1.5歲兒童假人頸部傷害預測分析

婁磊杜北華徐哲

（1.中國汽車技術研究中心，天津300300；2.長春富維安道拓汽車飾件系統有限公司，長春 130033）

主題詞：兒童假人 兒童約束系統 碰撞試驗 頸部傷害

1 前言

研究表明，在正面碰撞事故中，兒童頸部受傷極為嚴重，約60%～80%的兒童脊椎損傷發生在頸部[1-2]。兒童假人是兒童約束系統(CRS)測試中非常重要的試驗設備,現行的國家標準GB 27887—2011與歐標ECE R44均采用P假人進行碰撞試驗，但是由于P系列兒童假人受制于測試設備的限制，這些標準中都沒有頸部載荷限值要求[3-4]，這也導致了目前試驗數據庫中普遍缺失兒童頸部傷害數據。

Q系列兒童假人結構更為復雜，具有更好的重復性、穩定性和仿生度，且能夠直接測量頸部受力情況。但是目前Q假人僅在歐標ECE R129中應用，并且由于頸部傷害數據的匱乏，并沒有提出頸部載荷相關限值要求[5-6]。在國標與CNCAP的升級改版中，同樣由于頸部傷害數據的匱乏影響了Q假人的導入和頸部傷害限值的提出。

針對上述問題，本文分析了P1.5假人與Q1.5假人頭、頸部的傷害規律，得出了利用頭部加速度估算頸部傷害的方法，該方法可補充P1.5假人試驗中頸部傷害數據的空白。

2 試驗條件

2.1 試驗方法

參考CNCAP車用兒童約束系統評價規程中嬰兒組正面碰撞測試方法,利用加速式臺車設備進行P1.5假人與Q1.5假人對比試驗，試驗波形應位于圖1中陰影區域，試驗速度變化量應控制在]。為避免試驗中出現不可預計的異常數據，同一型號樣品、同一試驗工況下分別進行兩次試驗。

兒童約束系統后向安裝于試驗車后排座椅，采用ISOFIX下固定點系統固定兒童約束系統，支撐腿作為附加抗反轉裝置，如圖2所示。

圖1 試驗加速度波形要求

圖2 兒童座椅及試驗假人安裝方式

2.2 P1.5假人與Q1.5假人結構差異

表1為P1.5假人和Q1.5假人尺寸及質量對比，由表1可知，Q1.5假人坐高與P1.5假人只相差4 mm，因此頭部與兒童約束系統接觸位置基本一致。兩種假人的肩寬相近，臀寬相差20 mm。兩種假人的頭部、大腿、總體重均相差較小，只是Q1.5假人降低了軀干質量，該部分質量轉移到手臂部分。由此看見，P1.5假人與Q1.5假人的各部位尺寸、質量差異并不顯著，因此兩種假人的試驗數據具有一定可比性。

表1 P1.5假人與Q1.5假人尺寸及質量對比

Q系列兒童假人的頭部加速度傳感器與頸部載荷傳感器均固定連接在同一剛體上，如圖3所示。因此在碰撞過程中，頭部與頸部測量坐標系始終保持方向平行。

圖3 Q系列兒童假人假人頭頸部安裝示意

3 試驗結果及分析

3.1 試驗波形輸入對比

4次試驗的速度變化量分別為52.11 km/h、52.28 km/h、52.22 km/h和52.38 km/h。試驗加速度波形如圖4所示，由圖4可看出，加速度波形均在上、下限范圍內，滿足預設試驗方法的要求。利用量化重復性指標“相關系數C.V值”評價試驗重復性，4次試驗的速度變化量的C.V值為0.19%，加速度峰值的C.V值為0.15%，表明試驗輸入一致性較好，為假人傷害分析提供了可比性前提條件。

圖4 試驗波形結果

3.2 假人傷害對比分析

試驗測試通道中，與頸部傷害相關的通道包括頭部加速度和頸部載荷，其信號方向符合SAE J211標準定義。主要傷害指標見表2。

由于頭部Y向加速度測量方向垂直于碰撞方向，所以其測量值很小，導致同一假人的兩次試驗的頭部Y向加速度相關系數C.V值較大，重復性很差，但由于其不在主碰撞方向，所以對整體試驗結果影響不大。除此之外，其它傷害指標的重復性很好，重復性相關系數C.V值均在4%以下。以下均采用同一假人的兩次重復試驗的平均結果進行對比分析。

3.2.1 頭部加速度

圖5為兩種假人頭部合成加速度曲線。與P1.5假人相比，Q1.5假人的頭部加速度響應較快，主波形峰值較低，脈寬更寬，這主要是由于兩種假人結構不同造成的，P1.5假人整體更為柔性，因此其響應滯后且集中。

表2 主要傷害指標試驗結果

圖5 兩種假人頭部合成加速度對比曲線

3.2.2 頸部載荷

在CNCAP車用兒童約束系統評價方法中，頸部張力使用頭部Z向加速度表征，但是表征精度并不理想，如圖6所示，在相同試驗輸入條件下，P1.5假人頭部Z向加速度乘以頭部質量所得的Z向慣性力與Q1.5假人頸部傳感器直接測量的張力Fz差異巨大，甚至Q1.5假人自身的頭部Z向慣性力與頸部張力Fz都有很大差異。

