集成式兒童約束系統(tǒng)的研發(fā)*

張君媛，周 劍，李幸福，邱少波，李紅建，唐洪斌

(1.吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130025;2.第一汽車集團(tuán)技術(shù)中心，長春 130011)

前言

目前廣泛使用的分體式兒童安全座椅是一種兒童乘車時需要使用的獨立裝置，其種類和固定方式多樣，安裝操作過程較為復(fù)雜，使用時存在很高的誤用風(fēng)險，這是造成兒童座椅使用率低的主要原因。此外，現(xiàn)有的兒童乘員法規(guī)僅對兒童座椅本身進(jìn)行考量，缺少對整車碰撞工況和與整車匹配的考慮。歐洲兒童乘員法規(guī)(ECER44)也只是對兒童座椅本身的性能進(jìn)行考核，未考慮其在整車碰撞過程中的表現(xiàn)，在臺車正面碰撞試驗中，脈沖加速度峰值平均不超過25g，而據(jù)統(tǒng)計實際交通事故中汽車的平均減速度在30g左右。歐洲研究機(jī)構(gòu)對兒童相關(guān)的交通事故數(shù)據(jù)調(diào)查也表明，滿足ECER44法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的兒童安全座椅，在實際交通事故中體現(xiàn)的保護(hù)性能并不理想［1－4］。歐洲新車評價規(guī)程(EURO-NCAP)最早將兒童保護(hù)與整車碰撞聯(lián)系到一起，在2009年開始執(zhí)行的新方案中，要求整車進(jìn)行碰撞安全性星級評價時，兒童保護(hù)性能成為整車必檢項目［5］。

1 工作模式和初始結(jié)構(gòu)設(shè)計

為安全起見，分體式兒童座椅都要求安裝在汽車后排(嬰兒座椅可以安裝在前排，但須反向安裝，并要求乘員側(cè)的安全氣囊處于不觸發(fā)狀態(tài))，本文中選擇某轎車后排座椅中間位置安裝嵌入式兒童約束系統(tǒng)，由于1.5歲以下的兒童乘員需要使用后向式兒童安全座椅，考慮到結(jié)構(gòu)設(shè)計的復(fù)雜程度，將2～10歲年齡范圍內(nèi)的兒童乘員作為保護(hù)對象，開發(fā)兩種工作模式。

(1)將后排座椅中間位置的靠背部分向下翻折出來，放在成人座椅的坐墊上，露出隱藏在座椅靠背中的五點式安全帶供2～5歲的兒童乘員使用。該工作模式通過靠背可翻折結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，翻折結(jié)構(gòu)與后排座椅的靠背骨架柔性連接。安全帶肩帶可調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計有穿槽和穿孔的機(jī)構(gòu)，肩部安全帶從穿孔中穿過，機(jī)構(gòu)可上下滑動實現(xiàn)肩帶位置的調(diào)節(jié)，五點式安全帶的肩帶與卷收器相連，可根據(jù)不同身高和體質(zhì)量的兒童乘員，進(jìn)行肩帶位置的高度和長度的調(diào)節(jié)。安全帶鎖扣設(shè)計在可翻折的機(jī)構(gòu)中，并通過機(jī)構(gòu)與座椅靠背相連，工作模式和結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。

(2)將后排座椅中間位置的坐墊部分向上抬起至鎖止位置，配合成人安全帶供6～10歲的兒童乘員使用。坐墊舉升機(jī)構(gòu)采用四連桿的機(jī)構(gòu)原理，通過鎖止鉤卡住滑動桿進(jìn)行鎖止。坐墊舉升機(jī)構(gòu)與整車后排座椅下方的地板通過螺栓固緊，工作模式和結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示。

所設(shè)計的集成式兒童保護(hù)系統(tǒng)嵌入于整車后排座椅之中，坐墊和靠背的型面均受到已有的目標(biāo)車整車后排座椅結(jié)構(gòu)和后排空間的限制，為了能在不使用時將其隱藏，利用原整車后排座椅的型面，而未單獨設(shè)計兒童座椅的型面。從這個意義上說，其乘坐舒適性遜于分體式兒童座椅。

