具有環形腰帶的四點式兒童安全帶的設計與仿真研究*

曹立波，唐 彪，張冠軍，顏凌波

(湖南大學，汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082)

前言

隨著兒童安全不斷受到重視，國內外已開發出多種汽車兒童約束系統來保護不同身高和年齡的兒童乘員，主要有嬰兒提籃、可轉換式兒童安全座椅、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，無需用戶自行安裝從而能夠避免誤操作，已成為近年來兒童約束系統研究開發的重點，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，兒童約束系統配備的安全帶類型主要有成人三點式和專為兒童開發的四點式、五點式等。由于兒童骨骼發育不完全，在碰撞過程中成人三點式安全帶易對兒童肩部和胸部產生局部傷害;佩戴傳統四點式安全帶的兒童在碰撞過程中容易出現“下潛”;五點式安全帶的胯帶會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整以適應不同年齡的兒童。

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形腰帶的四點式兒童安全帶。該安全帶腰帶采用了環形結構且安全帶能隨兒童乘員乘坐高度的變化而調整。建立并驗證了基于P6假人的正面碰撞仿真模型;優化了安全帶相關參數;最后對比了3歲、6歲和10歲兒童假人在安全帶優化前后的損傷情況。

1 結構設計與工作原理

所提出的具有環形腰帶的四點式兒童安全帶主要包括肩帶、腰帶、肩腰帶連接件、肩帶導向機構、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穿過安裝在座椅靠背上部的肩帶導向機構4。相對于座椅靠背，肩帶1被分成前后兩部分，其中肩帶1的前部通過肩腰帶連接件3與腰帶2連接，該肩帶1的后部則通過肩帶卷收器連接件6與卷收器7連接，腰帶2通過腰帶連接固定件5固定在座椅上。

具有環形腰帶的四點式兒童安全帶的左、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程中受到的沖擊得到很好的分散，避免對兒童產生局部損傷。將腰帶設計成環形結構，內層腰帶與兒童胯部貼合，外層與肩腰帶連接件聯結。在碰撞過程中，外層腰帶受到肩帶的拉力，使內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”。通過兩次碰撞試驗，如圖2所示，證明了具有環形腰帶的四點式兒童安全帶能較好地防止兒童在碰撞過程中“下潛”。

2 仿真研究

為便于后續對兒童安全帶進行參數優化，改善該安全帶對兒童的保護效果，本文中建立了兒童安全帶正面碰撞仿真模型，并通過碰撞試驗驗證了仿真模型的有效性。

2.1 正面碰撞仿真模型的建立

根據試驗所使用的某國產汽車后排座椅和增高坐墊尺寸，采用多剛體動力學軟件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°。后排座椅由多個超橢球組成，分別代表坐墊、靠背和頭枕，整個座椅模型定義為一個剛體。增高坐墊用一個超橢球體代替，由于增高坐墊設計為汽車座椅的一部分，故將其與汽車座椅定義為同一個剛體。新型四點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，且采用共節點方法來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，位于環形腰帶兩端的腰帶滑環用超橢球表示，左右兩個腰帶滑環分別定義為不同的剛體。仿真模型中使用TNO公司開發的P6兒童假人模型。

2.2 正面碰撞仿真模型的驗證

在湖南大學汽車碰撞實驗室進行了基于Q6假人的臺車正面碰撞試驗。將某國產汽車后排座椅和改裝的增高坐墊安裝在臺車上，兒童假人通過安全帶約束在座椅上，臺車試驗裝置如圖4所示，總質量為437kg，符合法規要求。由于增高坐墊和四點式安全帶均為試制件，強度剛度難以保證，為安全起見，碰撞速度設為不超過 30km/h，實際碰撞速度28.5km/h，臺車碰撞試驗加速度曲線如圖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行了相同條件下的碰撞仿真。仿真與試驗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比如圖6所示。結果表明，仿真與試驗的頭部加速度曲線、胸部加速度曲線以及肩帶、腰帶力曲線在脈寬、形狀、變化趨勢和峰值范圍均比較接近，仿真結果和試驗結果基本吻合。表1中總結了試驗和仿真得到的假人損傷參數。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，而在仿真中沒有考慮。總體上看，誤差還是在允許范圍內。因此，認為所建立的新型四點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的研究工作。

表1 試驗和仿真假人損傷參數

3 具有環形腰帶的四點式兒童安全帶參數優化

利用已驗證的仿真模型，對新型四點式兒童安全帶參數進行優化，為兒童乘員提供更好的保護效果。

3.1 確定設計變量、目標函數和約束條件

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兒童乘員保護效果的兩個最重要的因素［3］，故提取兩肩帶滑環間距W和肩腰帶連接件高度H兩個參數作為優化變量，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則CIC(child injury criterion)作為優化研究的目標值，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，該損傷準則表達式［4］為

