具有環(huán)形腰帶的四點(diǎn)式兒童安全帶的設(shè)計(jì)與仿真研究*

曹立波，唐 彪，張冠軍，顏凌波

(湖南大學(xué)，汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410082)

前言

隨著兒童安全不斷受到重視，國(guó)內(nèi)外已開(kāi)發(fā)出多種汽車兒童約束系統(tǒng)來(lái)保護(hù)不同身高和年齡的兒童乘員，主要有嬰兒提籃、可轉(zhuǎn)換式兒童安全座椅、前向式兒童安全座椅、增高坐墊、集成式兒童安全座椅等。集成式兒童安全座椅與普通汽車集成為一體，無(wú)需用戶自行安裝從而能夠避免誤操作，已成為近年來(lái)兒童約束系統(tǒng)研究開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)，如在后排座椅上使用了集成式座椅［1］、一體式兒童安全座椅和新型集成式兒童安全座椅［2］等。

目前，兒童約束系統(tǒng)配備的安全帶類型主要有成人三點(diǎn)式和專為兒童開(kāi)發(fā)的四點(diǎn)式、五點(diǎn)式等。由于兒童骨骼發(fā)育不完全，在碰撞過(guò)程中成人三點(diǎn)式安全帶易對(duì)兒童肩部和胸部產(chǎn)生局部傷害;佩戴傳統(tǒng)四點(diǎn)式安全帶的兒童在碰撞過(guò)程中容易出現(xiàn)“下潛”;五點(diǎn)式安全帶的胯帶會(huì)影響兒童乘坐的舒適性，且不便安裝在集成式兒童安全座椅上使其隨坐墊高度而調(diào)整以適應(yīng)不同年齡的兒童。

本文中提出了一種能夠配備在集成式兒童安全座椅上的具有環(huán)形腰帶的四點(diǎn)式兒童安全帶。該安全帶腰帶采用了環(huán)形結(jié)構(gòu)且安全帶能隨兒童乘員乘坐高度的變化而調(diào)整。建立并驗(yàn)證了基于P6假人的正面碰撞仿真模型;優(yōu)化了安全帶相關(guān)參數(shù);最后對(duì)比了3歲、6歲和10歲兒童假人在安全帶優(yōu)化前后的損傷情況。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

所提出的具有環(huán)形腰帶的四點(diǎn)式兒童安全帶主要包括肩帶、腰帶、肩腰帶連接件、肩帶導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、肩腰帶連接固定件、肩帶卷收器連接件和卷收器等，如圖1所示。

肩帶1穿過(guò)安裝在座椅靠背上部的肩帶導(dǎo)向機(jī)構(gòu)4。相對(duì)于座椅靠背，肩帶1被分成前后兩部分，其中肩帶1的前部通過(guò)肩腰帶連接件3與腰帶2連接，該肩帶1的后部則通過(guò)肩帶卷收器連接件6與卷收器7連接，腰帶2通過(guò)腰帶連接固定件5固定在座椅上。

具有環(huán)形腰帶的四點(diǎn)式兒童安全帶的左、右肩帶和腰帶能夠分別舒適地貼合在兒童的左、右肩部和胯部，使兒童在汽車碰撞過(guò)程中受到的沖擊得到很好的分散，避免對(duì)兒童產(chǎn)生局部損傷。將腰帶設(shè)計(jì)成環(huán)形結(jié)構(gòu)，內(nèi)層腰帶與兒童胯部貼合，外層與肩腰帶連接件聯(lián)結(jié)。在碰撞過(guò)程中，外層腰帶受到肩帶的拉力，使內(nèi)層腰帶更加緊密地貼合兒童胯部，從而能夠有效地防止兒童的“下潛”。通過(guò)兩次碰撞試驗(yàn)，如圖2所示，證明了具有環(huán)形腰帶的四點(diǎn)式兒童安全帶能較好地防止兒童在碰撞過(guò)程中“下潛”。

2 仿真研究

為便于后續(xù)對(duì)兒童安全帶進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，改善該安全帶對(duì)兒童的保護(hù)效果，本文中建立了兒童安全帶正面碰撞仿真模型，并通過(guò)碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真模型的有效性。

2.1 正面碰撞仿真模型的建立

根據(jù)試驗(yàn)所使用的某國(guó)產(chǎn)汽車后排座椅和增高坐墊尺寸，采用多剛體動(dòng)力學(xué)軟件MADYMO 6.2.1建立了正面碰撞仿真模型，如圖3所示。主要包括汽車后排座椅、增高坐墊、后排中間位置新型四點(diǎn)式兒童安全帶和P6兒童假人模型。后排座椅尺寸為1 240mm×500mm ×625mm，坐墊角度 15°，靠背角度22°。后排座椅由多個(gè)超橢球組成，分別代表坐墊、靠背和頭枕，整個(gè)座椅模型定義為一個(gè)剛體。增高坐墊用一個(gè)超橢球體代替，由于增高坐墊設(shè)計(jì)為汽車座椅的一部分，故將其與汽車座椅定義為同一個(gè)剛體。新型四點(diǎn)式兒童安全帶采用多剛體與有限元相耦合的混合安全帶模型，肩腰帶連接件采用有限元安全帶模擬，且采用共節(jié)點(diǎn)方法來(lái)模擬安全帶肩腰帶連接件與腰帶和肩帶的連接。利用MADYMO中的關(guān)鍵字BELT_RETRACTOR在圖3(b)所示的卷收器位置建立卷收器。另外，位于環(huán)形腰帶兩端的腰帶滑環(huán)用超橢球表示，左右兩個(gè)腰帶滑環(huán)分別定義為不同的剛體。仿真模型中使用TNO公司開(kāi)發(fā)的P6兒童假人模型。

