前置护体式安全座椅布置参数优化研究

张学荣，杨通，王海涛

（江苏大学汽车与交通工程学院，江苏，镇江 212013）

在ECE R129 法规中，加入了腹部压力，胸部压缩量的最新损伤指标要求。目前市场上主流的儿童安全座椅有两种，分别是五点式安全带儿童安全座椅和前置护体式儿童安全座椅，相对于五点式安全带儿童安全座椅，前置护体式具有更大的碰撞接触面积，能更好地分散碰撞能量，缺点是会对儿童的腹部产生较大的伤害。

胡佳等通过有限元仿真与试验结合的方法，采用Hybird Ⅲ假人模型与儿童人体有限元假人模型研究不同约束类型下假人伤害指标的情况，研究结果显示前置护体儿童约束系统（Child Restriction System，CRS）相比于五点式安全带CRS 具有更好的头部损伤指标，但是会产生更大的胸部加速度及胸部压缩量。JERMAKIAN等通过研究真实发生的交通事故与台车试验结果，对前置护体式CRS与五点式安全带CRS的伤害分布形式和误用情况进行调查，调查结果显示前置护体对儿童乘员的颈部保护效果相较于五点式安全带并没有明显改善，但对胸部和腹部的保护情况却明显劣于五点式安全带。

现有的前置护体式儿童安全座椅多为旧版，这些研究结果并不足以总结前置护体式儿童安全座椅对儿童保护效果的优劣性，另一方面，针对前置护体总布置，结构方面的改进研究依然很少。针对ECE R129 法规中关于胸部压缩量和腹部压力的最新损伤指标要求，越来越多的国内外学者开始对儿童乘员腹部和胸部损伤参数进行研究。

REED 等采用试验与有限元仿真分析结合的方法，通过改变前置护体的安装高度，腹部接触面形状与泡沫材料刚度综合研究前置护体的保护效果。研究结果显示，通过抬升前置护体的安装高度使儿童乘员胸部更多地参与到碰撞接触之中，可以有效减小假人所受的腹部压力，但是会增加假人的胸部压缩量；通过改善前置护体与假人腹部接触面的形状，使前置护体更好地贴合假人盆骨，同样可以有效改善假人受到的腹部压力。该研究结果进一步指出前置护体安装位置对儿童乘员胸部和腹部伤害的影响大于泡沫材料刚度带来的影响。

本文以某款前置护体式儿童安全座椅为研究对象，采用Q3假人，基于ECE R129法规搭建正面碰撞仿真模型，在验证模型有效性的基础上针对儿童安全座椅自身设计参数，进行了影响正面碰撞保护的参数研究与优化，以探究对儿童乘员伤害最小的前置护体总布置与结构方案。本文依据ECE R129法规中的最新伤害指标对前置护体式儿童安全座椅的结构进行了全方位的研究，对于前置护体式儿童安全座椅的设计有一定的工程实际意义；采用多目标优化的分析方法寻找最优参数分布，对相关研究人员具有一定的指导意义。

1 模型建立及试验验证

1.1 ECE R129正面碰撞仿真模型建立

通过建立前置护体式儿童安全座椅关键部件的概念模型来提高仿真分析效率，并在Hypermesh 中建立有限元网格模型，该模型共有单元数量14.3万个，其中体单元数量10.7 万个，共有节点17.3 万个，如图1所示。

图1 前置护体式座椅有限元模型

前置护体通过车用三点式安全带并根据台车试验模拟来进行安装与绑定。在前置护体的定位过程中，以假人躯干与大腿连接点H 点为参考，选取假人腹部中心节点为A 点，选取前置护体底部中心节点为B 点。为了使调整前置护体总布置高度位置时，前置护体与儿童假人的腹部接触面始终可以很好地贴合假人的腹部，以直线AB 建立的其在轴方面的垂线BC，并以A、B 和C 点建立坐标系，如图2所示。

图2 前置护体定位图

根据ECE R129 法规建立台车模型，主要由台车坐垫、台车坐垫固定板、ISOFIX 固定杆和安全带锚固点组成。本文所研究的座椅采用3 点式安全带固定，安全带模型包括肩带，腰带和卷收器3 部分，分别对应上固定点P，带扣点A2 和下固定点A1（坐标见表1）。采用Q3 假人模型进行仿真分析，控制安全带与假人的定位关系，最终得到整个正面碰撞仿真模型，如图3所示。

