儿童安全座椅中填充吸能泡沫对头部的保护效果分析*

2020-03-18李海岩崔世海贺丽娟阮世捷吕文乐

汽车工程 2020年2期

李海岩，李健，崔世海，贺丽娟，阮世捷，吕文乐

（天津科技大学，现代汽车安全技术国际联合研究中心，天津 300222）

前言

随着汽车保有量的不断增加，交通事故已成为导致儿童受伤及死亡的主要原因。欧洲的有关数据表明，侧面碰撞是汽车交通事故中发生概率较高的一种形式，占所有碰撞事故的30%以上，仅次于正面碰撞，但侧面碰撞造成的财产损失却是最严重的［1］。美国死亡分析报告系统（FARS）指出，因乘坐于汽车后排死亡的1～8岁儿童乘员中，侧面碰撞事故占到42%［2］。侧面碰撞过程中，乘员身体的横向位移导致与车辆内饰的接触是造成损伤的主要原因［3］。因此，对乘员进行适当约束，降低其横向位移是防止损伤的有效方法。而对于不适合使用成人三点式安全带的儿童乘员，安全座椅在侧面碰撞过程中的保护效果受到越来越多的关注。

临床研究数据表明，侧面碰撞过程中，无论儿童乘员处于何种约束状态，儿童受伤的严重程度主要取决于他的座位位置，近碰撞侧儿童受到的伤害要比在后排中心位置和远碰撞侧的更为严重［4］。即使被约束在安全座椅中，近碰撞侧儿童受到致命损伤风险的概率是坐在中心位置的2.5倍［5］。因此，对于侧面碰撞过程中儿童乘员保护的研究，近碰撞侧显得尤为重要。

侧面碰撞过程中，头部损伤是导致近碰撞侧儿童受伤或死亡的主要原因之一，虽然安全座椅的设计是为了保护汽车中的儿童乘员，但其减轻伤害的有效性取决于安全座椅设计的合理性［6］。Brown等［7］认为儿童安全座椅有侧翼结构时，可以有效防止车门入侵和头部直接碰撞引起的损伤。Kapoor等［8］研究表明，侧面碰撞过程中，在安全座椅中添加矩形截面吸能泡沫时，可以降低假人头部横向位移44 mm。Arbogast等［9］认为最理想的降低侧撞损伤对策是减少撞击时向乘员传递的能量，但通过改进车门结构来降低车门的峰值速度在设计中难以实现，增加填充物不失为一种好的方法。因此，本文中将已验证的6岁儿童有限元模型作为主要研究对象，根据ECE R129法规模拟汽车的侧面碰撞，对比分析在安全座椅中填充不同材料的吸能泡沫垫对头部的保护效果。

1 材料与方法

1.1 6岁儿童有限元模型

采用的6岁儿童有限元模型由天津科技大学损伤生物力学与车辆安全中心构建，其头部、颈部、胸腹部和下肢等部位已分别通过重构尸体实验验证了有效性。模型中所有单元均采用共节点进行连接，共计751 510个节点和737 729个单元，其中包括540 508个体单元、197 221个壳单元。6岁儿童有限元模型及其头部详细解剖学结构见图1。

1.2 吸能泡沫

泡沫塑料作为一种多相材料，由于基体材料和孔隙微观结构的不同，其性能往往差别很大［10］。作为理想的吸能材料，泡沫结构不仅要能够吸收大量的动能，还要确保不会对头部传递过大作用力。本文中选取两种常用的泡沫材料聚氨酯泡沫（PU）和聚苯乙烯泡沫（EPS）来研究其吸能效果。聚氨酯泡沫（PU）作为一种低密度泡沫材料，常用于汽车座椅和靠垫，弹性模量E＝0.1 MPa，密度ρ＝43 kg／m3，泊松比μ＝0.3，其材料特性根据头部模型跌落实验求得［11］；聚苯乙烯泡沫（EPS）常用于头盔衬垫和产品包装中，其材料强度较差，但具有很好的吸能特性，弹性模量E＝12 MPa，密度ρ＝32 kg／m3，泊松比μ＝0.01［12］。两种泡沫的应力应变曲线见图2。

图2 两种泡沫材料的应力应变曲线

1.3 侧面碰撞仿真模型的建立

图3为侧面碰撞仿真模型。6岁儿童分别被约束在未填充和填充了泡沫的儿童安全座椅中，根据ECE R129法规中侧面碰撞动态实验及其相应要求进行加载。初始碰撞速度为25 km／h，减速度脉冲曲线如图4所示［13］。汽车座椅与门板之间的间距为230 mm，泡沫厚度设置为30 mm。

2 仿真结果

图3 侧面碰撞仿真模型

图4 减速度脉冲曲线

2.1 头部性能指标HPC

ECE R129法规中用（HPC head performance criterion）作为一项评价头部损伤情况的综合指标，该指标是通过对大量的人体实验数据统计得出的，其表达式为

