两种儿童约束系统动态性能仿真研究

张学荣，何 娟，吴 淼，许长龙

（1.江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏，镇江 212013；2.江苏出入境检验检疫局 机电产品及车辆检测中心，江苏，无锡 214000）

两种儿童约束系统动态性能仿真研究

张学荣1，何 娟1，吴 淼2，许长龙1

（1.江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏，镇江 212013；2.江苏出入境检验检疫局 机电产品及车辆检测中心，江苏，无锡 214000）

采用计算机仿真与试验相结合的方法，根据ECE R44法规，在MADYMO软件中分别建立前置护体型和五点约束带式儿童约束系统碰撞仿真模型。通过台车碰撞试验验证所建仿真模型的有效性，在仿真环境下对两种儿童约束系统的动态性能展开研究。结果表明，不同类型儿童约束系统由于安装方式及约束方式的不同，在碰撞过程中动态性能存在较大差异。碰撞发生时，前置护体型儿童约束系统对儿童乘员胸部损伤较大，五点约束带式儿童约束系统对儿童乘员颈部损伤较大。

儿童约束系统；动态性能；仿真；损伤；正面碰撞

随着汽车保有量的日益增加和乘车安全知识的普及，消费者对儿童的乘车安全越来越重视，越来越多的消费者开始选择使用儿童约束系统。研究表明，相比使用成人安全带和由成人怀抱的乘坐方式，儿童约束系统的使用是降低儿童乘员交通事故伤害的最有效手段[1-2]。世界卫生组织公布的报告中指出，在发生碰撞时，儿童安全座椅可以将1岁以下婴儿的致命可能性降低70%，将1～6岁幼儿的致命可能性降低54%[3-4]。

在欧美发达国家，儿童约束系统使用率比较高，儿童约束系统种类也是层出不穷，主要有提篮式、五点约束带式、前置护体式、增高垫式等，不同年龄段的儿童乘员应该选用合适的儿童约束系统[5-6]。2014年以来，上海、山东、深圳先后出台了儿童安全座椅强制使用法律法规，儿童安全座椅全国立法指日可待。

1 建立碰撞仿真模型

碰撞台车仿真模型是儿童约束系统动态性能仿真研究的关键[7-9]，依据ECE R129法规，分别建立前置护体式、五点约束带式儿童约束系统正面碰撞仿真模型。

1.1 儿童安全座椅模型前处理

将儿童安全座椅模型导入Hypermesh软件中进行网格划分，主要步骤为：（1）对导入的儿童安全座椅进行适当的几何清理，消除模型导入过程中产生的错误，去除小孔和部分圆角等几何特征。（2）去除儿童安全座椅模型表面布料，简化国际标准化组织（儿童安全座椅）固定装置（International Standards Organisation FIX，ISOFIX）接口，消除部分细小特征，同时去除螺栓、弹簧、销等连接件。（3）模型头枕、侧碰防护装置、前置护枕、坐垫等吸能泡沫划分为四面体网格，ISOFIX连接杆、靠背、前置护体加强件等部件划分为壳单元网格。（4）网格质量检查主要包括网格连续性、单元法向的检查与调整、查看网格是否存在自由边等；封闭2D网格填充为四面体网格后删除相应2D单元，四面体网格主要检查最小边，控制三角形内角角度，缩短计算时间 ；2D壳单元质量检查主要包括最小边、雅各比、最小角和最大角等。儿童安全座椅有限元模型如图1所示，左图为前置护体式儿童安全座椅，右图为五点约束带式儿童安全座椅。

赋予各个部件相应的材料和属性，对简化的部件进行适当配重。最后定义Elem Type，将单元节点信息导出为K文件格式，儿童安全座椅有限元模型单元节点信息见表1。

表1 儿童安全座椅有限元模型单元节点信息

1.2 建立碰撞台车座椅仿真模型

依据ECE R129法规，在Catia软件中建立碰撞台车座椅模型，将台车座椅CAD模型导入Hypermesh软件中进行网格划分。因模型较为规则，通过简单切分之后划分为六面体网格。台车座椅坐垫和靠背材料为聚氨酯泡沫，密度为43 kg/m3，材料特性通过试验测得。图2为台车座椅有限元模型。