图3 正面碰撞仿真模型

表1 安全带固定点位置坐标

在MADYMO 软件中搭建正面碰撞仿真模型，输入的台车加速度波形如图4所示。

图4 台车加速度输入波形

1.2 模型有效性验证

将仿真结果与台车试验结果进行对比以验证模型的有效性，验证方法主要为假人运动姿态验证和动力学响应验证。其中假人姿态如图5 所示，取3个时刻分别为30 ms、60 ms和90 ms，可以看出同时刻下假人的运动姿态保持一致；整个过程中的动力学响应主要是胸部合成加速度和盆骨合成加速度的时间历程对比，如图6 和图7 所示，试验和仿真的两条曲线在峰值、脉宽和形状方面吻合度很好，表明本文所搭建的正面碰撞仿真模型是真实有效的。

图5 仿真与试验过程中的运动姿态对比

图6 试验与仿真中胸部合成加速度时间历程曲线

图7 试验与仿真中盆骨合成加速度时间历程曲线

2 前置护体总布置与结构参数的优化研究

在前置护体的总布置方面，通过调整其安装高度位置可以改变前置护体与假人接触的部位，从而影响对儿童的约束部位，同样前置护体的自身高度也是影响其与假人接触部位的重要因素。在前置护体的结构方面，其主要由泡沫与加强肋板组成，因此，将泡沫材料刚度与加强肋板刚度作为本文所研究的两个参数。综上所述，本文将选择前置护体约束高度位置、前置护体自身高度、加强肋板刚度和前置护体泡沫材料刚度这4 个设计参数作为前置护体式儿童安全座椅正面碰撞保护的影响因素。

在整个碰撞过程中，儿童假人的运动约束全部由前置护体承担，假人的伤害也均由假人与前置护体的接触与挤压造成，所以主要以儿童乘员腹部压力、胸部压缩量及胸部3 ms 加速度作为评估指标，以头部3 ms加速度、头部性能指标、上颈部拉力和弯矩等指标作为参考进行研究。

2.1 前置护体安装高度位置

以原始模型为基础，10 mm 为梯度，将前置护体沿BC 方向进行上下移动，下限设定为向下10 mm，上限设定为向上30 mm，共建立5 组仿真模型。得到各组仿真模型的最大腹部压力、胸部压缩量D、胸部3 ms 加速度(3 ms)、头部3 ms 加速度(3 ms)、头部性能指标HPC、上颈部拉力F及上颈部弯矩M的结果，见表2。其变化趋势如图8～14所示。

表2 不同前置护体安装高度下的损伤结果

图8 随安装位置高度增加P趋势图

图10 随安装位置高度增加ac(3 ms)趋势图

图12 随安装位置高度增加HPC15趋势图

图13 随安装位置高度增加FZ趋势图

图14 随安装位置高度增加MY趋势图

结合表2 和图8 可知，随着前置护体安装高度升高，儿童假人的腹部压力与前置护体安装高度是正相关的，出现这种趋势的原因是当前置护体安装位置偏下时，在正面碰撞中前置护体可以很好地贴合儿童身体中较硬的盆骨位置，从而可以更好地约束假人的运动，减小儿童的腹部伤害。而随着前置护体安装位置升高时，前置护体逐渐脱离假人盆骨位置，造成儿童假人出现明显的“下潜”现象，此时前置护体的主要约束部位集中在儿童身体中较软的腹部，所以最大腹部压力逐渐增大。由图9～10可知，随着前置护体安装位置升高，儿童假人的最大胸部压缩量和胸部3 ms加速度也呈现增长的趋势，其原因同样在于随着前置护体约束位置的升高，假人的胸部更多地参与到前置护体的约束中，因此，胸部压缩量和胸部3 ms 加速度也逐渐增加。由图11～14 可知，头部3 ms 加速度和头部性能指标HPC整体呈先减后增趋势，上颈部拉力和弯矩呈增加趋势，这是由于安装高度越高，假人头部位移量越少，随之头部和颈部承受伤害越大。总体来说，当前置护体的安装位置在0～20 mm 之间时，前置护体对儿童假人的盆骨具有很好的覆盖效果，减小儿童乘员的胸部和腹部损伤，同时头部和颈部伤害不会过大。

