內置式兒童安全座椅側面碰撞安全性研究

白中浩+程勝華+陳亞楓

收稿日期：20131127

基金項目：國家高技術研究發展計劃（863計劃）資助項目（2012AA111802）；國家自然科學基金資助項目（51105137）；湖南省自然科學基金資助項目（11JJ4034）

作者簡介：白中浩（1978-），男，河南睢縣人，湖南大學副教授，博士

通訊聯系人，Email：baizhonghao@163.com

摘要：建立了一款置于汽車后排中間位置的內置式兒童安全座椅模型，采用MADYMO與LSDYNA耦合的方法進行仿真計算，并對該模型進行滑車試驗驗證.首先對無扶手、面式扶手、桿式扶手以及面式扶手及側翼相結合的4種不同類型的座椅進行側面碰撞仿真試驗，其次對扶手高度不同的座椅模型進行側面碰撞仿真試驗，最后對仿真結果進行對比分析.結果表明，扶手能限制兒童乘員從座墊滑落而有效避免安全帶約束兒童頸部造成的窒息死亡，側翼能有效保護兒童乘員的頸部和胸部，側翼和扶手組合式兒童安全座椅模型保護效果最好；扶手高度適中的座椅能對兒童乘員提供最好的保護.

關鍵詞：內置式兒童安全座椅；兒童乘員安全；側面碰撞；仿真

中圖分類號：U463.836 文獻標識碼：A

Research on the Side Impact of Builtin Child Safety Seat

BAI Zhonghao，CHENG Shenghua， CHEN Yafeng

（State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body， Hunan Univ， Changsha， Hunan410082， China）

Abstract：A model of a builtin children restraint system was set up. The method of coupling between MADYMO and LSDYNA was used in simulation and a sled test was adopted to validate this model. First， side impact simulations were carried out respectively for vehicle seat without armrest， with different types of armrests and the combination of armrest and lateral flank. Then， an analysis of the influence of the different heights of armrest for children was done through other side impact simulations. Finally， the simulation results were analyzed. The results show that the armrest can prevent the child occupant from slipping out of the seat cushion so as to avoid suffocation death caused by neck bridled， while lateral flank can protect children's neck and chest effectively. Vehicle seat with the combination of lateral flank and armrest can provide the best protection for children in all types. The results also show that the seat with moderate armrest height can provide the best protection for children.

Key words：builtin child safety seat；child passenger safety；side impact collisions； simulation

從2014年9月1日起，國家將對兒童安全座椅實施強制性產品認證（CCC認證），對兒童安全座椅提出了更高的要求.內置式兒童安全座椅不僅能夠有效降低兒童安全座椅的誤用率，而且適用于較寬年齡范圍的兒童[1].

目前，內置式兒童安全座椅已得到一定的應用，如Volvo部分車上應用的兒童安全座椅和國內任錫娟等[1]設計的集成式兒童安全座椅，其形式主要為座墊高度的調整，適用于3～12歲兒童乘坐，同時，當座椅放置最低點時，又不影響成人乘坐.內置式兒童安全座椅由于座墊高度以及座墊深度的變化等能夠對正面碰撞中不同年齡的兒童都具有較好的保護[2].然而，相對于普通兒童安全座椅，內置式兒童座椅缺少頭、肩部側翼以及扶手擋板，若采用三點式安全帶而放棄五點式安全帶，則不利于側面碰撞工況下兒童乘員的保護.另外，采用三點式成人安全帶，兒童在碰撞中和碰撞后易造成頸部勒傷或窒息死亡[3].國內外對兒童安全座椅已經有較深入的研究，如Klinich等[4]研究了汽車兒童座椅座墊長度、腰帶形式等對兒童防護影響.楊濟匡等[5]對側面碰撞中兒童乘員約束系統與安全氣囊匹配進行多目標優化提供了一種新方法.這些研究主要是針對普通兒童安全座椅，其產品已比較成熟.對于內置式兒童安全座椅，還處于研制和實驗階段，由于座椅形式和放置位置等差異，2種兒童座椅的影響因素并不相同.白中浩等[6]對3種獨立碰撞工況下的無扶手座椅模型進行參數優化，在側面碰撞工況中，選取頭、胸部傷害值進行參數優化.

