某款汽车儿童安全座椅，应用有限元技术，建立ISOFIX型儿童座椅的有限元模型，使用显式有限元软件LS-DYNA分析假人在正碰情况下的运动响应，获得头部、胸部合成加速度曲线及头部损伤值HIC15，定量评价该款儿童座椅对乘员的损伤保护效果。

1 有限元仿真模型的建立

在整个有限元分析过程中，前处理是一个重要的环节，涉及到单元选取、材料建模、接触连接定义及加载等，它直接影响着碰撞仿真的计算精度与效率。

1.1 儿童座椅模型

本文使用的汽车儿童安全座椅原型属于G0+组，适用于0～1．5岁婴儿(体重不超过13kg)，具有后向安装、ISOFIX固定连接及具有3对可调式肩带孔位等特点。利用HYPERMESH将儿童安全座椅主体、把手、底座上下盖板等板件使用壳单元(大小为5～10mm)建模，靠背板使用了六面体单元网格。安全座椅有限元网格模型如图1所示。

图1 儿童安全座椅网格

1.2 ECE台车座椅模型

按照法规对ECE台车座椅的具体尺寸要求，以立体单元对座椅缓冲材料部件划分网格，网格尺寸15mm，共生成11 320个体单元。金属板用壳单元离散。

1.3 材料模型建立

该款ISOFIX婴儿提篮式座椅所用材质如下：STKM11A(碳素钢钢管)、POM90聚甲醛塑料、EPS(发泡性聚苯乙烯)、PP聚丙烯塑料、TPR橡胶及Q235。

发泡性缓冲材料EPS是碰撞过程中起主要作用的缓冲材料。在碰撞过程中，泡沫材料使用基于应变率的163号泡沫材料模型，更接近实际现象［6］。其他材料使用了较为常用的弹性和弹塑性材料模型，相关材料模型如图2所示，材料参数［7］见表1。

表1 材料参数

图2 基于应变率的泡沫材料性能曲线

1.4 假人与安全带模型

假人采用ECER/4规定的P系列1．5岁假人模型。同时，假人的坐姿调整使用了预先模拟的方法［8］，以提高建模的精度。采用“Y”型三点式安全带，在建模时与假人接触区域使用了二维面单元，其他区域的安全带都用1D安全带单元，如图3所示。

2 碰撞仿真试验过程

2.1 多步分析实现

仿真过程分为两个阶段：儿童座椅的安装固定阶段和整个模型的碰撞阶段。安装固定阶段根据ECER/4要求，将儿童座椅拉向台车座椅ISOFIX固定点位置并固结，使儿童座椅紧靠台车座椅。第二步的碰撞仿真分析是在第一步安装的基础上，以第一步最后状态作为初始状态，采用DYNAIN文件实现碰撞仿真模型初始化。

图3 安全带模型

儿童座椅安装固定阶段完成后，模型的变形状况如图4所示。

图4 儿童座椅安装后的模型变形情况

2.2 碰撞过程加载工况

基于欧洲安全标准ECER/4，仿真分析初速度50km/h的正面碰撞过程，加速度波形如图5所示。

图5 加速度曲线

对图4所示的整个系统定义初始速度为50km/h的同时，给台车座椅金属板一个图5所示的、与初速度方向相反的加速度脉冲载荷，以等效实现汽车正面碰撞效果，设置现象分析时间120ms。

3 碰撞仿真结果分析

图6所示为台车座椅速度历程曲线。由该图可知，在减加速度的作用下，座椅速度在75ms内由50km/h迅速减小至0，然后开始回弹，在100ms左右台车完全脱离碰撞壁进入等速状态。下面以假人运动形态、头部和胸部加速度及HIC值对仿真结果进行具体分析。