图9 随安装位置高度增加DH趋势图

图11 随安装位置高度增加ah(3 ms)趋势图

2.2 前置护体自身高度

保持前置护体安装高度不变，即前置护体下表面至假人腿部的距离不变，通过在高度方向上整体缩放前置护体来改变前置护体的自身高度。在原始模型中，前置护体的高度为157 mm，以原始高度的10%（16 mm）为梯度对前置护体进行整体缩放，将高度下限定为原始高度的80%，即125 mm，此时前置护体的顶部最上端正好约束在儿童假人的胸部最下端位置；将高度上限定为原始高度的120%，即190 mm，此时前置护体的顶部最上端正好约束在儿童假人的胸部最上端位置，以上下限为界共设计5 组模型。选取的儿童安全座椅覆盖范围为3～6 岁儿童，且选取3岁儿童假人进行研究，所以选取的前置护体自身高度区间125～190 mm 均满足3～6 岁儿童的使用要求。5 组仿真模型的最大腹部压力、胸部压缩量D、胸部3 ms 加速度(3 ms)、头部3 ms 加速度(3 ms)、头部性能指标HPC、上颈部拉力F及上颈部弯矩M的结果见表3。其变化趋势如图15～21所示。

表3 不同前置护体高度下的损伤结果

图15 随前置护体高度增加增加P趋势图

图16 随前置护体高度增加DH趋势图

图17 随前置护体高度增加ac(3 ms)趋势图

图19 随前置护体高度增加HPC15趋势图

图20 随前置护体高度增加FZ趋势图

图21 随护体高度增加MY趋势图

结合表3 与图15、17 可知，随着前置护体自身高度的增加，儿童假人的胸部和腹部损伤指标均呈现下降趋势。其中，当前置护体高度由原始模型的90%（140 mm）增加到原始模型的110%（173 mm）时，儿童假人的最大腹部压力、最大胸部压缩量均有显著下降。产生这种趋势的原因是当前置护体自身高度增加时，假人受到约束的部位也相应增加，碰撞冲击能量更好地分散到假人全身，因此，假人的胸部和腹部损伤指标均有下降。由图18～21 可知，头部3 ms 加速度、头部性能指标HPC、上颈部拉力和弯矩均呈显著增加趋势，这是由于前置护体高度越高，假人胸部过早接触护体导致假人头部位移量减少，随之头部和颈部承受伤害越大。

图18 随前置护体高度增加ah(3 ms)趋势图

总结上述分析，前置护体自身高度增加可以使碰撞能量更好地分散到假人的腹部和胸部，从而有效减小儿童假人的胸部和腹部损伤，但随之头部和颈部伤害也会增大。综合来看，当前置护体自身高度在140～173 mm 时，儿童假人的腹部和胸部损伤指标取得较好结果且头部和颈部伤害不会过大。

2.3 前置护体加强肋板刚度

前置护体主要由EPS 发泡泡沫和加强肋板构成。本节通过改变肋板厚度的方式来实现其刚度的改变。在加强肋板原始模型厚度为3 mm 的基础上，设置其厚度最小值为2 mm，最大值为5 mm，以0.5 mm 为梯度依次改变肋板的厚度，共设计7 组仿真模型。各组仿真模型的最大腹部压力、胸部压缩量D、胸部3 ms 加速度(3 ms)、头部3 ms 加速度(3 ms)、头部性能指标HPC、上颈部拉力F及上颈部弯矩M的结果见表4，其中、D、(3 ms)变化趋势如图22～24所示。

