内置式儿童安全座椅侧面碰撞安全性研究

2014-09-18白中浩程胜华陈亚枫

湖南大学学报·自然科学版 2014年8期

关键词：仿真

白中浩+程胜华+陈亚枫

收稿日期：20131127

基金项目：国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目（2012AA111802）；国家自然科学基金资助项目（51105137）；湖南省自然科学基金资助项目（11JJ4034）

作者简介：白中浩（1978-），男，河南睢县人，湖南大学副教授，博士

通讯联系人，Email：baizhonghao@163.com

摘要：建立了一款置于汽车后排中间位置的内置式儿童安全座椅模型，采用MADYMO与LSDYNA耦合的方法进行仿真计算，并对该模型进行滑车试验验证.首先对无扶手、面式扶手、杆式扶手以及面式扶手及侧翼相结合的4种不同类型的座椅进行侧面碰撞仿真试验，其次对扶手高度不同的座椅模型进行侧面碰撞仿真试验，最后对仿真结果进行对比分析.结果表明，扶手能限制儿童乘员从座垫滑落而有效避免安全带约束儿童颈部造成的窒息死亡，侧翼能有效保护儿童乘员的颈部和胸部，侧翼和扶手组合式儿童安全座椅模型保护效果最好；扶手高度适中的座椅能对儿童乘员提供最好的保护.

关键词：内置式儿童安全座椅；儿童乘员安全；侧面碰撞；仿真

中图分类号：U463.836 文献标识码：A

Research on the Side Impact of Builtin Child Safety Seat

BAI Zhonghao，CHENG Shenghua， CHEN Yafeng

（State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body， Hunan Univ， Changsha， Hunan410082， China）

Abstract：A model of a builtin children restraint system was set up. The method of coupling between MADYMO and LSDYNA was used in simulation and a sled test was adopted to validate this model. First， side impact simulations were carried out respectively for vehicle seat without armrest， with different types of armrests and the combination of armrest and lateral flank. Then， an analysis of the influence of the different heights of armrest for children was done through other side impact simulations. Finally， the simulation results were analyzed. The results show that the armrest can prevent the child occupant from slipping out of the seat cushion so as to avoid suffocation death caused by neck bridled， while lateral flank can protect children's neck and chest effectively. Vehicle seat with the combination of lateral flank and armrest can provide the best protection for children in all types. The results also show that the seat with moderate armrest height can provide the best protection for children.

Key words：builtin child safety seat；child passenger safety；side impact collisions； simulation

从2014年9月1日起，国家将对儿童安全座椅实施强制性产品认证（CCC认证），对儿童安全座椅提出了更高的要求.内置式儿童安全座椅不仅能够有效降低儿童安全座椅的误用率，而且适用于较宽年龄范围的儿童[1].

目前，内置式儿童安全座椅已得到一定的应用，如Volvo部分车上应用的儿童安全座椅和国内任锡娟等[1]设计的集成式儿童安全座椅，其形式主要为座垫高度的调整，适用于3～12岁儿童乘坐，同时，当座椅放置最低点时，又不影响成人乘坐.内置式儿童安全座椅由于座垫高度以及座垫深度的变化等能够对正面碰撞中不同年龄的儿童都具有较好的保护[2].然而，相对于普通儿童安全座椅，内置式儿童座椅缺少头、肩部侧翼以及扶手挡板，若采用三点式安全带而放弃五点式安全带，则不利于侧面碰撞工况下儿童乘员的保护.另外，采用三点式成人安全带，儿童在碰撞中和碰撞后易造成颈部勒伤或窒息死亡[3].国内外对儿童安全座椅已经有较深入的研究，如Klinich等[4]研究了汽车儿童座椅座垫长度、腰带形式等对儿童防护影响.杨济匡等[5]对侧面碰撞中儿童乘员约束系统与安全气囊匹配进行多目标优化提供了一种新方法.这些研究主要是针对普通儿童安全座椅，其产品已比较成熟.对于内置式儿童安全座椅，还处于研制和实验阶段，由于座椅形式和放置位置等差异，2种儿童座椅的影响因素并不相同.白中浩等[6]对3种独立碰撞工况下的无扶手座椅模型进行参数优化，在侧面碰撞工况中，选取头、胸部伤害值进行参数优化.