式中:FZ為頸部軸向力，FZC為軸向力的耐受極限值，Mocy為頸部關于枕骨節的彎矩，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2010年修訂的FMVSS 208法規。

綜合上述分析，可以得出四點式兒童安全帶的仿真模型優化數學表達式為

3.2 試驗設計和數據采集

采用均勻設計安排采樣試驗。將W、H在取值范圍內均分為6等份，故選用U24(62)均勻設計表，安排24組仿真試驗，如表2所示。

根據均勻設計方法得到的試驗方案，修改新型四點式兒童安全帶相關參數進行了24組碰撞仿真，得到了24組兒童損傷數據，部分損傷數據見表3。

表2 均勻設計表U24(62)

表3 試驗設計方案和仿真結果

對24組方案對應的兒童損傷結果進行分析表明，隨著肩帶滑環間距 W 的增大，HIC36、Nij、C3ms損傷值呈下降趨勢，但在W超過270mm，達到290mm時，各損傷值會有不同幅度的上升。這是由于隨著肩帶滑環間距的增大，左右肩帶離兒童乘員頸部的距離增大，在碰撞過程中，安全帶對假人頸部的約束會減小，且對假人肩部和胸部的約束效果會更好;而當距離過大時，左右肩帶對假人肩部、胸部的約束力會減小。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，但當距離小于50mm時，HIC36、Nij和C3ms值均稍有增加，原因是隨著H值減小，肩帶連接點離兒童假人頸部距離變大，在碰撞過程中肩腰帶連接點對兒童胸部和肩部約束更好，而當H值過小時，肩帶對假人胸部和肩部的約束力減小，但H值的變化對假人損傷參數的影響較小。

3.3 代理模型的構造與優化

以加權損傷值CIC為設計目標，利用SAS軟件對表3中的結果進行逐步回歸分析來構造三次多項式響應面代理模型。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。模型的決定系數為0.992 6，說明模型總體擬合效果好。三次多項式響應面模型表達式為

利用Matlab軟件中的優化工具，采用遺傳算法對該響應面模型進行最優求解，得到最優設計值W=249.316mm，H=51.548mm，此時對應的CIC預測值為0.213 43。將該W、H值代入MADYMO仿真模型進行計算，得到相應的CIC值為0.216 5。代理模型的優化值與實際仿真值的相對誤差為1.43%，優化達到收斂條件，優化過程結束。

將優化后的仿真損傷值與原模型的損傷值進行對比，如表4所示。從表4中可知，優化后模型的CIC值比原模型降低了12%，這表明經過參數優化后的新型四點式兒童安全帶對兒童乘員的保護效果得到了較大改善。

表4 優化模型與原模型損傷值對比

4 安全帶優化前后不同年齡兒童損傷參數對比

采用多體動力學軟件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數據庫e_tonp34el.xml例子中的碰撞加速度-時間函數，如圖8所示，該碰撞加速度曲線符合 ECE R44 法 規［5］的要求。

表5對比了3歲、6歲和10歲兒童假人在新型四點式兒童安全帶優化前后的各損傷參數峰值及法規參考值。

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

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

5 結論

提出一種具有環形腰帶的四點式兒童安全帶，結構簡單，操作方便，且環形腰帶能較好地防止兒童乘員碰撞時“下潛”。建立并驗證了該安全帶正面碰撞仿真模型，對安全帶參數進行了優化。對比了該安全帶優化前后3歲、6歲和10歲兒童假人在50km/h碰撞速度下的損傷指標。結果表明，該安全帶能為3～10歲兒童乘員提供有效保護，優化后的安全帶對兒童乘員的保護效果得到改善。

［1］ Lotta Jakobsson，Henrik Wiberg，Irene Isaksson-Hellman，et al.Reat Seat Safety for the Growing Child-a New 2-stage Integrated Booster Cushion［C］.Proc of 20th Int.ESV Conf.，Paper No.07-0322，Lyon，France，2007.

［2］ Cao L B，Chen H，Ren X J，et al.Study on an Integrated Child Safety Seat［J］.Applied Mechanics and Materials，2010，34-35:517-522.

［3］ Michael Griffiths，Julie Brown，Michael Paine.A Safe Ride Height Line for Child Occupants［C］.Vehicle Design＆ Research，NSW，Australia，Paper No 09-0354.

［4］ 馬偉杰.基于6歲離位兒童乘員的安全氣囊參數優化研究［D］.長沙:湖南大學機械與運載工程學院，2011:33-34.

［5］ ECE Regulation No.44，Uniform Provisions Con-cerning the Approval of Restraining Devices for Child Restraints of Power-Driven Vehicles，03 Se-ries［S］.ECE，EUROPE，2001.