表4 不同加强肋板厚度下的损伤指标值

图22 随加强肋板厚度增加P趋势图

图23 随加强板厚度增加DH趋势图

图24 随加强板厚度增加ac(3 ms)趋势图

结合表4 与图22～24 可知，当前置护体加强肋板的厚度从2 mm增加到5 mm的过程中，儿童假人的最大腹部压力、最大胸部压缩量与胸部3 ms加速度均呈现先降后升的趋势。产生这种趋势的原因是当加强肋板的厚度在2.5 mm 以下时，加强肋板刚度较小，在碰撞过程中加强肋板产生很大的变形，不能充分吸收碰撞冲击能量，所以造成假人损伤指标较大的情况。而当前置护体的加强肋板厚度在2.5～3.5 mm 时，此时加强肋板的刚度适中，在碰撞过程中产生的变形适中，所以能很好地缓冲吸收前置护体泡沫带来的碰撞冲击能量。当加强肋板的厚度在3.5 mm 以上时，此时加强肋板的刚度太大，变形较小，同样无法有效吸收碰撞冲击能量，致使假人的各项伤害指标较大。由表4 可知，头部3 ms加速度及头部性能指标呈先减后增趋势，颈部伤害呈显著增加趋势，在加强肋板处于2.5～3.5 mm 时，其头部和颈部伤害较低。

总结上述分析，当前置护体加强肋板厚度在2.5～3.5 mm 时，儿童假人的腹部和胸部损伤指标较好。同时可以看出，前置护体加强肋板的厚度变化对儿童假人的各项损伤指标均影响较小。

2.4 前置护体泡沫材料刚度

通过对泡沫材料刚度特性曲线施加一个缩放系数来达到改变泡沫刚度的目的。设置泡沫材料刚度系数下限为0.5，以0.25 为梯度逐步将泡沫材料刚度系数提升至2，共产生7 组仿真模型。各组仿真模型的最大腹部压力、胸部压缩量D、胸部3 ms加速度(3 ms)、头部3 ms 加速度(3 ms)、头部性能指标HPC、上颈部拉力F及上颈部弯矩M的结果见表5，其中、D、(3 ms)变化趋势如图25～27所示。

表5 不同泡沫材料刚度下的损伤指标值

图25 随泡沫材料刚度增加P趋势图

图26 随泡沫材料刚度增加DH趋势图

图27 随泡沫材料刚度增加ac(3 ms)趋势图

结合表5 与图25～27 可知，当前置护体泡沫材料刚度系数由0.5放大至2.0的过程中，假人的最大腹部压力、最大胸部压缩量与胸部3 ms加速度总体呈现先下降再上升的趋势。其中，在泡沫材料刚度由0.5 变化至1.25 的过程中，最大腹部压力与胸部压缩量均有较大降幅，原因是当泡沫材料刚度系数在0.5～1.25 时，泡沫材料刚度较低，不足以完全吸收碰撞带来的冲击能量，在碰撞过程中产生的变形较大，造成假人的胸部和腹部容易穿透泡沫与较硬的前置护体加强肋板接触，造成假人的腹部与胸部损伤较大。而当泡沫材料刚度系数在1.25～2.0时，泡沫材料刚度已足够大，能够完全吸收碰撞过程中的冲击能量，因此，假人的胸部与腹部损伤较小并趋于稳定。由表5 可知，随着泡沫刚度系数增大，头部和颈部伤害基本呈下降趋势，可能的原因同上。

总结上述分析，当泡沫材料刚度系数在1.0～2.0时，假人的各项指标均较好。

3 参数优化研究

3.1 优化参数的筛选

根据本文所选取的前置护体安装高度、前置护体自身高度、前置护体加强肋板厚度和前置护体泡沫材料刚度系数作为正交试验实际的4 个因素，并根据单因素研究的趋势图选取各个因素的4 个水平，以(4)正交表安排仿真试验。通过方差分析来研究各设计因素的影响显著性，得出：对于最大腹部压力来说，前置护体的安装高度以及前置护体自身高度变化的影响极为显著，泡沫材料刚度变化的影响较为显著，而前置护体加强肋板厚度变化的影响不显著。对于最大胸部压缩量D来说，前置护体自身高度变化的影响极为显著，泡沫材料刚度变化的影响较为显著，而前置护体安装高度与加强肋板厚度变化的影响不显著。对于胸部3 ms加速度(3 ms)来说，前置护体各参数变化带来的影响均不显著，对于本文所研究的该款前置护体式儿童安全座椅来说，在进行正面碰撞后对比ECE R129 法规规定的各项损伤指标值可知，其主要缺陷在于假人的腹部压力超出了法规规定限值，因此，对于前置护体的参数优化也应围绕腹部压力展开，所以选取前置护体安装高度和前置护体自身高度两个因素作为优化变量。