本文建立一款置于后排中間位置的內置式兒童安全座椅模型，采用MADYMO與LSDYNA耦合方法[7]仿真計算并對該模型進行滑車試驗驗證，對4種不同形式的座椅在側面碰撞工況下的兒童假人響應進行仿真對比分析.其次，選取對兒童保護最好的側翼及扶手組合的座椅模型，對座椅扶手高度進行調節，分析其對兒童乘員的影響.

1內置式兒童約束系統仿真模型

1.1仿真模型的建立

本文采用前處理軟件HYPERMESH和多剛體軟件MADYMO建立座椅有限元模型和兒童約束系統，并使用LSDYNA軟件與MADYMO軟件進行耦合計算.座椅有限元模型主要包括座椅骨

架、座墊以及座墊高度調節機構，為提高計算效率，本文未對兒童座椅兩側座椅建模.該有限元模型共計56 562個單元，其中殼單元46 077個，實體單元10 130個，梁單元101個，剛體單元254個.多剛體假人為MADYMO中自帶的P6兒童假人，并在MADYMO中建立有限元安全帶，安全帶材料為彈性各向同性材料.采用預模擬的方式對假人初始位置、座墊的初始變形以及應力進行設置，并對安全帶狀態進行預模擬.

采用有限元和多剛體耦合的方法能結合兩個軟件優勢：一方面能夠利用LSDYNA準確模擬座椅變形的特點；另一方面，發揮MADYMO軟件中假人的計算精度高、效率高和數值穩定的特點.實物模型和仿真模型分別如圖1所示.

1.2仿真模型的驗證

在湖南大學汽車碰撞試驗室進行了滑車碰撞試驗，并采集了兒童假人頭部和胸部的三向加速度以及滑車車身加速度.將試驗獲得的滑車車身加速度施加于仿真模型的假人上，通過調整各項參數與試驗一致后，獲得假人響應加速度曲線.

由圖2試驗與仿真曲線的頭胸部加速度曲線可知，在仿真最后階段曲線有一定的不同，這主要是由于試驗中座椅支撐失效而造成的頭胸部加速度的第1個小峰值或曲線延遲下降，對假人傷害值無影響，因此仿真中未模擬.經計算，假人頭部傷害值HIC36 ms誤差為1.65%，胸部3 ms加速度值誤差為1.9%，證明仿真模型具有較高的精度.

1.3實車加速度曲線獲取

為更好地模擬兒童安全座椅在實車碰撞中的情況，本文利用某款車型在側面碰撞獲取的后排座椅的加速度曲線（如圖3所示）.實車碰撞速度為50 km/h，碰撞試驗按照ECER95法規要求.

將試驗獲得的加速度曲線施加到兒童乘員身上，方向與實車碰撞方向相反，然后對建立的多個不同類型有限元模型進行對比仿真分析.

2座椅形式對兒童乘員的影響

2.1仿真試驗的設計及假人損傷參數的選取

現有內置式兒童安全座椅多為無扶手和側翼式（如圖1所示），而普通座椅的扶手主要包括2種類型，桿式扶手和面式扶手，側翼只有一種類型即面式.

由于內置式兒童安全座椅在設計時考慮成人的乘坐舒適性以及外觀，因此其扶手及側翼采用無傾斜角的伸縮式.通過參照傳統兒童安全座椅，本文設計了4款不同形式的座椅，并對這4種座椅進行仿真試驗和對比分析.不同類型座椅仿真模型及4種不同座椅的類型見圖4和表1.

4組仿真模型參數中，只有面式扶手及側翼形式不同，其余參數均相同.面式扶手及側翼的材料為硬質塑料，在LSDYNA軟件中采用24號材料.根據人機工程學原理，扶手設計的關鍵尺寸是扶手的高度和間距，這取決于兩肘之間的寬度、肘部平放高度及人體寬度[8].扶手的高度一般取兒童上臂自然放置時的高度，本文針對六歲兒童的保護，故設置為125 mm.據兒童兩肘寬度，設置兩扶手間距為270 mm.