1.3 建立安全带模型

将儿童安全座椅模型、碰撞台车座椅模型及儿童假人模型分别导入MADYMO软件中，通过预模拟方法确定儿童安全座椅及儿童假人的初始位置，儿童安全座椅及假人初始位置确定后再建立安全带模型。根据法规确定不同类型儿童安全座椅安全带D环、锚点、带扣的位置，安全带模型采用混合式安全带，与儿童安全座椅模型接触部分为有限元安全带，其余部分采用多刚体安全带。两种儿童约束系统正面碰撞仿真模型如图3所示，a为前置护体型儿童安全座椅，b为五点约束带式儿童安全座椅。

图3 两种儿童约束系统正面碰撞仿真模型

2 碰撞仿真模型有效性验证

所建仿真模型正确与否是进行下一步研究的关键，通过真实碰撞台车试验来验证碰撞台车仿真模型的有效性。仿真模型有效性验证主要包括运动姿态验证和动力学响应验证，运动姿态主要包括儿童安全座椅的变形情况以及儿童假人的运动姿态等；动力学响应主要包括儿童假人的头部、胸部、髋部加速度响应时间历程曲线以及儿童假人伤害指标等。

2.1 运动姿态有效性验证

图4为Q1.5儿童假人在前置护体型儿童安全座椅正面碰撞中仿真和试验的运动姿态对比。由图可知，不同时刻仿真模型中儿童假人运动姿态与碰撞台车试验儿童假人运动姿态基本一致，儿童安全座椅模型变形程度与试验基本吻合，可以认为该仿真模型运动姿态与试验吻合较好。

2.2 动态响应有效性验证

图5～7为仿真与试验中儿童测试假人动力学响应特性曲线对比。由图可知，通过仿真得到的儿童假人头部、胸部以及髋部合成加速度时间历程曲线与通过碰撞台车试验所得的相应曲线吻合较好，曲线的形状、升降趋势、脉宽以及峰值对应时刻等较为接近。图7中试验与仿真髋部合成加速度差异较大，主要原因在于仿真模型未考虑髋部坐垫布套和海绵垫，儿童假人乘坐位置偏低，导致髋部加速度偏小。

图5 头部合成加速度时间历程曲线

图6 胸部合成加速度时间历程曲线

图7 髋部合成加速度时间历程曲线

因为前置护体型儿童安全座椅对儿童乘员胸部的作用力比较大，若儿童假人胸部的损伤参数指标较为吻合，则可判断所建仿真模型动力学响应与试验一致。选取胸部3 ms合成加速度、胸部z向3 ms合成加速度以及头部位移量来验证仿真模型的动力学响应，如表2所示，胸部z向3 ms合成加速度误差范围是9.4%，胸部3 ms合成加速度以及头部位移量的误差范围都在6%以内，仿真与试验误差在允许范围内。综上所述，仿真模型运动姿态及动力学响应与试验较为吻合，模型有效性得到验证，可以用于下一步的研究。

五点约束带式儿童安全座椅碰撞仿真模型有效性通过同样方法进行验证，在此不再赘述。

表2 仿真与试验相关损伤指标对比

3 动态性能仿真研究

图8为前置护体型和五点约束带式两种约束方式下儿童假人的运动姿态对比。由图可知，对于前置护体型儿童安全座椅，在碰撞过程中，儿童假人胸部直接与前置护体泡沫发生接触。在100 ms时刻，儿童假人头部与前置护体泡沫上边缘发生接触，此时头部x方向位移量达到最大值。在碰撞回弹过程中，儿童假人髋部向后上方抬起，与儿童安全座椅靠背发生二次接触。

对于五点约束带式儿童安全座椅，在碰撞过程中，儿童安全座椅上的肩带、腰带及跨带将儿童假人约束在安全座椅内。在120 ms时刻，儿童假人头部与小腿发生接触，可能会造成二次伤害，此时儿童假人头部x方向位移量达到最大值。