本文建立一款置于后排中间位置的内置式儿童安全座椅模型，采用MADYMO与LSDYNA耦合方法[7]仿真计算并对该模型进行滑车试验验证，对4种不同形式的座椅在侧面碰撞工况下的儿童假人响应进行仿真对比分析.其次，选取对儿童保护最好的侧翼及扶手组合的座椅模型，对座椅扶手高度进行调节，分析其对儿童乘员的影响.

1内置式儿童约束系统仿真模型

1.1仿真模型的建立

本文采用前处理软件HYPERMESH和多刚体软件MADYMO建立座椅有限元模型和儿童约束系统，并使用LSDYNA软件与MADYMO软件进行耦合计算.座椅有限元模型主要包括座椅骨

架、座垫以及座垫高度调节机构，为提高计算效率，本文未对儿童座椅两侧座椅建模.该有限元模型共计56 562个单元，其中壳单元46 077个，实体单元10 130个，梁单元101个，刚体单元254个.多刚体假人为MADYMO中自带的P6儿童假人，并在MADYMO中建立有限元安全带，安全带材料为弹性各向同性材料.采用预模拟的方式对假人初始位置、座垫的初始变形以及应力进行设置，并对安全带状态进行预模拟.

采用有限元和多刚体耦合的方法能结合两个软件优势：一方面能够利用LSDYNA准确模拟座椅变形的特点；另一方面，发挥MADYMO软件中假人的计算精度高、效率高和数值稳定的特点.实物模型和仿真模型分别如图1所示.

1.2仿真模型的验证

在湖南大学汽车碰撞试验室进行了滑车碰撞试验，并采集了儿童假人头部和胸部的三向加速度以及滑车车身加速度.将试验获得的滑车车身加速度施加于仿真模型的假人上，通过调整各项参数与试验一致后，获得假人响应加速度曲线.

由图2试验与仿真曲线的头胸部加速度曲线可知，在仿真最后阶段曲线有一定的不同，这主要是由于试验中座椅支撑失效而造成的头胸部加速度的第1个小峰值或曲线延迟下降，对假人伤害值无影响，因此仿真中未模拟.经计算，假人头部伤害值HIC36 ms误差为1.65%，胸部3 ms加速度值误差为1.9%，证明仿真模型具有较高的精度.

1.3实车加速度曲线获取

为更好地模拟儿童安全座椅在实车碰撞中的情况，本文利用某款车型在侧面碰撞获取的后排座椅的加速度曲线（如图3所示）.实车碰撞速度为50 km/h，碰撞试验按照ECER95法规要求.

将试验获得的加速度曲线施加到儿童乘员身上，方向与实车碰撞方向相反，然后对建立的多个不同类型有限元模型进行对比仿真分析.

2座椅形式对儿童乘员的影响

2.1仿真试验的设计及假人损伤参数的选取

现有内置式儿童安全座椅多为无扶手和侧翼式（如图1所示），而普通座椅的扶手主要包括2种类型，杆式扶手和面式扶手，侧翼只有一种类型即面式.

由于内置式儿童安全座椅在设计时考虑成人的乘坐舒适性以及外观，因此其扶手及侧翼采用无倾斜角的伸缩式.通过参照传统儿童安全座椅，本文设计了4款不同形式的座椅，并对这4种座椅进行仿真试验和对比分析.不同类型座椅仿真模型及4种不同座椅的类型见图4和表1.

4组仿真模型参数中，只有面式扶手及侧翼形式不同，其余参数均相同.面式扶手及侧翼的材料为硬质塑料，在LSDYNA软件中采用24号材料.根据人机工程学原理，扶手设计的关键尺寸是扶手的高度和间距，这取决于两肘之间的宽度、肘部平放高度及人体宽度[8].扶手的高度一般取儿童上臂自然放置时的高度，本文针对六岁儿童的保护，故设置为125 mm.据儿童两肘宽度，设置两扶手间距为270 mm.