式中：a为头部质心合加速度值，以重力加速度g（g＝9.8 m／s2）来测量；t1、t2分别为头部与撞击物开始接触和结束接触的时间间隔，为方便衡量损伤情况，一般选取其时间间隔为15 ms。

图5给出了在局部坐标系下，儿童头部质心合加速度随时间变化的曲线。从图5中可以看出，当填充泡沫材料分别为PU和EPS类型时，加速度最大值分别为41.03g和58.41g，最大值分别出现在第38和30 ms。当安全座椅没有填充泡沫时，头部质心合加速度最大值达到122.5g，其最大值出现在第42 ms。根据头部质心合加速度曲线和式（1）计算可得，PU、EPS和无泡沫的HPC（15）值分别为95.40、69.90和250.57。

图5 头部质心合加速度曲线

2.2 脑组织Von Mises应力、颅内压、剪切应力和最大主应变

图6所示为3种不同仿真条件下脑组织Von Mises应力出现最大值时的分布云图。其中脑组织Von Mises应力最大值出现在胼胝体。从图6（b）和图6（c）中还可以看出，Von Mises应力在左右颞叶部位出现了应力集中现象，并以颞叶为中心向外逐渐减小，在脑组织前额顶叶和枕叶部位出现最小值，且脑组织两侧呈现出很好的对称分布现象。当泡沫材料为PU时，脑组织的Von Mises应力云图分布不是很对称，在脑组织顶叶部位出现最小值。图中Von Mises应力的最大值分别为3.85、8.54和25.64 kPa。

图7为脑组织颅内压梯度云图。从图7中可以看出，脑组织的颅内压呈现梯度分布现象，在撞击侧的颞叶部位表现出最大值，在对撞侧的颞叶部位出现最小值，且为颅内负压。3个仿真实验中撞击侧颅内压的最大值分别为55.7、121.9和276.9 kPa，此时对应的对撞侧最大颅内负压分别为-28.14、-75.93和-264.4 kPa。

图8所示为脑组织剪切应力出现最大值时刻的应力分布云图，与颅内压不同的是剪切正应力的最大值出现在对撞侧的颞叶部位，并由对撞侧向撞击侧逐渐减小，在撞击侧出现最大剪切负应力，并呈现出较好的梯度分布现象。图中剪切正应力的最大值分别为28.58、76.29和156.5kPa，剪切负应力的最大值分别为-54.77、-120.75和-189.6 kPa。

图6 脑组织Von Mises应力云图

图7 脑组织颅内压梯度云图

图8 脑组织剪切应力云图

2.3 泡沫内能变化

图9给出了两种不同材料泡沫的内能随时间变化的曲线。两种泡沫的内能均从28 ms时刻开始变化，其中PU泡沫两次峰值出现的时刻均晚于EPS泡沫，且脉宽持续时间更长。PU泡沫中两次峰值的出现时刻分别为38和132 ms，泡沫内能的最大值为7 140.05 mJ；EPS泡沫的两次峰值出现时刻分别为30和124 ms，且两次波峰值相差不大，泡沫内能的最大值为4 775.02 mJ。

图9 泡沫内能变化曲线

2.4 接触力

图10给出了头部与泡沫接触力随时间变化的曲线。从图中可以看出，PU泡沫接触力峰值的出现时间要晚于EPS泡沫，且脉宽持续时间更长。PU泡沫中两次接触力峰值的出现时刻分别为38和132 ms，最大值为1 060.31 N；EPS泡沫中的两次接触力峰值出现时刻分别为30和124 ms，且第一次接触力峰值要略大，最大接触力为2 256.33 N。

图10 头部和泡沫接触力变化曲线

3 讨论

汽车侧面碰撞事故中，由于车门的入侵和乘员的横向位移，乘员头部颞顶叶部位常与车辆内饰发生接触，导致侧面碰撞的损伤风险要高于正面碰撞。虽然已知儿童乘员在侧面碰撞中受伤的风险很大，但从生物力学角度讲，由于其身高、体质量与成年人有很大的差异，关于儿童乘员具体的伤害信息很少，因此，对侧面碰撞中儿童乘员的保护进行讨论研究是必要的。

当安全座椅中未添加泡沫时，头部质心合加速度最大值出现在头部与安全座椅头枕发生初始碰撞时刻。由于没有泡沫的缓冲作用，头部和头枕短暂接触之后立刻被弹回，而躯干在惯性力的作用下继续运动，在颈部剪切力的作用下，头部再次和头枕碰撞，此时头部速度已趋于缓和，故第二次波峰值较低。从图5中可以看出，PU泡沫和EPS泡沫中加速度值均从26 ms时刻开始突变，此时头部开始与泡沫接触，随着泡沫的压缩和反弹，头部加速度值先增加后减小，当泡沫压缩量达到最大时刻，加速度值出现波峰。虽然EPS泡沫中头部加速度最大值要大于PU泡沫，但由于PU泡沫与头部的接触时间更长，其加速度曲线脉宽更大，导致HPC值要略大于EPS泡沫。EPS泡沫中头部合加速度在124 ms出现第二次波峰，此时头部对安全座椅中另一侧泡沫的压缩量达到最大，其加速度值略小于第一次波峰。显然，当安全座椅中添加泡沫时能显著降低头部最大加速度和HPC值，但由于两种泡沫中HPC值和头部加速度最大值不是成正比关系，因此单从HPC值无法判断哪种泡沫的保护效果更好。

