偏置碰撞兒童安全座椅臺車試驗方法研究＊

朱宜燦 錢宇彬 肖凌云 王琰 劉凱

（1.上海工程技術大學，上海 201620；2.國家質檢總局缺陷產品管理中心，北京 100020；3.國家機動車產品質量監督檢驗中心，上海 201805）

主題詞：偏置碰撞 兒童安全座椅 臺車試驗

1 前言

隨著兒童約束系統的日益推廣，兒童乘車安全得到很大的改善，但交通事故仍是導致0～14歲兒童死亡的主要原因之一[1-2]。動態試驗是評價兒童約束系統安全性能的重要方式，其結果將直接決定約束系統的性能優劣[3-4]。目前，常見的兒童約束系統評價方法主要有 Euro-NCAP、ADAC、J-NCAP 和 C-NACP，Euro-NCAP增加了40%偏置碰撞下的兒童約束系統安全性能的評價，而其它評價方法只關注了全正面碰撞下的保護效果。

文獻[5]通過仿真探討了偏置碰撞工況下兒童約束系統的保護效果，本文基于該文獻中仿真方法，從實際事故數據出發，進行了3歲兒童乘員在40%偏置碰撞下的臺車試驗方法研究，為偏置碰撞狀態下兒童約束系統性能評價提供技術基礎。

2 兒童交通事故統計分析

兒童交通事故數據樣本來自國家車輛事故深度調查體系數據庫（NAIS）[5]，共篩選樣本62個，涉及乘用車62輛，兒童乘員67名。其中使用兒童約束系統的僅有1例，傷亡總數為33人。以下將從碰撞重疊率、碰撞速度來探討兒童乘員傷害特征。

2.1 碰撞重疊率及等效壁障速度

2.1.1 碰撞重疊率

參考國際現有正面碰撞形式[6]，將碰撞重疊率分為4大類進行研究，分別為0～25%的小偏置碰撞、25%～50%的偏置碰撞、50%～75%的偏置碰撞及75%～100%的大重疊碰撞。在62輛事故車輛中，4種碰撞重疊率的事故車輛數分別達到16輛、25輛、4輛和17輛，如圖1所示。其中占比最高的碰撞重疊率類型為25%～50%，其發生頻率達40.3%，即偏置碰撞在實際交通事故中占比非常高；其次為75%～100%，其發生頻率達27.4%。

圖1 汽車碰撞重疊率分布示意

2.1.2 等效壁障速度

根據正面碰撞相關國家標準，碰撞車速與交通事故中根據車輛變形量計算出的等效壁障速度相當[7]。其中，涉及兒童乘員的交通事故等效壁障速度分布如圖2所示。由圖2可看出，速度在50 km/h左右的事故最多，共12例，速度在60 km/h以下的事故占54.8%；速度在80 km/h以下的事故占80.6%。

圖2 汽車碰撞等效壁障速度分布

2.2 兒童乘員傷害特征

兒童乘員傷亡信息主要包括受傷部位（頭部、頸部、胸部、腹部以及下肢等）、受傷程度（按基于人體解剖學的簡明傷害評分AIS（Abbreviated Injury Scale）標準分為AIS0～AIS6共6個等級，等級越高傷害越嚴重）和致死原因（顱腦損傷、呼吸系統衰竭、創傷失血性休克和交通事故復合傷）等[8]。將兒童乘員的傷害特征及致死原因按碰撞類型進行統計，如圖3和圖4所示。

圖3 兒童乘員傷害特征與碰撞類型關系

圖4 兒童乘員致死原因與碰撞類型關系

由圖3可看出，當碰撞重疊率為25%～50%時，兒童乘員的傷亡人數最多，比例達38.8%，其次為75%～100%的大重疊碰撞，兒童乘員的傷亡比例達28.4%；

由圖4可看出，偏置碰撞情況下兒童乘員因交通事故復合傷死亡的事故數量較多，在75%～100%大重疊率碰撞時，兒童乘員因頭部或胸部受到致命傷害的事故數量較多；

綜上所述，大部分兒童乘員傷害事故重疊率分布在25%～50%以及75%～100%區間，在國際現行的正面碰撞試驗方法中，100%剛性固定壁障碰撞試驗可有效代替75%～100%重疊率的交通事故，40%偏置可變形壁障碰撞試驗可有效代替25%～50%重疊率的交通事故。目前兒童約束系統的研究重點主要在全正面碰撞這一方面，故將對兒童安全座椅在偏置碰撞下的臺車試驗方法進行研究。

3 兒童安全座椅40%偏置碰撞實車試驗

為獲取兒童乘員在偏置碰撞下的運動特點及傷害特征，選取國內某一車型作為實車試驗車輛，參考GB 27887-2011《機動車兒童乘員用約束系統》及參考文獻[9]，配置兒童安全座椅與假人模型，據此在試驗車輛上安裝安全座椅與Q3兒童假人，如圖5所示。參考C-NCAP偏置碰撞具體試驗過程[10]，在64 km/h、40%偏置碰撞試驗工況下進行試驗，試驗主要采集Q3兒童假人各部位具體傷害值以及假人的運動過程。