与成年人相比，儿童头部重量相对自身体重所占比例较大.成年人的头部仅占整个体重的6%，而婴儿的头部重量相当于全身重量的一半，3岁和6岁儿童头部的比重，分别为整个体重的18%和16%.儿童心脏在胸腔中占有的比例大于成人心脏在胸腔中占有的比例.儿童从3岁至青春期，颈部发育不完全，其颈部软骨是一个逐渐骨化的过程，肌肉和韧带也未完全形成[9]，因此儿童乘员若不正确使用约束系统，在发生事故时很可能导致颈部损伤风险的增加.因此，本文主要选取头部、胸部和颈部的伤害作为儿童伤害的主要评价指标，同时选用头部Y轴位移（以假人头部重心位置面部正前方为X轴，左方为Y轴，正上方Z轴）作为参考.另外，由于本文模型中采用三点式安全带，易导致儿童产生“座椅带症状[9]”损伤，因此选用臀部加速度作为参考评价指标.

2.2仿真试验结果

仿真计算后，在MADYMO中提取假人头、胸、骨盆加速度曲线、头部Y轴位移和颈部Nij曲线，进行滤波后，结果分别如图5～图9所示.截取头部Y轴位移最大时仿真动画的图片，如图10所示.为更好地对比儿童假人的伤害，分别对头、胸、骨盆加速度曲线、头部Y轴位移以及颈部Nij曲线进行计算，得到假人头部损伤准则HIC36 ms、胸部3 ms加速度，骨盆最大加速度apmax、头部Y轴最大位移Dmax以及最大Nij值如表2所示.

2.3仿真试验的结果分析及结论

2.3.1无扶手仿真结果分析

由表2中仿真1的结果可知，6岁儿童的头部HIC36 ms的值为205，远远小于人体的耐受限值1 000，这是由于内置式儿童安全座椅位于后排座椅中间，儿童假人头部未与车内饰件发生碰撞接触；胸部3 ms加速度值小于耐受限值60 g，但其值仍较大，易对儿童乘员造成伤害，这是由于对只有安全带的假人进行约束且集中于胸腹部从而导致其值较高；颈部损伤值Nij小于耐受极限值1，但其值仍较大.本文采用的是6岁儿童假人，对于年龄更小的儿童，由于其头部占身体比重比较大且颈部更脆弱，易造成致命伤.另外由动画结果（图10）可知，碰撞中，儿童假人颈部被安全带勒住；碰撞后，儿童假人从安全座椅座垫滑落，颈部仍被安全带勒住，易造成窒息死亡[10].结论：本文采用的内置式儿童安全座椅对儿童的伤害主要集中于颈部和胸部，且易造成窒息死亡，而头部伤害较小.

2.3.2有无扶手的影响分析

通过仿真1与仿真2和仿真3的结果对比可发现，对于有扶手的座椅，假人头部HIC36 ms值、胸部3 ms加速度值、骨盆加速度值均增大，颈部Nij值略有减小或不变.通过对比动画结果可得，扶手的增添限制了假人臀部的偏移，同时导致儿童身体侧倾使头部Y轴最大位移Dmax变大.与无扶手时身体能够整体侧移相比，假人头胸部与臀部的相对位移变大，因而导致头、颈、胸部伤害值均增大.但由动画（图10）可知，儿童假人未从座垫滑落，但在碰撞过程中颈部仍旧被勒住，可在一定程度上避免安全带勒紧造成的窒息死亡.但对于其他位置的儿童安全座椅，扶手的添加限制假人的移动从而避免假人与内饰件的碰撞，因此保护效果具有差异.结论：针对本文中的模型，座椅扶手的添加可能会对儿童乘员造成更严重的伤害，但能够有效避免安全带勒住而造成的窒息死亡.此结论只适用于后排中间位置内置式座椅，对于其他位置的座椅，影响效果需进一步研究.

2.3.3扶手类型的影响分析

仿真2与仿真3中座椅扶手分别是面式扶手和杆式扶手，由仿真结果可得，其头部HIC36 ms值、胸部3 ms加速度值、颈部Nij值都比较相近，但杆式扶手的骨盆加速度峰值特别大，达到93 g，结合动画分析可得，由于假人腰部被扶手限制，而臀部未被限制，致使其骨盆加速度峰值增加.由于儿童腰椎未发育完全，假人只有腰部被杆式扶手限制，致使腰腹部所承受载荷较大，易致伤害.结论：杆式扶手易对儿童腰部产生伤害，面式扶手相对于杆式扶手对儿童假人的保护具有更好的效果.