由于两种儿童安全座椅采取的约束方式不同，可能对儿童乘员保护侧重点不同。前置护体型儿童安全座椅通过ISOFIX接口安装在汽车后排座椅上，然后通过成人安全带将前置护体泡沫约束在儿童乘员胸前，在碰撞发生时，儿童乘员直接与前置护体泡沫发生接触。五点约束带式儿童安全座椅通过成人安全带将安全座椅固定在汽车后排座椅，通过儿童安全座椅自带的儿童安全带将儿童乘员约束住，碰撞发生时，儿童乘员直接与儿童安全带发生接触。

图8 两种约束方式下儿童假人运动姿态对比

图9～11分别为两种约束方式下儿童假人头部、胸部以及髋部合成加速度的时间历程曲线。由图可知，两种约束方式下儿童假人头部、髋部合成加速度峰值较为接近；前置护体约束方式下儿童假人胸部合成加速度峰值较大。

图9 两种约束方式下儿童假人头部合成加速度曲线

图10 两种约束方式下儿童假人胸部合成加速度曲线

图11 两种约束方式下儿童假人髋部合成加速度曲线

表3 两种约束方式下损伤指标伤害值对比

表3为两种约束方式下儿童相关损伤指标的伤害值对比。从表中可以较为直观地看出，前置护体型儿童约束系统胸部压缩量明显大于五点约束带式儿童约束系统，对儿童乘员胸部的损伤较大，但目前的法规对胸部压缩量没有要求，有待进一步研究。两者胸部3 ms合成加速度相差不大，但胸部压缩量差异较大，主要是由于两种儿童约束系统胸部承载方式不同。五点约束带式儿童约束系统中儿童乘员头部x向位移量明显大于前置护体型儿童约束系统，对儿童假人颈部的损伤较大。

4 结论

在仿真环境下对前置护体型和五点约束带式两种儿童约束系统的动态性能展开研究，通过研究发现，两种儿童约束系统由于约束方式不同，对儿童乘员保护的侧重点也有所不同。前置护体型儿童约束系统对儿童乘员综合保护较好，五点约束带式儿童约束系统对儿童乘员颈部损伤较大。

本文仅对前置护体型和五点约束带式儿童约束系统的动态性能进行了探讨，其它类型儿童约束系统的动态性能有待进一步研究。

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作者介绍

Simulation Research on Dynamic Performance of Two Kinds of Child Restraint Systems

ZHANG Xuerong1，HE Juan1，WU Miao2，XU Changlong1
（1. School of Automobile and Traffic Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，Jiangsu，China；2. Mechanical and Electrical Product Testing Center，Jiangsu Entry-exit Inspection and Quarantine Bureau P.R.C，Wuxi 214000，Jiangsu，China）

By combining computer simulation with experiments, the paper built simulation models of impact shield and 5pt harness child restraint systems in MADYMO software according to the ECE regulations No.44, and the simulation models were verified by sled crash testing. Simulation research on dynamic performance of two kinds of child restraint systems were conducted. Research results show that, due to the different installation methods and constraints, there are significant differences in dynamic performance for different types of child restraint systems in the process of collision. When collision occurs, with the impact shield child restraint system, the child occupant has more serious chest injuries while with the 5pt child restraint system, more significant neck injuries were found.

child restaurant system; dynamic performance; simulation; injury; frontal collision

责任作者：张学荣(1976-)，男，江苏句容人。博士，副教授，主要从事汽车被动安全研究。E-mail：zhangxr@ujs.edu.cn

U461.91

A

10.3969/j.issn.2095-1469.2017.01.02

许长龙（1990-），男，江苏连云港人。硕士，主要从事汽车被动安全研究。 E-mail：292797603@qq.com

2016-05-22 改稿日期：2016-07-18

中国博士后科学基金（2013M541607）；江苏省科技厅企业研究院项目（BM2013027）

用格式：

张学荣，何娟，吴淼，等. 两种儿童约束系统动态性能仿真研究[J]. 汽车工程学报，2017，7(1)：010-015.

ZHANG Xuerong，HE Juan，WU Miao，et al. Simulation Research on Dynamic Performance of Two Kinds of Child Restraint Systems [J]. Chinese Journal of Automotive Engineering，2017，7(1)：010-015. （in Chinese）