2 集成式兒童約束系統(tǒng)的CAE分析

本文中以B級轎車作為約束系統(tǒng)的搭載車型?？紤]該轎車以EURO-NCAP四星級安全評價為目標(biāo)，故集成式兒童約束系統(tǒng)動態(tài)性能在滿足ECER44法規(guī)的基礎(chǔ)上，按EURO-NCAP整車正面碰撞四星級兒童保護(hù)性能的相應(yīng)要求進(jìn)行設(shè)計開發(fā)。EURO-NCAP要求在整車碰撞過程中，兒童約束系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)沒有大的變形與破壞，同時兒童假人的頭部綜合加速度、胸部綜合加速度和胸部Z向加速度的限定值分別設(shè)置為72g～88g、41g～55g和23g～30g。小于最小限值可獲得相應(yīng)評分項的滿分，大于最大限值則該項評為零分，傷害值處于最小值與最大值之間則按照一定的標(biāo)準(zhǔn)通過積分計算得分。

為預(yù)測集成式兒童約束系統(tǒng)在正面碰撞過程中結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及其對兒童的保護(hù)性能，通過對系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行動態(tài)強(qiáng)度和兒童假人傷害響應(yīng)的CAE分析，對初始設(shè)計的集成式兒童約束系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)和優(yōu)化。考慮該車型以下面的4種正面碰撞工況:ECER44法規(guī)、某轎車50km/h剛性墻碰撞、56km/h－40%ODB碰撞和64km/h－40%ODB，其碰撞波形如圖 2所示。其中由于50km/h－剛性墻碰撞波形的峰值最大，載荷條件最為苛刻，故選取該碰撞脈沖作為集成式兒童約束系統(tǒng)的強(qiáng)度分析和兒童假人傷害分析的目標(biāo)工況。

2.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析與改進(jìn)

在整車碰撞過程中，兒童乘員由于慣性和車體減速度的作用整體向前運(yùn)動，在安全帶的約束和坐墊的支撐與接觸作用下，其運(yùn)動能量得以緩沖分散。該過程兒童約束系統(tǒng)的受力情況由假人的運(yùn)動響應(yīng)決定。假人的運(yùn)動響應(yīng)和集成式兒童約束系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變形是兩個相對復(fù)雜的過程，目前常采用的方法是將兩者綜合在一起建立耦合模型進(jìn)行分析，其建模過程和計算時間較長［6－8］。

本文中所采用的方法是先建立集成式兒童約束系統(tǒng)的兒童假人運(yùn)動響應(yīng)模型，模擬正面碰撞進(jìn)行仿真計算，獲得主要結(jié)構(gòu)在碰撞過程中的受力情況(即力的時間歷程曲線)，以此作為強(qiáng)度分析的加載條件，建立主要結(jié)構(gòu)件的有限元模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，并根據(jù)結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的修改，更新結(jié)構(gòu)的有限元模型，重新進(jìn)行仿真計算驗證修改后的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足要求。該方法在節(jié)省建模和計算時間的同時，也能獲得較準(zhǔn)確的計算結(jié)果。所建立的兩種工作模式的兒童假人運(yùn)動響應(yīng)模型，包括翻折坐墊、成人座椅中間位置的靠背、坐墊、安全帶和P系列兒童假人(3歲、10歲兒童假人)，其中坐墊和靠背等均按照實際結(jié)構(gòu)與尺寸進(jìn)行設(shè)定。

以50km/h剛性墻碰撞波形為目標(biāo)工況，進(jìn)行兩種工作模式兒童假人運(yùn)動響應(yīng)模型的正面碰撞仿真，獲得碰撞過程中主要結(jié)構(gòu)的受力情況，兩種工作模式的仿真動畫如圖3所示。