2.2 正面碰撞仿真模型的驗(yàn)證

在湖南大學(xué)汽車碰撞實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了基于Q6假人的臺(tái)車正面碰撞試驗(yàn)。將某國(guó)產(chǎn)汽車后排座椅和改裝的增高坐墊安裝在臺(tái)車上，兒童假人通過(guò)安全帶約束在座椅上，臺(tái)車試驗(yàn)裝置如圖4所示，總質(zhì)量為437kg，符合法規(guī)要求。由于增高坐墊和四點(diǎn)式安全帶均為試制件，強(qiáng)度剛度難以保證，為安全起見(jiàn)，碰撞速度設(shè)為不超過(guò) 30km/h，實(shí)際碰撞速度28.5km/h，臺(tái)車碰撞試驗(yàn)加速度曲線如圖5所示。

將圖5所示的碰撞加速度曲線作為仿真模型的輸入進(jìn)行了相同條件下的碰撞仿真。仿真與試驗(yàn)的假人頭部和胸部的三向合成加速度曲線以及安全帶肩帶和腰帶的拉力曲線對(duì)比如圖6所示。結(jié)果表明，仿真與試驗(yàn)的頭部加速度曲線、胸部加速度曲線以及肩帶、腰帶力曲線在脈寬、形狀、變化趨勢(shì)和峰值范圍均比較接近，仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。表1中總結(jié)了試驗(yàn)和仿真得到的假人損傷參數(shù)。假人頭部合成加速度和胸部合成加速度峰值誤差分別為8.98%和0.28%，主要是由于在碰撞試驗(yàn)中，汽車后排座椅靠背和增高坐墊有一定的彈性變形，而在仿真中沒(méi)有考慮。總體上看，誤差還是在允許范圍內(nèi)。因此，認(rèn)為所建立的新型四點(diǎn)式兒童安全帶正面碰撞仿真模型有效可行，可以將此模型用于后續(xù)的研究工作。

表1 試驗(yàn)和仿真假人損傷參數(shù)

3 具有環(huán)形腰帶的四點(diǎn)式兒童安全帶參數(shù)優(yōu)化

利用已驗(yàn)證的仿真模型，對(duì)新型四點(diǎn)式兒童安全帶參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，為兒童乘員提供更好的保護(hù)效果。

3.1 確定設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件

安全帶肩帶在兒童假人肩部的位置及肩腰帶連接件在兒童假人胸部的貼合位置是影響安全帶對(duì)兒童乘員保護(hù)效果的兩個(gè)最重要的因素［3］，故提取兩肩帶滑環(huán)間距W和肩腰帶連接件高度H兩個(gè)參數(shù)作為優(yōu)化變量，如圖7所示。為了確保安全帶貼合在兒童乘員身上時(shí)不能接觸兒童頸部，原模型中W=230mm，H=110mm，確定W和H的取值范圍分別為190mm≤W≤290mm;30mm≤H≤130mm。

本文中采用兒童乘員約束準(zhǔn)則CIC(child injury criterion)作為優(yōu)化研究的目標(biāo)值，CIC充分考慮了兒童假人頭部HIC36、頸部Nij和胸部累積3ms合成加速度峰值C3ms等損傷值，該損傷準(zhǔn)則表達(dá)式［4］為

式中:FZ為頸部軸向力，F(xiàn)ZC為軸向力的耐受極限值，Mocy為頸部關(guān)于枕骨節(jié)的彎矩，Myc為彎矩的耐受極限值，C3ms為胸部累積3ms合成加速度峰值。FZC和Myc取值見(jiàn)2010年修訂的FMVSS 208法規(guī)。

綜合上述分析，可以得出四點(diǎn)式兒童安全帶的仿真模型優(yōu)化數(shù)學(xué)表達(dá)式為

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)采集

采用均勻設(shè)計(jì)安排采樣試驗(yàn)。將W、H在取值范圍內(nèi)均分為6等份，故選用U24(62)均勻設(shè)計(jì)表，安排24組仿真試驗(yàn)，如表2所示。

根據(jù)均勻設(shè)計(jì)方法得到的試驗(yàn)方案，修改新型四點(diǎn)式兒童安全帶相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了24組碰撞仿真，得到了24組兒童損傷數(shù)據(jù)，部分損傷數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表2 均勻設(shè)計(jì)表U24(62)