與成年人相比，兒童頭部重量相對自身體重所占比例較大.成年人的頭部僅占整個體重的6%，而嬰兒的頭部重量相當于全身重量的一半，3歲和6歲兒童頭部的比重，分別為整個體重的18%和16%.兒童心臟在胸腔中占有的比例大于成人心臟在胸腔中占有的比例.兒童從3歲至青春期，頸部發育不完全，其頸部軟骨是一個逐漸骨化的過程，肌肉和韌帶也未完全形成[9]，因此兒童乘員若不正確使用約束系統，在發生事故時很可能導致頸部損傷風險的增加.因此，本文主要選取頭部、胸部和頸部的傷害作為兒童傷害的主要評價指標，同時選用頭部Y軸位移（以假人頭部重心位置面部正前方為X軸，左方為Y軸，正上方Z軸）作為參考.另外，由于本文模型中采用三點式安全帶，易導致兒童產生“座椅帶癥狀[9]”損傷，因此選用臀部加速度作為參考評價指標.

2.2仿真試驗結果

仿真計算后，在MADYMO中提取假人頭、胸、骨盆加速度曲線、頭部Y軸位移和頸部Nij曲線，進行濾波后，結果分別如圖5～圖9所示.截取頭部Y軸位移最大時仿真動畫的圖片，如圖10所示.為更好地對比兒童假人的傷害，分別對頭、胸、骨盆加速度曲線、頭部Y軸位移以及頸部Nij曲線進行計算，得到假人頭部損傷準則HIC36 ms、胸部3 ms加速度，骨盆最大加速度apmax、頭部Y軸最大位移Dmax以及最大Nij值如表2所示.

2.3仿真試驗的結果分析及結論

2.3.1無扶手仿真結果分析

由表2中仿真1的結果可知，6歲兒童的頭部HIC36 ms的值為205，遠遠小于人體的耐受限值1 000，這是由于內置式兒童安全座椅位于后排座椅中間，兒童假人頭部未與車內飾件發生碰撞接觸；胸部3 ms加速度值小于耐受限值60 g，但其值仍較大，易對兒童乘員造成傷害，這是由于對只有安全帶的假人進行約束且集中于胸腹部從而導致其值較高；頸部損傷值Nij小于耐受極限值1，但其值仍較大.本文采用的是6歲兒童假人，對于年齡更小的兒童，由于其頭部占身體比重比較大且頸部更脆弱，易造成致命傷.另外由動畫結果（圖10）可知，碰撞中，兒童假人頸部被安全帶勒住；碰撞后，兒童假人從安全座椅座墊滑落，頸部仍被安全帶勒住，易造成窒息死亡[10].結論：本文采用的內置式兒童安全座椅對兒童的傷害主要集中于頸部和胸部，且易造成窒息死亡，而頭部傷害較小.

2.3.2有無扶手的影響分析

通過仿真1與仿真2和仿真3的結果對比可發現，對于有扶手的座椅，假人頭部HIC36 ms值、胸部3 ms加速度值、骨盆加速度值均增大，頸部Nij值略有減小或不變.通過對比動畫結果可得，扶手的增添限制了假人臀部的偏移，同時導致兒童身體側傾使頭部Y軸最大位移Dmax變大.與無扶手時身體能夠整體側移相比，假人頭胸部與臀部的相對位移變大，因而導致頭、頸、胸部傷害值均增大.但由動畫（圖10）可知，兒童假人未從座墊滑落，但在碰撞過程中頸部仍舊被勒住，可在一定程度上避免安全帶勒緊造成的窒息死亡.但對于其他位置的兒童安全座椅，扶手的添加限制假人的移動從而避免假人與內飾件的碰撞，因此保護效果具有差異.結論：針對本文中的模型，座椅扶手的添加可能會對兒童乘員造成更嚴重的傷害，但能夠有效避免安全帶勒住而造成的窒息死亡.此結論只適用于后排中間位置內置式座椅，對于其他位置的座椅，影響效果需進一步研究.

2.3.3扶手類型的影響分析

仿真2與仿真3中座椅扶手分別是面式扶手和桿式扶手，由仿真結果可得，其頭部HIC36 ms值、胸部3 ms加速度值、頸部Nij值都比較相近，但桿式扶手的骨盆加速度峰值特別大，達到93 g，結合動畫分析可得，由于假人腰部被扶手限制，而臀部未被限制，致使其骨盆加速度峰值增加.由于兒童腰椎未發育完全，假人只有腰部被桿式扶手限制，致使腰腹部所承受載荷較大，易致傷害.結論：桿式扶手易對兒童腰部產生傷害，面式扶手相對于桿式扶手對兒童假人的保護具有更好的效果.