2.3.4侧翼扶手组合的影响分析

仿真4是具有面式扶手以及侧翼的座椅类型.与仿真1结果对比可发现，其头部加速度在50 ms时与侧翼发生碰撞，造成头部加速度增加较大，其HIC36 ms为293，但仍远远小于耐受极限，因此可以不考虑其增加的影响.由于具有侧翼的防护，头部Y轴位移减小较多，颈部Nij明显减小至0.415，对儿童颈部保护提供更好的效果，同时胸部3 ms加速度值也有一定程度的减小.儿童假人未从座垫滑落且碰撞中未发生颈部被勒住情况，有效避免儿童的窒息死亡.由于扶手和侧翼的增加，该内置式儿童安全座椅的结构会更复杂，会增加座椅的成本.结论：具有侧翼和扶手的座椅类型不仅能够对儿童颈部和胸部提供更好的保护，而且能够有效避免安全带勒住而造成的窒息死亡，但结构较复杂，成本较高.

综上所述，不同类型的座椅对6岁儿童乘员的颈部和胸部保护效果由好到差：侧翼与扶手组合式>无扶手式>杆式扶手/面式扶手；对6岁儿童的颈部勒住而造成窒息的有效避免，由好到差：侧翼与扶手组合式>面式扶手/杆式扶手>无扶手式.由此可知，扶手的作用主要在于限制儿童乘员从座垫滑落从而有效避免安全带勒住儿童颈部而造成的窒息死亡，侧翼的主要作用在于保护儿童假人颈部及胸部.具有侧翼和扶手相结合的儿童座椅能对儿童乘员提供更好的保护.

3扶手高度对儿童乘员的影响

具有侧翼和扶手相结合的儿童安全座椅能更好地为儿童乘员提供保护，因此选用此种类型的座椅模型进行进一步研究.扶手的高度对假人的臀、胸的运动状态具有较大的影响从而影响头颈部的伤害，因此本文主要研究扶手高度对儿童乘员的影响.

将儿童座椅的扶手高度分别设置为80，100，120，140和160 mm，对应仿真编号分别为5，6，7，8，9.在侧面碰撞试验中，假人的头部HIC36 ms值较低，而臀部的伤害一般较小，因此主要考虑胸部和颈部伤害.仿真结果经计算后获得假人胸部3 ms加速度值及颈部Nij值，见表3.假人胸部3 ms加速度值及Nij值随扶手高度变化情况伤害值及其拟合曲线如图11所示.

仿真5～9中儿童假人胸部3 ms加速度值及颈部Nij值随着扶手的增大先减小后增大，胸部3 ms加速度值在扶手高度为142 mm时，伤害最小，颈部Nij值在扶手高度为113 mm时，伤害最小.结合仿真动画可知（如图10（a）效果相似），扶手高度太低，儿童乘员腿部从扶手上部越过，对假人的限制作用减弱，导致假人胸部及颈部伤害增大；扶手高度过高时，对儿童假人的限制作用较大，缺少缓冲，导致胸部和颈部伤害变大.另外，扶手高度过高，不便于儿童乘坐.

综上所述，扶手在高度适中时（110～140 mm），即能对6岁儿童乘员的胸部和颈部都能够提供较好的保护，又便于儿童乘坐.

4结论

1）本文采用多刚体软件MADYMO与有限元软件LSDYNA耦合的方式进行仿真计算，能够有效利用有限元座椅变形的精确性以及MADYMO在对假人计算时具有精度高、效率高和数值稳定的特点.

2）在现有的后排中间内置式儿童安全座椅的基础上，对原座椅形式、面式扶手座椅、杆式扶手座椅以及面式扶手及侧翼相结合的4种类型内置式儿童安全座椅进行侧面碰撞仿真分析，根据儿童假人各个部位的伤害分析其原因和结论，最终得出：扶手能够限制儿童乘员从座垫滑落而有效避免安全带勒住儿童颈部造成的窒息死亡，侧翼能够保护儿童乘员的颈部和胸部，扶手与侧翼组合的座椅能够对儿童提供最好的保护.

3）对于选用侧翼和扶手相结合的座椅结构，对不同扶手高度的模型进行了对比仿真分析.最终结论：扶手高度适中的座椅能对儿童乘员的胸部和颈部都提供较好的保护，且便于儿童乘坐.

参考文献

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