基于实车正面碰撞试验Q3假人头部伤害仿真分析

李君杰,刘晓东,崔东,胡帛涛

中汽研(天津)汽车工程研究院有限公司,天津 300300

0 引言

2021版C-NCAP增加了对第二排儿童假人伤害考察，降低儿童假人伤害成为整车碰撞安全开发中重要的一部分，从C-NCAP的发展趋势可以看出，我国汽车安全领域，正在逐渐增加对儿童乘员保护的重视。根据公安部交管局数据显示，截至2019年上半年，我国汽车保有量2.5亿辆，私家车1.98亿辆，城市拥堵不断，同时全社会交通安全问题日益突出。据国家统计局数据显示，2017年全国发生交通事故总数203 049起，直接造成财产损失121 311万元，导致209 654人受伤，63 772人死亡。资料显示，我国每年有超过 1.85万名儿童死于交通事故，死亡率是欧洲的 2.5倍，美国的 2.6 倍。目前，道路交通伤害已经成为中国儿童意外伤亡的第二大原因。对于儿童，道路交通伤害除了是伤害死亡的首要原因，还是非致命性儿童伤害的最重要的原因。由某机构统计，在由各类原因导致的儿童颅脑损伤事故中，84.1%的儿童颅脑创伤是由道路交通导致，儿童头部损伤不仅给受伤儿童带来非常严重的生理伤害，而且给患者家庭带来沉重的经济负担，更加加重了医疗体系和社会的经济负担。因此，如何提高儿童乘员头部的保护效率显得尤为重要。

在实车碰撞试验过程中，成人约束系统并不适用于儿童，儿童并不是成人的缩小版，当用成人安全带约束儿童时，会存在安全带松弛的现象，在交通事故中，可能会勒住儿童的颈部，且极易压伤儿童的腰部，更严重的话会引起肋骨的断裂、胸部压伤及扭断脖子的风险。对于儿童乘车人来说，似乎使用儿童安全座椅是目前保护儿童乘员有效的办法，而后向式安装儿童座椅也一直被认为是保护儿童乘员最有效的约束方式。但是，对于C-NCAP法规规程里涉及的正面碰撞试验工况中使用的Q3假人，其与后向安装的儿童座椅在什么情况下才能匹配得当，是一项值得研究的问题。当碰撞发生时，儿童座椅与车内其他接触部件是否真正相匹配，是否能发挥对儿童乘员最大的保护效能，如何合理匹配这些独立的系统，成为儿童保护开发研究的重点。

文中根据对某实车正面100%重叠刚性壁障碰撞试验数据进行分析，同时加之CAE仿真对标验证，得出制约后向安装儿童座椅保护Q3假人头部效率的因素，为儿童保护的开发提供了一定的数据参考。

1 儿童Q3假人头部伤害超标分析

根据C-NCAP 2021版评分体系，某实车正面100%重叠刚性壁障碰撞试验中，儿童假人头部伤害较大，超过低性能限值，最终导致儿童假人的总体评价成绩较低。

头部的损伤是外部机械力量传至头部，主要分为接触损伤和惯性损伤，接触损伤是由接触碰撞导致的，接触损伤又包括局部损伤和远端损伤。局部损伤是指由于物体受到碰撞时，其碰撞区域受到集中的应力，碰撞能量通过局部骨折吸收；远端损伤则是由于受到冲击的头部运动受到阻碍，碰撞能量从碰撞点扩散至远端，由远离冲击点的骨折吸收。惯性损伤则是由线加速度和角加速度所致的。其损伤主要是由碰撞时头部和颈部之间的相互作用产生的角加速导致。平移和旋转加速合成的角加速是最常见的惯性损伤形式，而角加速的大小和持续时间决定了它引起脑损伤的程度。后向安装儿童座椅时，当碰撞发生时，儿童假人既会受到接触损伤中的远端损伤情况，也会受到惯性损伤的情况，前者是由于儿童座椅头枕受到接触撞击将碰撞能量传递给儿童头部，后者是由于突然停止旋转对儿童头部的冲击伤害，两者的共同点在于受到冲击的儿童头部突然停止运动，其儿童头部内的组织吸收了碰撞能量，最终导致儿童头部的损伤。

通过对实车试验后高速录像的检查发现，后向安装儿童座椅在试验过程中，儿童座椅靠背由于较大的向后张角，45 ms左右时儿童座椅背部支撑面开始接触到前排座椅靠背；55 ms左右时儿童座椅头枕接触到前排座椅靠背；随着接触程度的加重，65 ms左右时儿童头部出现明显冲撞儿童座椅头枕的现象，如图1所示。

图1 儿童Q3假人头部伤害曲线

综上分析可知，头部加速度伤害较大的原因在于，碰撞试验过程中，儿童座椅动态旋转位移异常过大，当接触到前排座椅靠背瞬间停止运动后，其旋转运动的动能转换成儿童假人头部的接触能量，传递到儿童颅脑内部，最终导致儿童假人头部的严重伤害。儿童座椅动态旋转位移示意如图2所示。

图2 儿童座椅动态旋转位移示意

另外，由试验高速录像发现，儿童座椅靠背在出现旋转运动趋势时，儿童座椅整体也存在明显的下陷现象，在一定程度上加重了儿童座椅的动态旋转运动。

2 正碰儿童Q3假人头部优化分析

2.1 仿真模型的建立

根据CAD数据及乘员空间，建立正面碰撞儿童乘员Q3约束系统仿真模型，包括前排乘员座椅、第二排乘员座椅、后向安装儿童座椅，儿童Q3假人，整车试验脉冲加载等必要数据，如图3所示。

