正面碰撞中座椅對兒童傷害的影響研究

郭慶祥，王楠，董傳林，李新，張立玲

（1.北京汽車股份有限公司研究院，北京　100300；2.石家莊鐵道大學四方學院，河北　石家莊　051132）

正面碰撞中座椅對兒童傷害的影響研究

郭慶祥1，王楠2，董傳林1，李新1，張立玲1

（1.北京汽車股份有限公司研究院，北京100300；2.石家莊鐵道大學四方學院，河北石家莊051132）

分析正面碰撞中座椅坐墊對兒童約束系統（CRS）的影響，主要考慮第二排座椅坐墊的傾角及坐墊剛度對兒童傷害的影響，以某轎車為基礎，采用MADYMO分析軟件建立汽車正面碰撞仿真分析模型，通過改變座椅坐墊傾角及坐墊剛度，探討對兒童傷害的影響。結果表明，增大座椅坐墊傾角及坐墊剛度可減輕兒童頭部和胸部的傷害，但坐墊傾角及座椅剛度增大到一定值以后，頭部和胸部的損傷將不會明顯改善。

汽車；正面碰撞；座椅；兒童約束系統（CRS）

交通事故是造成中國兒童傷亡的重要原因之一。據統計，2010年中國交通事故造成2 690名兒童（1～15歲）死亡、14 733名兒童受傷。研究結果表明，正確使用兒童約束系統（CRS）可降低兒童71％的致命傷害和67％的嚴重傷害。中國汽車技術研究中心于2014年4月發布了具有中國特色的CRS評價規則，可見兒童保護越來越被重視。在汽車碰撞事故中，座椅作為減少損傷的安全部件起著決定性保護作用，在事故發生過程中能使乘員保持一定的姿態，以使CRS能充分發揮其保護效能。然而，CRS只有在正確使用的情況下才能充分發揮其保護作用。

該文結合國內外兒童安全座椅的研究現狀，通過有限元方法建立兒童乘員正面碰撞仿真模型，基于臺車試驗結果驗證仿真模型的有效性并對乘員損傷進行分析。通過正交試驗設計方法，分析座椅坐墊對CRS保護效果的影響。

1　仿真分析模型的建立及驗證

為了分析座椅坐墊傾角和剛度對汽車正面碰撞中兒童傷害的影響，以某型轎車兒童區相關參數為依據，采用MADYMO軟件建立仿真模型。該模型包括汽車地板、兒童座椅、安全帶、內飾及后座椅等車體模型，選用MADYMO分析軟件中自帶兒童P3歲橢球假人進行定位。將以上模型按實車工況定位，定義各部件的特性、載荷及各部件之間的接觸，從而構建完整的汽車正面碰撞兒童約束系統模型（見圖1）。

基于某型轎車實車試驗結果，對模型進行傷害值對標，結果見表1和圖2。從表1可以看出： MADYMO計算出的假人傷害指標與試驗值雖然存在一定誤差，但從計算與試驗的假人頭部、胸部加速度結果來看，關鍵指標的計算誤差均在10％之內。因此，可將該仿真模型作為基本模型進行研究。

圖1　汽車正面碰撞兒童約束系統仿真模型

表1　模型計算結果與試驗結果對比

2　坐墊對兒童保護效果影響分析

2.1評價指標

采用P3歲兒童假人的頭部3 ms加速度、頭部加速度峰值及胸部3 ms加速度作為評價指標。

在碰撞或回彈過程中，頭部接觸到車輛的任何部位或峰值合成加速度≥96g不得分，頭部沒有接觸CRS得4分；頭部3 ms合成加速度小于87g得滿分，大于100g為零分，處于之間時采用線性插值法計算得分；胸部3 ms合成加速度小于50g得滿分，大于66g為零分，處于之間時采用線性插值法計算得分。假人正面碰撞評價方法見表2。

圖2　仿真對標曲線對比

2.2基礎方案參數設定

（1）坐墊剛度α。坐墊剛度α通過座椅Z向最大壓縮位移來表示，壓縮間隔5 mm，采用8種不同壓縮量進行評估：α1=5 mm；α2=10 mm；α3=15 mm；α4=20 mm；α5=25 mm；α6=30 mm；α7=35 mm；α8=40 mm。

（2）坐墊傾角β（坐墊與地面夾角）。利用上述兒童約束系統模型，采用5種不同座椅坐墊傾角進行仿真分析：β1=10°；β2=15°；β3=20°；β4=25°；β5 =30°。

表2　假人正面碰撞評價指標

對α和β采用正交分解法得到5×8仿真分析矩陣，通過計算可得到頭部3 ms合成加速度ah、頭部峰值加速度amax和胸部3 ms合成加速度ac的兒童傷害值。

2.3保護效果影響分析

根據上述設定進行仿真分析計算，結果見表3。由表3可知：增大座椅坐墊傾角可減輕頭部和胸部的損傷值，但座椅坐墊的傾角達到20°以后，頭部和胸部的損傷值將不會明顯改善；增大坐墊剛度可減輕兒童頭部和胸部的傷害，但指標達到25 mm以后，剛度繼續增大，頭部和胸部的損傷值將不會明顯改善。

表3　仿真分析計算結果

3　結論

（1）汽車兒童約束系統中，座椅坐墊傾角及剛度對兒童頭部和胸部傷害有影響。

（2）增大座椅坐墊的傾角及剛度可減輕兒童頭部和胸部的傷害，但坐墊傾角及剛度達到一定值以后，頭部和胸部的損傷值將不會明顯改善。

［1］公安部交通管理局.中華人民共和國道路交通事故統計年報：2010年［R].無錫：公安部交通管理科學研究所，2011.

［2］Kahane C J.An evaluation of child passenger safety： the effectiveness and benefits of safety seats［R].National Health Transportation Safety Administration， 2010.

［3］萬薇薇.汽車乘員約束系統仿真分析快速評價程序開發與應用［D].長春：吉林大學，2011.

［4］覃禎員，王欣，顏長征，等.客車乘客座椅布置對乘員損傷影響的試驗研究［J].客車技術與研究，2011（4）.

［5］葉松奎，吳長風，黃登峰.校車座椅動態試驗乘員損傷研究與優化［J].客車技術與研究，2014（5）.

［6］中國汽車技術研究中心.C-NCAP管理規則（2012年版）［R].天津：中國汽車技術研究中心，2012.

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