图6 台车座椅速度历程曲线

3.1 乘员运动形态分析

图7 所示为碰撞发生后90ms时刻假人运动状态。在碰撞发生的初期，假人姿态与初始状态比较变化不大，仅脚部开始脱离台车座椅靠背，可以理解为台车座椅泡沫材料的缓冲效果所致。随后腿部和手臂明显抬起，到90ms时假人出现了沿初速度方向明显后仰的趋势，说明了儿童安全碰撞性能仿真模型的合理性。

图7 假人运动形态90ms时刻响应

3.2 乘员头部加速度分析

假人头部合成加速度是衡量假人身体损伤的一个重要指标，法规要求头部合成加速度不超过80g(g=9．8m/s2)。

图8所示为碰撞过程假人头部合成加速度仿真分析结果。由该图可知，碰撞发生后的前20ms，由于台车坐垫的缓冲作用，假人还是以初速度前进，尚未感受到明显的冲击。在台车坐垫被充分压缩后，儿童座椅开始变形，在40ms附近假人头部撞击靠背，承受的加速度迅速增大，在t=46ms时出现峰值80g(持续时间小于3ms)。然后在t=79ms处加速度出现一个59g的较小波峰，这是由于台车座椅回弹，儿童座椅靠背撞击假人头部所致，即为二次碰撞产生。

图8 假人头部合成加速度

3.3 头部损伤指数HIC

头部损伤指数HIC(Head Injury Criteria)是表征乘员头部损伤的关键指标，采用15ms时间差的计算公式评价：

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。

根据图8的假人头部合成加速度，计算得到对应的HIC15值为384(取t1=39ms至t2=54ms的15ms)，满足法规HIC15要求(1．5岁儿童 HIC15最大值为600)。

3.4 胸部加速度分析

图9所示为假人胸部质心处的合成加速度随时间变化曲线。与头部加速度曲线一样，在t＜20ms时间段内，胸部加速度保持在较小数值内。

图9 假人胸部合成加速度

从t=16ms以后胸部加速度开始增大，至t=68ms时刻加速度达到峰值54g，此峰值小于法规要求的最大值55g。胸部加速度没有像头部加速度那样出现2个峰值，正是由于安全带的约束所致。

4 结束语

本文提出的有限元建模方法通用性较强，为汽车儿童安全座椅碰撞仿真分析提供了更好的解决方案。研究成果为今后儿童安全座椅进行结构优化设计、新型材料替换，适应越来越严格的安全和环保标准，奠定了良好的基础。但目前的工作局限于方法研究，后续将通过与对应实验结果的对标分析，以确认和提高仿真分析模型的可靠性。

［1］ 葛如海，苗强．车用儿童约束装置综述［J］．中国安全科学学报，2006，16(4)：42-47．

［2］ 马东杰．汽车正面碰撞中儿童乘员损伤防护技术研究［D］．武汉：武汉理工大学汽车工程学院，2012．

［3］ Emam A，Sennah K，Howard A，et al．Influence of crash severity and contact surfaces characteristics on the dynamic behavior of forward facing child occupants［J］．International Journal of Crashworthiness，2003，8(6)：619-627．

［4］ 胡佳，钟志华，水野幸治．儿童座椅正确使用和误使用的正面碰撞台车试验仿真［J］．汽车工程，2009，31(1)：10-3，7．

［5］ 张君媛，张敏，丁如芳，等．汽车侧面碰撞乘员约束系统的多目标优化［J］．汽车技术，2005(11)：1-4．

［6］ Croop B，Lobo H，DatapointLabs N Y．Selecting material models for the simulation of foams in LS-DYNA［DB/OL］．［2014-03-02］．http：//www．dynamore．de/de/download/papers/konferenz09/papers-depr/D-II-04．pdf．

［7］ 胡佳，钟志华．基于试验和有限元仿真的儿童乘员正面和侧面碰撞安全研究［D］．长沙：湖南大学机械学院，2008．

［8］ 唐俊杰．校车学龄儿童约束系统的仿真研究［D］．淄博：山东理工大学，2012．