4 兒童安全座椅40%偏置碰撞臺車試驗

4.1 仿真模型建立及驗證

對實車試驗所用兒童安全座椅進行三維掃描，建立了兒童約束系統臺車試驗CAE模型，如圖6所示。

圖5 實車試驗兒童安全座椅和假人安裝位置

圖6 兒童約束系統臺車試驗CAE模型

該模型主要包括標準座椅模型、兒童安全座椅有限元模型及5點式安全帶模型，并采用MADYMO假人庫中的Q3兒童假人進行仿真過程中損傷指標的測量。

運用該模型進行標準符合性測試仿真，并將兒童假人頭部位移情況和關鍵部位動力學曲線與實車試驗結果進行對標，仿真和試驗的頭部位移Dh變化對比如圖7所示，頭部3ms合成加速度ah、胸部3ms合成加速度ac曲線對比如圖8所示。

圖7 頭部位移變化對比

圖8 關鍵部位動力學響應曲線對比

由圖7可看出，仿真過程中假人頭部最大位移量與試驗相比相對滯后，但總體變化趨勢一致，故認為仿真過程中頭部前向位移量與試驗的一致性較高。

由圖8可看出，仿真與試驗的峰值及曲線走勢較為一致，誤差均在10%內，表明臺車試驗CAE模型可有效模擬臺車試驗。

4.2 仿真參數確定

以對標后的臺車試驗CAE模型為基礎，將標準座椅正下方的中心點作為旋轉中心，繞Z軸旋轉γ（取值8°、10°、12°）角度，以駕駛員側B柱與C柱之間門檻梁中心點處X方向的加速度波形為基礎，取其絕對值，將縮放比例值記為β，按β取值（85%、80%、75%、70%）的不同進行縮放，具體仿真加速度波形如圖9所示，共設計了12種仿真方案，具體仿真序列如表1所列。對試驗用加速度波形幅值進行縮放，仿真初速度與臺車試驗初速度相同，均為64km/h。

圖9 仿真加速度波形

表1 仿真方案

4.3 仿真結果

12種方案Q3假人關鍵部位仿真結果與實車試驗結果如表2所示，包括兒童假人的頭部3ms合成加速度ah、胸部3ms合成加速度ac、頸部彎矩My、頭部傷害指標HIC （Head Injury Criterion）。由表2可知，方案5與實車試驗假人傷害情況更接近，頭部HIC相差0.3%，頭部ah相差4.9%，胸部ac相差4.8%，頸部My相差7.2%，擬合度較高。

表2 實車試驗及各方案仿真結果

兒童假人關鍵部位動力學響應曲線對比如圖10所示，由圖10可看出，仿真結果與實車試驗結果吻合度較高，在峰值、走勢、脈寬各方面都有較好的一致性，故將偏置碰撞臺車試驗條件定為：標準試驗座椅旋轉10°，加速度波形取假人側B柱與C柱門檻梁X向加速度的80%。

4.4 臺車試驗結果

重新使用同款兒童安全座椅，按照臺車試驗邊界條件進行臺車試驗，臺車加速度波形及速度波形如圖11所示。

圖10 兒童假人關鍵部位動力學響應曲線對比

圖11 臺車加速度波形及速度波形

對實車試驗及臺車試驗中假人關鍵部位的傷害值進行對比分析，如表3所示，臺車試驗結果與實車試驗結果具有較好的一致性，Q3兒童假人關鍵部位傷害值相差不大，誤差在11%以內。

表3 實車試驗與臺車試驗結果對比

臺車試驗與實車試驗中假人運動過程對比如圖12所示，由圖12可看出，臺車試驗中假人的運動過程與實車試驗具有較高的一致性。

圖12 臺車試驗與實車試驗中假人運動過程對比

兒童假人關鍵部位動力學響應對比如圖13所示，由圖13可看出，臺車試驗結果與實車試驗結果吻合度較高，在峰值、走勢、脈寬各方面都有較好的一致性，故此臺車試驗方法可有效復現偏置碰撞實車試驗。

圖13 兒童假人關鍵部位動力學曲線對比

5 結束語

在偏置碰撞時，根據兒童安全座椅實車碰撞和仿真試驗結果，探討了其臺車試驗可行性，在選定的臺車試驗條件下，臺車試驗結果與實車試試驗結果具有較好的一致性，Q3兒童假人關鍵部位傷害值相差不大，誤差在10%以內。從臺車試驗與實車試驗的結果對比來看，此臺車試驗方法可有效復現偏置碰撞實車試驗。