基于LS-DYNA的儿童座椅角度对Q3假人伤害分析

李君杰，梁亚妮，王昭辰

基于LS-DYNA的儿童座椅角度对Q3假人伤害分析

李君杰，梁亚妮，王昭辰

（中汽研（天津）汽车工程研究院有限公司，天津 300300）

文章为解决新车型开发过程中后向安装儿童座椅靠背角度最优设置问题，通过分析某车型实车碰撞试验数据，基于LS-DYNA碰撞仿真分析软件对实车进行对标后，优化分析某两款儿童座椅靠背角度对Q3儿童假人的伤害影响，来阐述不同儿童座椅倾斜角度对儿童乘员的保护情况，为新车型儿童约束系统开发提供参考依据。结果表明：正面100%重叠刚性壁障碰撞试验（FRB）碰撞工况中，儿童座椅靠背倾斜角度，随着倾斜程度的减小，假人伤害总体呈现出逐渐减小的趋势。该研究为整车碰撞动态儿童保护评价，选定儿童座椅安装倾斜角度提供借鉴。

儿童乘员保护；Q3假人损伤；儿童座椅靠背角度；后向安装；LS-DYNA

根据世界卫生组织2018年发布的报告统计，道路交通伤害已经成为儿童和青年人死亡的主要原因之一，每年有1 000多名儿童死于车祸，约167 000名儿童受伤[1]。儿童约束系统（Child Res- train System, CRS）能在道路交通事故中对儿童起到显著的保护作用，研究表明，对于4岁以下儿童，CRS可将其死亡率降低60%左右[2]，如果使用得当，CRS可将乘用车中3岁以下儿童的致命伤害减少71%[3]。美国国家公路交通安全管理局（National Highway Traffic Safety Administration, NHTSA）的交通事故统计也表明，儿童座椅能有效保护儿童乘员在交通事故中免受伤害或减轻伤害的程度[4]。由此可见儿童约束系统对于儿童保护的重要性，在车里正确选择和使用儿童座椅是非常必要的。

美国、日本及欧盟等国家和地区都制定了针对儿童保护相关的市场准入法规，此外，各新车碰撞测试（New Car Assessment Program, NCAP）机构颁布的规程针对儿童保护在测试及评价方面提出了更加详细且严格的要求。正面碰撞事故在碰撞工况中很常见，VIANO等人利用通用估计系统（General Estimation System, GES）研究了6 071 000起警方报告的轻型车辆撞车事故，其中正面碰撞占车辆碰撞事故的49%，占严重伤害事故的47%，占死亡事故的39%[5]。我国的《C-NCAP 管理规程（2021版）》[6]也在正面碰撞工况中增加了针对后排Q3儿童的伤害评价指标。

后向安装的儿童座椅是CRS的一种常见形式，在预防死亡和减少伤害方面是非常有效的[7]。在正面碰撞中，后向安装的儿童座椅通过儿童的背部传递碰撞力，同时保持头部、颈部和脊柱对齐[8]。据NHTSA统计，2017年乘用车内有325名儿童因使用后向儿童约束装置而获救[9]，后向儿童座椅已被证明在保护幼儿方面非常有效[10]。

MANSFIELD等[11-12]在一项研究中分析了汽车座椅刚度和长度对儿童约束系统性能的影响，结论指出汽车座椅长度对儿童约束系统旋转角度有一定影响，从而影响儿童约束系统对儿童的保护性能，但是，由于该研究的直接影响因子并非儿童座椅旋转角度，所以并未有量化的关于旋转角度对于儿童保护性能的结论性总结。黄建湘等[13]对儿童座椅造型、材料、功能方面的改良途径进行了探讨，其中儿童座椅旋转角度对于儿童保护性能也是非常重要的因素，但是文中无实际的工程应用研究。郭庆祥等[14]通过单因素影响分析，确定了影响Q3儿童保护的主要因素包括儿童座椅形式、车身结构、第二排座椅坐垫刚度及倾角、儿童碰撞空间及车辆安全带。采用正交试验及极差分析法对各因素的灵敏度进行分析，结果表明，对于Q3儿童保护，座椅布置形式为主要影响因素，其次是车身结构，再次为二排座椅刚度和坐垫倾角。