仿真分析發(fā)現(xiàn)，第一種工作模式在碰撞過程中主要的受力位置集中在五點式安全帶相應(yīng)的固定位置，通過仿真計算輸出安全帶的受力情況，以此作為后續(xù)安全帶固定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的加載條件。第二種工作模式在碰撞過程中主要受力部件是坐墊舉升機(jī)構(gòu)，通過兒童假人運(yùn)動響應(yīng)模型的仿真，輸出假人盆骨和左右大腿的受力情況，假人與坐墊的受力關(guān)系是相互作用的，通過計算假人受到的接觸力，以此為基礎(chǔ)將作用力疊加，作為坐墊舉升機(jī)構(gòu)強(qiáng)度分析的加載條件。輸出的兩種工作模式的主要結(jié)構(gòu)加載條件如圖4所示。

通過兒童假人運(yùn)動響應(yīng)仿真計算輸出的力均是沿x、y、z 3個方向分力的合力，而在后續(xù)作為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度加載條件時考慮到工程安全系數(shù)，將力擴(kuò)大到原有的1.2倍;加載時載荷垂直于坐墊舉升機(jī)構(gòu)上板結(jié)構(gòu)的主平面。建立主要結(jié)構(gòu)件的有限元模型，根據(jù)加載條件對系統(tǒng)主要部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。

分析發(fā)現(xiàn)第一種工作模式在肩部和腿部安全帶的固定結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)大變形，可以滿足加載條件。第二種工作模式通過坐墊舉升機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度分析，發(fā)現(xiàn)在加載過程中，其鎖止部件發(fā)生破壞導(dǎo)致整個機(jī)構(gòu)失效，并且坐墊舉升機(jī)構(gòu)上端中間位置由于應(yīng)力集中發(fā)生明顯的變形，如圖5所示。

針對仿真分析結(jié)果，對坐墊舉升結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，對結(jié)構(gòu)的鎖止部件進(jìn)行重新設(shè)計，對坐墊上端進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。重新建立強(qiáng)度分析模型，分析結(jié)果如圖6所示。

修改后的坐墊舉升機(jī)構(gòu)在力的加載過程中鎖止可靠，上板結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生大變形，機(jī)構(gòu)整體滿足加載工況的強(qiáng)度要求。

2.2 系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

在保證兒童約束系統(tǒng)動態(tài)強(qiáng)度足夠的同時，系統(tǒng)自身的一些參數(shù)對兒童假人的傷害也有較大的影響。本文中參考分體式兒童安全座椅的參數(shù)設(shè)計［2］，建立了集成式兒童約束系統(tǒng)兩種工作模式的假人傷害響應(yīng)模型，并選取坐墊摩擦因數(shù)、安全帶剛度、坐墊剛度和安全帶摩擦因數(shù)等作為優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行DOE(design of experiments)優(yōu)化設(shè)計。

將整車50km/h剛性墻碰撞波形作為加載條件，分別計算兩種工作模式下兒童假人的傷害值，結(jié)果見表1。

表1 基礎(chǔ)模型中兒童假人傷害值

為便于優(yōu)化，將兒童假人頭部綜合加速度、胸部綜合加速度和胸部Z向加速度3項指標(biāo)加權(quán)取和，提出一個兒童約束系統(tǒng)的評價函數(shù)S:

式中:Head3ms為頭部綜合加速度最大值;Chest-R3ms為胸部綜合加速度最大值;Chest-Z3ms為胸部Z向加速度最大值;下標(biāo)3ms為持續(xù)時間。