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案和仿真結(jié)果

對(duì)24組方案對(duì)應(yīng)的兒童損傷結(jié)果進(jìn)行分析表明，隨著肩帶滑環(huán)間距 W 的增大，HIC36、Nij、C3ms損傷值呈下降趨勢(shì)，但在W超過(guò)270mm，達(dá)到290mm時(shí)，各損傷值會(huì)有不同幅度的上升。這是由于隨著肩帶滑環(huán)間距的增大，左右肩帶離兒童乘員頸部的距離增大，在碰撞過(guò)程中，安全帶對(duì)假人頸部的約束會(huì)減小，且對(duì)假人肩部和胸部的約束效果會(huì)更好;而當(dāng)距離過(guò)大時(shí)，左右肩帶對(duì)假人肩部、胸部的約束力會(huì)減小。同樣，隨著前部肩腰帶連接件至腰帶的距離 H 的減小，HIC36、Nij、C3ms等損傷值均呈下降趨勢(shì)，但當(dāng)距離小于50mm時(shí)，HIC36、Nij和C3ms值均稍有增加，原因是隨著H值減小，肩帶連接點(diǎn)離兒童假人頸部距離變大，在碰撞過(guò)程中肩腰帶連接點(diǎn)對(duì)兒童胸部和肩部約束更好，而當(dāng)H值過(guò)小時(shí)，肩帶對(duì)假人胸部和肩部的約束力減小，但H值的變化對(duì)假人損傷參數(shù)的影響較小。

3.3 代理模型的構(gòu)造與優(yōu)化

以加權(quán)損傷值CIC為設(shè)計(jì)目標(biāo)，利用SAS軟件對(duì)表3中的結(jié)果進(jìn)行逐步回歸分析來(lái)構(gòu)造三次多項(xiàng)式響應(yīng)面代理模型。所得回歸模型的顯著性概率小于0.000 1，回歸模型高度顯著有效。模型的決定系數(shù)為0.992 6，說(shuō)明模型總體擬合效果好。三次多項(xiàng)式響應(yīng)面模型表達(dá)式為

利用Matlab軟件中的優(yōu)化工具，采用遺傳算法對(duì)該響應(yīng)面模型進(jìn)行最優(yōu)求解，得到最優(yōu)設(shè)計(jì)值W=249.316mm，H=51.548mm，此時(shí)對(duì)應(yīng)的CIC預(yù)測(cè)值為0.213 43。將該W、H值代入MADYMO仿真模型進(jìn)行計(jì)算，得到相應(yīng)的CIC值為0.216 5。代理模型的優(yōu)化值與實(shí)際仿真值的相對(duì)誤差為1.43%，優(yōu)化達(dá)到收斂條件，優(yōu)化過(guò)程結(jié)束。

將優(yōu)化后的仿真損傷值與原模型的損傷值進(jìn)行對(duì)比，如表4所示。從表4中可知，優(yōu)化后模型的CIC值比原模型降低了12%，這表明經(jīng)過(guò)參數(shù)優(yōu)化后的新型四點(diǎn)式兒童安全帶對(duì)兒童乘員的保護(hù)效果得到了較大改善。

表4 優(yōu)化模型與原模型損傷值對(duì)比

4 安全帶優(yōu)化前后不同年齡兒童損傷參數(shù)對(duì)比

采用多體動(dòng)力學(xué)軟件MADYMO 6.2.1分別建立了3歲、6歲和10歲兒童假人的正面碰撞仿真模型。碰撞速度為50km/h，選用了 MADYMO數(shù)據(jù)庫(kù)e_tonp34el.xml例子中的碰撞加速度-時(shí)間函數(shù)，如圖8所示，該碰撞加速度曲線符合 ECE R44 法 規(guī)［5］的要求。

表5對(duì)比了3歲、6歲和10歲兒童假人在新型四點(diǎn)式兒童安全帶優(yōu)化前后的各損傷參數(shù)峰值及法規(guī)參考值。

表5 安全帶優(yōu)化前后3歲、6歲和10歲兒童在50km/h碰撞速度下的損傷值對(duì)比

由表5可知，優(yōu)化后的具有環(huán)形腰帶的四點(diǎn)式兒童安全帶對(duì)3歲、6歲和10歲兒童假人的保護(hù)效果都得到了改善。優(yōu)化前兒童乘員的某些損傷峰值超出了法規(guī)值，優(yōu)化后損傷峰值有明顯下降，并都在法規(guī)范圍或推薦值內(nèi)。由此可見(jiàn)，優(yōu)化后的具有環(huán)形腰帶的四點(diǎn)式兒童安全帶對(duì)3～10歲兒童乘員均提供了有效保護(hù)。

5 結(jié)論

提出一種具有環(huán)形腰帶的四點(diǎn)式兒童安全帶，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，且環(huán)形腰帶能較好地防止兒童乘員碰撞時(shí)“下潛”。建立并驗(yàn)證了該安全帶正面碰撞仿真模型，對(duì)安全帶參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。對(duì)比了該安全帶優(yōu)化前后3歲、6歲和10歲兒童假人在50km/h碰撞速度下的損傷指標(biāo)。結(jié)果表明，該安全帶能為3～10歲兒童乘員提供有效保護(hù)，優(yōu)化后的安全帶對(duì)兒童乘員的保護(hù)效果得到改善。

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