不同類型約束系統對6歲兒童胸腹部損傷防護效果研究

李海巖，周兵兵，阮世捷，婁 磊，賀麗娟，崔世海

（1.天津科技大學 現代汽車安全技術國際聯合研究中心，天津 300222；2.中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300）

如今，汽車走進了千千萬萬個家庭，兒童安全座椅的使用逐漸得到年輕父母的重視，人們對安全座椅的質量和保護效果也有了更高的需求。近年來，國內外學者對兒童安全座椅性能進行了廣泛研究，清華大學[1]、湖南大學[2-3]和上海交通大學[4]利用碰撞軟件對汽車正面碰撞和側面碰撞中的兒童約束系統對兒童乘員保護效果進行了分析。兒童安全座椅的質量是通過測試滑車試驗中兒童假人的相關參數來評價的。白中浩等[5]通過對臺車試驗進行設計，并分析Q6假人在碰撞過程中胸部的損傷情況，對兒童約束系統進行改進。歐美等發達國家對兒童安全座椅的研究較早，技術也較國內更成熟。EGGERS等[6]通過對Q6和Q10假人來評估車輛后排座椅中兒童乘員的安全性，得出Q6假人的胸部受安全帶等幾何參數影響較大，Q6假人更能真實地反映胸部的損傷機理。BEILLAS等[7]通過對Q6假人和有限元模型損傷的對比，可知上部偏轉傳感器可以更好地評估Q6假人的胸部損傷情況。

關于兒童胸部損傷的研究，OUYANG Jun等[8]通過對不同年齡組的兒童尸體胸部進行正面碰撞來研究兒童胸部的損傷。但由于尸體試驗的有限性，研究者通過構建有限元模型來進行研究。所應用的兒童有限元模型中，一種是基于成人縮放得到的兒童有限元模型，如MIZUNO等[9]通過縮放成人有限元模型，并根據測量學和統計學構建了3歲兒童胸腹部有限元模型進行損傷研究。另一種是基于人體CT圖像構建具有真實人體解剖學結構的胸腹部有限元模型，蔣彬輝等[10]構建了具有詳細解剖學結構的10歲兒童胸部有限元模型，并對其進行靜態加載試驗分析其有效性；天津科技大學崔世海等[11]通過建立完整的3歲和6歲兒童有限元模型，并進行試驗碰撞驗證，為后續兒童安全座椅的研究奠定基礎。

采用有限元模型進行仿真分析，一方面可以循環使用節省運算成本，另一方面還可以比假人輸出更多的內部器官參數，對兒童安全座椅新產品的前期開發和產品后期的碰撞驗證具有更大的指導作用，可以更細致地從人體各個器官的損傷情況來分析兒童安全座椅的性能，以及具體從哪一塊來對產品進行改進。本研究應用6歲兒童乘員有限元模型進行正面碰撞仿真分析，通過對比3種常用兒童安全座椅對兒童胸腹部損傷防護的影響研究，進一步討論不同的安全帶材料對兒童胸腹部防護的效果，以期對兒童約束系統的研發及消費者選擇產品起到參考作用。

1 有限元仿真模型

1.1 仿真模型介紹

本文采用前處理軟件Hypermesh建立汽車座椅和兒童安全座椅有限元模型，并對兒童安全座椅模型建立車用三點式安全帶，安全帶材料為彈性各向同性材料，模型共計1231296個單元，其中殼單元32570個，實體單元1198726個，安全座椅靠背高為682 mm，坐墊長為393 mm，寬為425 mm，厚度為56 mm，其中安全座椅中靠墊為泡沫，靠墊高為470 mm，厚度為36 mm。

仿真所用兒童有限元模型是本中心采用6歲兒童志愿者進行CT掃描圖像，并通過軟件Mimics對CT圖像進行處理，再進一步用逆向工程軟件Geomagic生成光滑度較高的模型，最后用軟件Hypermesh進行網格劃分獲取6歲兒童有限元模型。該模型所有單元均采用共節點進行連接，共計751510個節點和737729個單元，其中包含540508個體單元和197221個殼單元，該模型身高為113.5 cm，坐高為671 mm，體重為23.9 kg，胸寬為207.4 mm，胸厚為130.7 mm，胸圍為573.8 mm，其中6歲兒童有限元模型胸腹部單元數目為236507個，胸腔厚度為172 mm，胸腔寬度為210 mm，模型具有較為完整的內臟器官、骨骼組織、肌肉組織、韌帶、皮膚和脂肪等。

1.2 仿真試驗設置

仿真選用如今市場上比較流行的兒童安全座椅及安裝方式，即自帶五點式安全帶兒童安全座椅 （圖1a），車用三點式安全帶有靠背增高墊安全座椅（圖1b）和車用三點式安全帶無靠背增高墊安全座椅（圖1c），在研究中分別被定義為仿真1、仿真2和仿真3，將不同安全帶材料的自帶五點式安全帶織帶兒童安全座椅定義為仿真4。仿真模型組成如圖2a所示，包括汽車座椅、安全座椅、泡沫墊和安全帶。仿真類型簡介見表1。