S值越小，說明約束系統(tǒng)的保護(hù)性能越好。因此，以S作為目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行使目標(biāo)函數(shù)最小的優(yōu)化。以第一種工作模式為例，通過該種工作模式4參數(shù)3水平的正交試驗，得到最優(yōu)參數(shù)組合:安全帶剛度降低12%，安全帶摩擦因數(shù)為0.4，坐墊剛度增加20%，坐墊摩擦因數(shù)為0.5。計算模型在最優(yōu)參數(shù)組合下3歲兒童傷害值，頭部、胸部和胸部Z向加速度的最大值分別為63.2g、36.4g和15.6g，較優(yōu)化前的傷害值有了明顯改善。將求得的系統(tǒng)最優(yōu)參數(shù)組合帶入到ECER44、整車56km/h偏置和64km/h偏置等3種碰撞工況進(jìn)行系統(tǒng)仿真，結(jié)果表明:最優(yōu)參數(shù)組合使這3種碰撞工況下兒童假人的傷害值均有明顯的降低。

考慮到DOE優(yōu)化設(shè)計過程中的試驗不能覆蓋全局，求得的僅是理論上的最優(yōu)組合，為保證優(yōu)化結(jié)果對實際生產(chǎn)更具指導(dǎo)意義，將優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行一定幅度的調(diào)整，生成各個區(qū)間內(nèi)隨機(jī)數(shù)據(jù)表，隨機(jī)選擇30組數(shù)據(jù)，進(jìn)行穩(wěn)定性試驗，結(jié)果如圖7所示。

圖中直線為DOE中尋得的優(yōu)化解。由圖可見，兒童約束系統(tǒng)評價函數(shù)的最大值和最小值與基準(zhǔn)相比差異區(qū)間寬度為5.98%，小于10%，由隨機(jī)模擬的計算結(jié)果可知，優(yōu)化設(shè)計點對于整個系統(tǒng)具有穩(wěn)定性，該優(yōu)化設(shè)計點可以采用。同樣也對第二種工作模式的基礎(chǔ)模型進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，求得其參數(shù)的最優(yōu)組合，并通過穩(wěn)定性分析驗證了優(yōu)化結(jié)果的合理性。

3 系統(tǒng)的臺車碰撞試驗

為驗證所設(shè)計集成式兒童約束系統(tǒng)的性能，試制了兩種模式的兒童約束系統(tǒng)物理樣件，并進(jìn)行了不同工況的8次正面臺車碰撞模擬試驗。圖8為50km/h剛性墻碰撞的臺車試驗。兒童假人傷害試驗結(jié)果如表2所示。

表2 兒童假人傷害試驗結(jié)果

由表2可見，集成式兒童約束系統(tǒng)兩種工作模式下的正面臺車碰撞試驗中，3歲和10歲兒童假人的傷害值滿足ECER44法規(guī)要求，按照EURO-NCAP標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評分，3歲兒童假人可獲得兒童保護(hù)的滿分，而10歲兒童假人也可獲得高分評價。

碰撞試驗中獲得的兒童假人傷害值與仿真優(yōu)化結(jié)果的誤差在10%以內(nèi)，這也驗證了優(yōu)化設(shè)計對約束系統(tǒng)的試制具有良好的指導(dǎo)作用。

4 結(jié)論

針對目前兒童安全座椅存在的操作復(fù)雜、誤用率高等問題，以某B級轎車為搭載車型，設(shè)計了一款使用操作簡便，能夠供不同年齡段兒童乘員使用的集成式兒童約束系統(tǒng)。并且從最初的概念設(shè)計到最終性能驗證的整個研究流程中，以整車惡劣工況50km/h剛性壁碰撞為目標(biāo)工況，運(yùn)用CAE仿真技術(shù)，進(jìn)行了虛擬設(shè)計和仿真，并根據(jù)分析結(jié)果對兒童約束系統(tǒng)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)與參數(shù)優(yōu)化，保證了該系統(tǒng)各項性能滿足目標(biāo)約束，減少了后期試驗的反復(fù)過程。所開發(fā)的集成式兒童約束系統(tǒng)使用操作方便，能有效地避免誤用，并且其動態(tài)保護(hù)性能可以滿足ECER44法規(guī)要求，并在整車正面碰撞工況下能夠獲得EURO-NCAP兒童保護(hù)的高分評價。

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