作为一种当量应力，Von Mises应力可以很好地反映出大脑的损伤情况，通常用来衡量脑震荡的严重程度。3个仿真中Von Mises应力最大值均出现在胼胝体，说明胼胝体仍然是脑组织中最容易受到损伤的部位［14］。安全座椅中未添加泡沫时，头部颞叶部位直接与安全座椅侧翼头枕部位碰撞，由于侧翼材料刚度较大且外面只包裹了一层薄膜结构，故脑组织的Von Mises应力值较大，根据Baumgartner等［15］的研究结果，此时可能会引起轻微脑震荡。

不同于正面碰撞，侧面碰撞过程中头部沿冠状面旋转角度较小，脑组织主要受到线性加速度的作用，最大颅内压出现在头部与座椅头枕或泡沫接触的部位。发生撞击时，撞击侧颅骨产生凹陷变形，脑组织受到颅骨的挤压作用产生正压力，随着头部的运动，压力波开始由撞击侧向对撞侧传递，从而在脑组织内呈现出很好的梯度分布现象。

当头部线性加速度较大时，脑组织不同部位的压力梯度不同，会在脑组织内产生局部剪切变形，由于脑挫伤和脑组织的剪切变形有关，因此剪切应力通常也用来衡量脑挫伤的严重程度［16］。当头部与安全座椅碰撞时，脑组织在撞击侧受到挤压作用，对撞侧受到拉伸作用。从图8中可以看出，脑组织剪切应力最大值均出现在颞叶部位，也即碰撞过程中脑组织挤压和拉伸最为严重的部位，但同一个仿真中，脑组织撞击侧剪切负应力最大值要大于对撞侧剪切正应力。

从图6～图8可以看出，当安全座椅中未添加吸能泡沫时，脑组织的Von Mises应力、颅内压和剪切应力等值要远大于添加了吸能泡沫的仿真值，这说明在安全座椅中添加吸能泡沫可以有效降低颅脑损伤。但对比PU和EPS两种泡沫对脑组织的保护效果可知，填充PU泡沫的仿真中，各项脑组织的参数值均低于EPS泡沫，进一步证明PU泡沫对头部的保护效果要优于EPS泡沫。

从图9看出，两种泡沫的内能均从28 ms时刻开始变化，此时头部刚开始与泡沫接触。随着头部的运动，泡沫不断被压缩并将头部的动能转化为泡沫内能，当压缩量最大时，泡沫吸收的内能也达到最大值。然后泡沫开始随着头部的弹回而回弹，并逐步释放其吸收的内能，直至头部和泡沫完全分离，此时泡沫回弹到其初始状态，内能不再发生变化。当头部被反弹后与安全座椅中另一侧的泡沫碰撞时，泡沫内能再次发生变化。对比图9和图10中曲线可知，头部和泡沫之间的接触力和泡沫内能的变化趋势几乎保持一致，当泡沫压缩量最大时，两者之间的接触力也达到峰值。在侧面碰撞过程中，儿童头部首先与安全座椅中靠近车门一侧的泡沫碰撞，当头部被反弹后会与另一侧的泡沫碰撞，由于泡沫的吸能作用和反弹后头部速度的降低，头部和泡沫第二次碰撞的强度要低于第一次。但从图9和图10中可以看出，当使用EPS泡沫作为填充材料时，泡沫内能以及接触力曲线中出现的两次峰值差别并不是很大，而PU泡沫中两条曲线的第二次波峰值要显著低于第一次波峰值，这主要是由于两种材料的固有属性决定的。

EPS泡沫的弹性模量要远大于PU泡沫，从图2中也可以看出，其应力应变曲线也要高于PU泡沫，说明EPS泡沫抵抗变形的能力更强。因此当头部首先与近碰撞侧的泡沫接触时，头部对两种泡沫施加了相同的压力，由于EPS泡沫的弹性模量较大，故其压缩量较小，相比之下PU泡沫和头部有更长的接触时间，泡沫也能够吸收更多的内能。6岁儿童头皮采用弹性材料，弹性模量为16.7 MPa［17］，与EPS泡沫材料的弹性模量相差不大，EPS泡沫在回弹过程中，又将大部分的泡沫内能转化为头部动能，故头部在与另一侧泡沫碰撞过程中的接触力以及泡沫内能要大于PU泡沫。