图3 正面碰撞儿童Q3假人仿真模型

2.2 仿真模型对标

根据实车碰撞试验结果进行儿童Q3假人约束系统模型的对标，其中头部合成加速度伤害曲线对标结果如图4所示。

图4 儿童Q3头部合成加速度对标结果

由图4曲线可知，对标的头部合成加速度曲线与试验接近，仿真模型与实车试验一致性较好，仿真模型精度满足要求，可以将此仿真模型作为基础模型对儿童Q3假人头部伤害进行优化分析。

2.3 仿真模型优化分析

文中提到碰撞过程中后向安装儿童座椅动态旋转位移异常过大。这里重点分析儿童座椅动态旋转位移对假人头部的影响，分两方面考虑问题：一方面，从儿童座椅本身出发，加强后向安装儿童座椅本身的强度，避免由于儿童座椅自身强度问题，导致儿童座椅本体的动态张角过大；另一方面，从与儿童座椅相接触的车内子系统考虑，包括后排座椅坐垫的支撑强度、前排座椅靠背与儿童座椅接触位置的结构及强度。

初步计算如下方案：

方案一：儿童座椅本身强度加强；

方案二：第二排座椅支撑强度提高、前排座椅靠背结构件弱化。

观察儿童Q3假人头部合成加速度曲线，发现儿童座椅本身结构问题影响头部伤害相对较大，儿童座椅本体未能有效吸收撞击接触所传递而来的碰撞能量，最终将过多的能量传递给儿童假人。其次，方案二涉及的影响因素，也是增加接触能量的关键因素，优化这些问题，对于缓解儿童假人头部伤害，有着积极的作用。对比结果如图5所示。

图5 方案实施Q3假人头部伤害对比

由图5可知，儿童Q3假人头部伤害情况受方案一和方案二两方面因素的影响，然而在这两方面因素中，由于儿童座椅作为子系统是由供应商提供的成品，针对特定儿童座椅结构进行优化的可能性比较小，而另一方面，整车中其他子系统也会受到诸多因素的制约，而不能进行有利的优化，当优化这些子系统对其他成人乘员约束系统造成不利影响的情况出现时，就需要衡量这样优化的利弊，当弊大于利时，可以换一种思路，比如尝试考虑不同型号的儿童座椅，或者不同安装固定方式的儿童座椅对具体车型的响应情况。所以，沿着这个思路，将儿童座椅按安装类型进行分类，挑选每种类型里比较有代表性的座椅进行后续的滑台及整车验证试验，来考察儿童假人的头部伤害变化情况，挑选出来的座椅不代表唯一性，只是象征该类车型适用的儿童座椅类型参考方向。

3 滑台及实车验证分析

为验证前期分析的结果，在滑台模拟试验和实车碰撞试验中进行正面100%重叠刚性壁障碰撞试验工况，观察儿童Q3假人头部合成加速度是否有减小趋势。采用不同品牌后向安装的儿童座椅以及不同安装形式的儿童座椅进行对比分析，如图6和图7所示。

图6 不同品牌后向安装的儿童座椅

图7 不同安装形式的儿童座椅

滑台模拟试验后，儿童Q3假人头部合成加速度伤害情况如图8和图9所示。

图8 不同后向安装儿童座椅Q3假人头部伤害对比

图9 不同安装形式儿童座椅Q3假人头部伤害对比

由图8和图9可知，对于特定条件下的车型配置，大部分后向安装的儿童座椅与整车不匹配，儿童假人头部伤害严重，当使用三点式安全带固定儿童座椅的方式固定正向儿童座椅时，其Q3儿童头部伤害改善明显。

将滑台模拟试验中表现较好的儿童座椅类型应用到实车试验中，进行正面100%重叠刚性壁障碰撞试验，验证匹配效果，观察儿童Q3假人头部合成加速度伤害值是否减小。其试验后儿童假人头部合成加速度伤害结果如图10所示。

图10 实车试验验证Q3假人头部伤害对比

由图10可知，实车碰撞试验中，儿童Q3假人头部合成加速度伤害改进效果明显。整车三点式安全带固定儿童座椅的方式，相对于儿童假人来说，相当于增加了碰撞能量的卸载途径，进一步缓冲了假人受到瞬间冲击伤害的风险。

4 结论

文中通过对实车正面100%重叠刚性壁障碰撞试验(FRB)中儿童Q3假人的头部合成加速度伤害进行分析，以降低第二排儿童Q3假人头部伤害为目的，借助CAE仿真手段进行仿真模拟对标，提出了解决后向安装儿童座椅所造成儿童假人头部伤害的思路，最终经过滑台及实车试验验证，降低了儿童Q3假人头部伤害程度，提高了该车型在正面碰撞中儿童Q3假人的保护性能，从中得到以下结论：

(1)对于Q3儿童假人，并非所有车型均适合采用后向安装儿童座椅的方式进行对儿童的保护，需要具体车型具体分析。

(2)对于后向安装的儿童座椅而言，其自身的强度及结构性能需要进一步提升，强度可靠，结构有效吸能，对于儿童的保护意义重大。

(3)采用整车三点式安全带固定方式的正向安装的儿童座椅，对于儿童假人头部伤害风险的降低有积极作用，但需要注意一点，正向安装座椅，对于儿童假人颈部及胸部的伤害波动较大，文中尚未对此进行分析阐述，后续需要进一步研究其波动范围是否可控，正向安装形式下，五点式安全带对儿童假人的损伤风险，也需进一步深入研究。