3.2 响应面近似模型的建立

选取前置护体安装高度和前置护体自身高度这2 个影响因素4 个水平进行DOE 全因子试验。设计得到的结果数据输入至Isight 软件中，得到最大腹部压力与胸部压缩量D的二阶多项式响应面代理模型。其中最大腹部压力和胸部压缩量D的拟合度分别为0.988 和0.981，均大于0.95，说明该拟合公式可以很好地解释优化变量与目标之间的关系，胸部3 ms 加速度(3 ms)的拟合度为0.727，该公式的拟合度较差，原因在于前置护体安装高度与自身高度对胸部3 ms加速度的影响不显著，该结果与正交设计的结论一致。拟合后响应面如图28～29所示。

图28 P的响应面

图29 DH的响应面

3.3 基于NSGA-II算法的多目标优化

NSGA-II（Elitist Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm）快速非支配遗传算法是目前使用最为广泛的一种多目标遗传算法。

将得到的和D的响应面近似数学模型作为优化目标，前置护体安装高度位置及前置护体自身高度作为优化变量，通过Matlab 软件中的gamultiobj多目标优化函数200 代进化后，得到Pareto 解集。将仿真模型按照最优解的设计参数进行修改并运算，得到的结果对比见表6。

表6 优化结果对比

由表6 可知，3 项损伤指标的理论与实际优化值相对误差均较小，因此，可以认为优化结果是有效的。其中，最大腹部压力优化值为154 kPa，相对于初始值184 kPa，优化程度达到了16.3%；最大胸部压缩量优化值为34.38 mm，相对于初始值37.82 mm，优化程度达到了9.10%；胸部3 ms 加速度在本次优化中未有明显变化。综上所述，当前置护体安装高度位置为0 mm，前置护体自身高度为190 mm 时，对儿童乘员的腹部和胸部保护效果最优。

4 结论

基于ECE R129 法规，选取前置护体安装高度位置、前置护体自身高度、加强肋板刚度和前置护体泡沫材料刚度这4个参数作为研究对象，以Q3假人的最大腹部压力、最大胸部压缩量和胸部3 ms加速度为损伤研究指标，开展了该款儿童安全座椅的正面碰撞保护效果研究并进行优化。

（1）单因素研究结果显示，该前置护体式儿童安全座椅达到最优正面碰撞保护的前置护体安装高度位置的最优区间为0～20 mm，前置护体自身高度的最优区间为140～173 mm，加强肋板厚度的最优区间为2.5～3.5 mm，泡沫材料刚度系数的最优区间为1.0～1.5，此时假人的腹部、胸部、头部和颈部的损伤均较小。

（2）通过试验设计和方差分析对影响参数进行筛选的结果显示，前置护体安装高度与前置护体自身高度对前置护体式儿童安全座椅正面碰撞保护有着显著影响。

（3）采用改进的NSGA-II 算法对显著性较高的参数进行多目标优化求解，经过分析，得出最优解且优化后的前置护体式儿童安全座椅的正碰保护性能显著提高。该结果显示当前置护体安装高度位置为0 mm，前置护体自身高度为190 mm 时，对儿童乘员的腹部和胸部保护效果最优。与单因素分析结果不一致，这是由于该优化仅考虑胸腹部伤害指标而未考虑头颈部指标。后续可综合考虑胸、腹、头、颈部伤害指标进行优化。

（4）研究结果还显示，前置护体的布置要符合：前置护体要能够很好地约束假人盆骨，避免在碰撞过程中儿童乘员出现“下潜”现象；前置护体自身高度要求设计合理，约束部位能够覆盖儿童乘员的整个胸部，碰撞冲击能量可以更加均匀地分布在儿童乘员的胸部和腹部，从而减小儿童乘员的腹部和胸部损伤。

由于研究水平及条件限制，仅研究了正碰工况下的前置护体式安全座椅的保护效果，后续可对侧面碰撞工况进行研究并对损伤参数进行优化。本文仅对前置护体式儿童安全座椅的胸腹部损伤指标进行了优化，未来可针对前置护体式儿童安全座椅的儿童头部和颈部损伤指标进行优化。