2.3.4側翼扶手組合的影響分析

仿真4是具有面式扶手以及側翼的座椅類型.與仿真1結果對比可發現，其頭部加速度在50 ms時與側翼發生碰撞，造成頭部加速度增加較大，其HIC36 ms為293，但仍遠遠小于耐受極限，因此可以不考慮其增加的影響.由于具有側翼的防護，頭部Y軸位移減小較多，頸部Nij明顯減小至0.415，對兒童頸部保護提供更好的效果，同時胸部3 ms加速度值也有一定程度的減小.兒童假人未從座墊滑落且碰撞中未發生頸部被勒住情況，有效避免兒童的窒息死亡.由于扶手和側翼的增加，該內置式兒童安全座椅的結構會更復雜，會增加座椅的成本.結論：具有側翼和扶手的座椅類型不僅能夠對兒童頸部和胸部提供更好的保護，而且能夠有效避免安全帶勒住而造成的窒息死亡，但結構較復雜，成本較高.

綜上所述，不同類型的座椅對6歲兒童乘員的頸部和胸部保護效果由好到差：側翼與扶手組合式>無扶手式>桿式扶手/面式扶手；對6歲兒童的頸部勒住而造成窒息的有效避免，由好到差：側翼與扶手組合式>面式扶手/桿式扶手>無扶手式.由此可知，扶手的作用主要在于限制兒童乘員從座墊滑落從而有效避免安全帶勒住兒童頸部而造成的窒息死亡，側翼的主要作用在于保護兒童假人頸部及胸部.具有側翼和扶手相結合的兒童座椅能對兒童乘員提供更好的保護.

3扶手高度對兒童乘員的影響

具有側翼和扶手相結合的兒童安全座椅能更好地為兒童乘員提供保護，因此選用此種類型的座椅模型進行進一步研究.扶手的高度對假人的臀、胸的運動狀態具有較大的影響從而影響頭頸部的傷害，因此本文主要研究扶手高度對兒童乘員的影響.

將兒童座椅的扶手高度分別設置為80，100，120，140和160 mm，對應仿真編號分別為5，6，7，8，9.在側面碰撞試驗中，假人的頭部HIC36 ms值較低，而臀部的傷害一般較小，因此主要考慮胸部和頸部傷害.仿真結果經計算后獲得假人胸部3 ms加速度值及頸部Nij值，見表3.假人胸部3 ms加速度值及Nij值隨扶手高度變化情況傷害值及其擬合曲線如圖11所示.

仿真5～9中兒童假人胸部3 ms加速度值及頸部Nij值隨著扶手的增大先減小后增大，胸部3 ms加速度值在扶手高度為142 mm時，傷害最小，頸部Nij值在扶手高度為113 mm時，傷害最小.結合仿真動畫可知（如圖10（a）效果相似），扶手高度太低，兒童乘員腿部從扶手上部越過，對假人的限制作用減弱，導致假人胸部及頸部傷害增大；扶手高度過高時，對兒童假人的限制作用較大，缺少緩沖，導致胸部和頸部傷害變大.另外，扶手高度過高，不便于兒童乘坐.

綜上所述，扶手在高度適中時（110～140 mm），即能對6歲兒童乘員的胸部和頸部都能夠提供較好的保護，又便于兒童乘坐.

4結論

1）本文采用多剛體軟件MADYMO與有限元軟件LSDYNA耦合的方式進行仿真計算，能夠有效利用有限元座椅變形的精確性以及MADYMO在對假人計算時具有精度高、效率高和數值穩定的特點.

2）在現有的后排中間內置式兒童安全座椅的基礎上，對原座椅形式、面式扶手座椅、桿式扶手座椅以及面式扶手及側翼相結合的4種類型內置式兒童安全座椅進行側面碰撞仿真分析，根據兒童假人各個部位的傷害分析其原因和結論，最終得出：扶手能夠限制兒童乘員從座墊滑落而有效避免安全帶勒住兒童頸部造成的窒息死亡，側翼能夠保護兒童乘員的頸部和胸部，扶手與側翼組合的座椅能夠對兒童提供最好的保護.

3）對于選用側翼和扶手相結合的座椅結構，對不同扶手高度的模型進行了對比仿真分析.最終結論：扶手高度適中的座椅能對兒童乘員的胸部和頸部都提供較好的保護，且便于兒童乘坐.

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