大量研究都指明由于其他因素导致的儿童座椅角度对儿童保护有着明显的影响，但是鲜有文献直接量化研究儿童座椅角度对于儿童损伤的影响。在实际的工程应用中，儿童安全座椅类型以及座椅安装角度对儿童均有不同的保护效果。所以为弥补研究空白和解决实际的工程应用问题，本研究根据对某实车正面100%重叠刚性壁障碰撞试验（Frontal impact test against rigid barrier with 100% overlapping, FRB）数据进行分析，通过选择不同类型的儿童安全座椅和设置不同座椅安装角度，在C-NCAP正面碰撞工况下进行仿真，通过分析儿童座椅约束系统的运动学和假人的生物力学，得出儿童座椅靠背角度对儿童乘员保护的影响，为儿童约束系统和车辆工程师提供数据参考。这些信息可以帮助工程师进行产品优化设计，协助提供产品安装建议，以提高儿童的安全。本文研究可为后续儿童座椅开发设计以及座椅安装倾斜角度提供数据支持。

1 儿童Q3假人评分规则

根据C-NCAP 2021版评分体系[6]，第二排儿童假人评价最高得分为4分，最低得分为0分。评价部位为儿童假人的头部、颈部、胸部。

假人头部得分通过测量假人相关指标而产生，第二排儿童假人头部若在向前移动过程中未发生二次碰撞，则头部评分只使用假人头部3毫秒合成加速度计算得分。若在向前移动过程中与前排座椅、B柱等零部件发生二次碰撞时，头部评分使用假人头部伤害指数（Head Injury Criteria 15, HIC15）和头部累积3毫秒合成加速度两项指标分别计算得分，并取两个中较低分作为头部评分。颈部部位得分通过假人颈部张力z指标而产生。胸部得分通过测量假人胸部累积3毫秒合成加速度指标而产生。

以上三个部位的评价，均依托于各自部位对应的高低性能限值，高性能限值对应该部位的最高得分，低性能限值对应该部位的最低得分，处于两者之间的测量值分别采用线性插值的方法得出相应分数，该分数采用四舍五入的方法保留到小数点后三位。Q3假人各部位高低性能限值及分值分配情况如表1所示：

表1 Q3 假人伤害高、低性能限值及分值分配

部位评价项高性能低性能极限值满分 头部HIC15有接触<500>7007002 a3ms/g<60>8080 颈部Fz/kN<1.555>2.840 1 胸部a3ms/g<41>55 1

2 正碰儿童Q3假人伤害优化分析

2.1 仿真模型的建立

根据某车型计算机辅助设计（Computer Aided Design, CAD）数据，分别建立两种儿童座椅安装形式的约束系统仿真模型，即ISOFIX连接固定+支撑腿、三点式安全带固定，如图1所示。

图1 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，针对ISOFIX+支撑腿安装方式的儿童座椅进行FRB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、颈部轴向张力z伤害曲线、胸部合成加速度曲线对标结果如图2所示。

图2 Q3儿童头部、颈部、胸部伤害曲线对标结果

试验与仿真对应伤害值如表2所示。

表2 假人关键部位伤害指标

方案头部/g颈部/kN胸部/g 实车试验40.491.21646.29 仿真对标41.391.26340.53

由图2曲线可知，对标的头部合成加速度曲线、颈部轴向张力曲线F、胸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，可以将此仿真模型作为基础模型研究该款儿童座椅靠背角度变化对儿童Q3假人各部位伤害的影响。

2.3 座椅靠背角度优化分析

以对标模型为参考基础，调整不同的儿童座椅靠背角度，从最倾斜到直立进行角度设置，对应编号0－6，设置角度如表3所示。

表3 儿童座椅靠背调节角度方案说明

方案0123456 调节角度−10°基础+2.5°+5.0°+7.5°+10°+20°

注：“−”向倾斜趋势调整；“+”向直立状态调整。

儿童座椅靠背角度调整状态展示如图3所示。

图3 儿童座椅靠背旋转角度状态

根据儿童座椅靠背角度倾斜方案，相应调试仿真模型，经过仿真计算，伤害情况如表4及图4所示。

表4 假人关键部位伤害指标

方案头部/g颈部/kN胸部/g 053.171.53241.78 141.391.26340.53 238.581.11040.34 341.720.97342.98 446.560.90443.17

图4 方案实施Q3假人伤害趋势变化

由表4伤害值和图4伤害变化趋势可知，随着儿童座椅靠背倾斜角度的减小，假人头部伤害出现波浪式变化，但总体呈现减小趋势；假人颈部伤害呈现线性减小趋势；假人胸部伤害，从变化趋势上观察，变化波动较小。总体上，Q3儿童假人伤害随着儿童座椅靠背倾斜角度的减小，假人伤害出现减小趋势。