圖6 兩種假人頸部張力Fz和慣性力

慣性力與頸部力的差異不僅存在于Z向，X向的慣性力與頸部力差異更為明顯，如圖7所示，兩假人頭部X向慣性力相仿，但是其與頸部剪切力Fx完全不相關，甚至方向相反。

圖7 頸部張力Fx和慣性力

由此可見，頭部慣性力不能直接表征頸部傷害嚴重程度。為此構建力學模型來分析頭部慣性力與頸部傷害差異的原因。

4 模型計算分析

4.1 建立力學模型

1.5歲假人作為嬰兒組、0+組兒童約束系統所能承載的最大假人進行測試使用，法規規定該組別兒童約束系統必須后向安裝，所以在前碰撞中，假人頭部與兒童座椅頭枕和靠背的相互作用很大。因此，頭部慣性力與頸部力差異明顯的原因在于頭部的受力不只來自于頸部，還有兒童座椅對頭部的支撐和摩擦。依此建立頭頸部受力模型，如圖8所示。

圖8 頭頸部受力模型

忽略頭枕對頭部的支撐力Fn與摩擦力Ft的實際角度偏差，近似認為Fn平行于X方向，向假人前方為正；Ft平行于Z方向，向假人下方為正。頭部加速度及頸部力的方向均依據SAE J211汽車碰撞試驗設備標準中對正負符號的方向定義。

應用建立的模型，將Ax和Az作為系統輸入、Fn和Ft作為過程量、Fx和Fz作為系統輸出，由此可利用頭部加速度Ax和Az預測頸部力Fx和Fz。

由受力關系可得：

式中，Ax(t)和Az(t)是頭部X向和Z向加速度關于時間的函數；Fx(t)和Fz(t)是頸部剪切力和張力關于時間的函數；Fn(t)和Ft(t)是頭部與兒童座椅靠背和頭枕的相互作用力的時間函數；m為假人頭部質量。

在碰撞過程中，頭部相對頭枕向上運動，由于碰撞過程短促猛烈，頭部與頭枕相對運動快速，因此忽略靜摩擦，可近似認為：

式中，μ為動摩擦因數，通過試驗實測得假人頭部與兒童座椅靠背、頭枕之間的動摩擦因數約為0.2。

式(1)～式(3)中，對于P1.5假人，存在Fx、Fz、Fn、Ft等4個未知量，因此還需要一個方程才可求解。而對于Q1.5假人，因為該假人裝有頸部載荷傳感器，所以只有Fn和Ft兩個未知量，因此可利用Q1.5假人數據尋找一個附加規律，再將此規律應用于P1.5假人，使其得到4個方程用于求解。

試驗數據分析發現，頭部X向慣性力與支撐力Fn具有高度相關性，二者形狀相同，如圖9a所示。支撐力曲線的積分面積約為X向慣性力曲線積分面積的1.3倍。將慣性力曲線乘以系數1.3，得到的曲線與支撐力曲線幾乎完全重合。由于該倍率關系是基于一款產品（型號A）的試驗結果得出，可能存在偶然性，因此進行了另一款兒童座椅（型號B）的碰撞試驗。采用相同的方法進行數據計算處理，結果如圖9b所示，其慣性力與1.3倍的慣性力重合度很高。由此可知，X向慣性力與支撐力線性相關，可得經驗關系式為：

求解方程（1）～（4），可得：

4.2 模型驗證

Q1.5假人裝有頸部載荷傳感器，可直接測量頸部剪切力Fx和張力Fz，因此將傳感器直接測量結果作為對標值，計為Q-Fx和Q-Fz；式(5)和式(6)的計算結果作為驗證值，計為Q-Fx-cal和Q-Fz-cal，通過對比驗證值與對標值的差異來驗證所建模型。

圖10為Q假人頸部力的計算值與實測值對比，由圖10可看出，計算與實測曲線較吻合。通過計算，頸部Fx偏差C.V為3.95%；頸部Fz偏差C.V為4.47%，計算值與實測值擬合度很高，表明該計算模型精度較高，可以用于預測計算。

圖9 頭枕支撐力和慣性力曲線

圖10 Q假人頸部力的計算值與實測值對比

4.3 應用模型估算P1.5假人頸部傷害

利用式(5)和式(6)計算P1.5假人頸部P-Fx-cal和PFz-cal，與Q假人實測值對比結果如圖11所示，由圖11可看出，兩種假人曲線走勢相似，P1.5假人響應稍慢，曲線峰值較高，脈寬較窄，這與P1.5假人剛度略低于Q1.5假人剛度的性能差異符合，表明了試驗結果的合理性。

由上述可知，應用所建立模型可以估算頸部損傷水平，補全缺失數據，利用模型計算數據表征頸部傷害的有效性高于頭部加速度直接替代的方法。

圖11 P假人頸部Fx和Fz值預測結果

5 結束語

在碰撞事故中，兒童頸部傷害嚴重，但是受制于P系列試驗假人的限制，相關標準法規中并沒有對頸部傷害限值提出要求，這導致了在現有試驗結果數據庫中兒童假人頸部傷害數據匱乏。針對此問題，本文進行了P1.5假人和Q1.5假人對比試驗，建立假人頭頸部受力分析模型，分析假人頸部受力情況，并利用Q1.5假人試驗數據驗證了模型，應用模型預測了P1.5假人頸部傷害，從而可以填補現有數據庫中P1.5假人頸部傷害的空白，增加兒童頸部傷害可用數據量。