3 儿童座椅安装角度验证分析

为验证前期儿童座椅安装倾斜角度分析的结果，采用另外一款三点式安全带固定的儿童座椅在实车碰撞试验中的结果，进行仿真对标，然后优化调整不同的座椅安装倾斜角度，观察儿童Q3假人各部位伤害情况是否有相同的变化趋势。此款儿童座椅基础模型对标效果如图5所示。

基于对标模型，其作为调整方案的基础模型，进行座椅安装角度调整方案的设定，方案如表5及图6所示。

表5 儿童座椅靠背调节角度方案说明

方案01234 调节角度−10°−5°基础+5°+10°

注：“−”向倾斜趋势调整；“+”向直立状态调整。

根据此款儿童座椅调节的安装角度，相应更新后排座椅座垫与其接触的角度，更新调试模型，进行仿真优化计算，儿童假人各部位伤害情况如表6及图7所示。

表6 假人伤害指标

方案头部/g颈部/kN胸部/g 048.450.83836.26 133.280.88529.86 236.150.99428.97 332.480.80226.99 430.610.65025.75

由表6结果和图7变化趋势可知，随着此款儿童座椅安装倾斜角度的减小，假人各部位伤害值总体呈现逐渐减小的趋势，变化规律与上一款儿童座椅表现的趋势一致，得到相互验证。

图7 方案实施Q3假人伤害趋势变化

4 结论

本文通过分析两款不同安装类型的儿童座椅在正面100%重叠刚性壁障碰撞试验工况中的表现，引入儿童座椅安装倾斜角度这一变量，对某车型有限元Q3儿童约束系统模型进行分析，以儿童Q3假人各部位伤害变化趋势为依据，借助LS-DYNA碰撞仿真分析软件进行单一变量分析，从中得到以下结论：

FRB工况中，对于后向安装的儿童座椅，随着儿童座椅靠背安装倾斜角度的减小，假人伤害总体呈现出逐渐减小的趋势，个别部位伤害值在小范围波动，可根据优化目标，有针对地进行优化分析，进而选用合适的儿童座椅靠背倾斜角度。

[1] National Center for Statistics and Analysis.TrafficSafety Facts[EB/OL].(2018-09-06)[2023-08-17]. https: //www.who.int/data/gho/data/indicators/indicator-details/GHO/road-traffic-injuries-age-standardized-death-rates-(15-)-per-100-000-population.

[2] World Health Organization.Global Status Report on Road Safety 2018[R].Geneva:World Health Organiza- tion,2018.

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[10] HENARY B,SHERWOOD C P,CRANDALL J R, et al.Car Safety Seats for Children:Rear Facing for Best Protection[J].Inj Prev,2007,13(6):398-402 .

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[13] 黄建湘,蒋庆来.人性化儿童安全座椅改良途径研究[J].汽车实用技术,2021,46(7):36-38.

[14] 郭庆祥,王楠,朱海涛,等.儿童保护动态评价影响因素研究[J].汽车技术,2022(10):44-49.

Analysis of the Injury of Dummy Q3 by Child Seat Angle Based on LS-DYNA

LI Junjie, LIANG Yani, WANG Zhaochen

( CATARC (Tianjin) Automotive Engineering Research Institute Company Limited, Tianjin 300300, China )

In this paper, in order to solve the problem of optimal setting of the backrest angle of a rear-mounted child seat during the development of a new model, the injury situation of Q3 child dummy is optimized and analyzed by analyzing the crash test data of a real car based on LS-DYNA crash simulation analysis software after the vehicle benchmarking, this paper expounds the performance defects of different tilt angles of child seats in vehicle collisions, so as to provide a reference for the development of child restraint system of new cars. The results show that: In the frontal impact test against rigid barrier with 100% overlapping (FRB) collision condition, as the angle of the child seat decreases, the injury of dummy show a gradually decreasing trend. The research provides reference for the dynamic child occupant protection evaluation of vehicle collision and the selection of child seats mounting tilt angle.

Child occupant protection; Injury of dummy Q3; Child seat back angle; Backward mounting;LS-DYNA

U461.91；U467.1

A

1671-7988(2023)17-94-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.017.017

李君杰（1989－），男，硕士，高级工程师，研究方向为汽车被动安全，E-mail:kaituo34234171@sina.com。