圖1 仿真模型

表1 仿真類型簡介

依據歐洲ECE R129法規，該仿真設置為正面碰撞試驗，仿真模型為6歲兒童有限元模型、4種兒童安全座椅和汽車座椅，仿真初速度為50 km/h，豎直方向加載9.8 m/s2的重力加速度，加速度曲線為某款車型臺車試驗碰撞（圖2b）獲取的后排座椅加速度曲線（圖3）。將初速度和臺車試驗獲取的加速度曲線施加到汽車座椅及兒童安全座椅上，加速度方向與實車碰撞速度方向相反，所有模型均加載豎直方向的重力加速度。

圖2 仿真與臺車試驗裝置

圖3 臺車輸入的加速度曲線波形

4組仿真試驗中汽車座椅定義為剛體，兒童安全座椅材料為一體式塑料，約束系統材料均是參考KAPOOR等[12-13]的試驗所得，見表2。汽車座椅本身、汽車座椅與約束系統之間通過固連連接，兒童與安全座椅之間接觸定義為面面接觸，摩擦因數為0.3。仿真中所用人體有限元模型為衛志強等[14]建立的具有詳細解剖學結構的6歲兒童有限元模型。

表2 安全座椅和安全帶材料參數

2 仿真結果

2.1 仿真試驗結果

在Pam-Crash軟件中提取人體軀干角度值，如圖4所示，圖5和圖6分別為胸腹部安全帶侵入量，圖7和圖8分別為胸腹部粘性準則VC值，圖9和圖10分別為胸腹部各個器官的最大第一主應變值及云圖，有限元模型傷害值見表3。

圖4 六歲兒童有限元模型軀干角度曲線

圖5 六歲兒童有限元模型胸部安全帶侵入量

圖6 六歲兒童有限元模型腹部壓縮量曲線

圖7 六歲兒童有限元模型胸部粘性準則VC值的時間歷程曲線

圖8 六歲兒童有限元模型腹部粘性準則VC值的時間歷程曲線

圖9 六歲兒童有限元模型胸部實體器官最大第一主應變值

圖10 六歲兒童有限元模型腹部實體器官最大第一主應變值

表3 有限元模型傷害值

2.2 仿真試驗結果分析

2.2.1 不同類型兒童安全座椅的結果分析

軀干角度的定義為臀部關節和肩部關節連線與垂直方向之間的夾角，用來表述人體的運動學特征。由軀干角度的定義可知軀干角度越大，身體下潛趨勢越明顯，損傷的風險越高。由圖4可知，6歲兒童有限元模型的初始軀干角度為20.32°，仿真1中6歲兒童有限元模型最大軀干角度為21.51°，仿真2最大軀干角度為20.66°，所以仿真1軀干角度較大；從圖4可以看出仿真1和2軀干角度變化趨勢，可知仿真1下潛趨勢較為明顯。

胸部損傷指標有粘性準則VC值和簡明損傷定級標準（Abbreviated Injury Scale，AIS），粘性準則VC值表示胸部變形量相對于時間的變化率，用于評價胸部軟組織的損傷情況。

式中：D(t)為胸部壓縮量時間函數，mm；b為胸部初始厚度，mm。

由表3可知，仿真1的胸部和腹部最大壓縮量分別為18.5 mm和15.7 mm，而仿真2的胸部和腹部最大壓縮量分別為22.5 mm和15.8 mm，仿真1的胸部和腹部最大壓縮比為23%和18.66%，仿真2的胸部和腹部最大壓縮率分別為28%和18.81%，由于仿真2胸部壓縮量比仿真1大5%，所以仿真1對胸部保護更好。由圖5胸部壓縮量曲線可知，仿真1和仿真2出現3個波峰，此時會對胸部造成損傷，在66 ms時，胸部壓縮量達到最大值，極易對兒童造成傷害。

AIS公式是VIANO等[15]獲得的AIS與胸腹部壓縮比的關系式。

式中：C為壓縮準則，即胸部擠壓指標，是指胸部壓縮量與厚度的比值。

根據兒童與成人之間的身高比例進而縮放得到6歲兒童有限元模型AIS和胸腹部壓縮量之間的公式為：

根據式（2）和式（3）可以計算得出6歲兒童有限元模型在仿真1和仿真2的胸部損傷AIS級別分別為0.44級和1.09級，腹部損傷AIS級別分別為0.72級和0.35級。根據式（3）得出的結果為仿真1的胸部損傷低于仿真2，腹部損傷仿真1高于仿真2，此結果與胸腹部壓縮量結果一致。

根據VIANO等[15]得出的AIS，即當粘性準則VC值大于1 m/s時，人體發生AIS≥4的可能性為25%。由圖7和圖8可知，6歲兒童有限元模型仿真1和仿真2胸部最大VC值分別為0.12 m/s和0.16 m/s，6歲兒童有限元模型仿真1和仿真2腹部最大VC值分別為0.11 m/s和0.20 m/s。因此，可以得出6歲兒童有限元模型胸腹部發生輕度損傷或者不損傷的可能性較大，仿真1胸腹部VC值均小于仿真2。另一方面，由圖7胸部VC圖像可知，有3個明顯的波峰和波谷，3個波峰時刻會對兒童造成不同程度的損傷，在時刻58 ms時對兒童傷害最大；由圖8腹部VC圖像可知，仿真2在120 ms時，腰帶對兒童腹部損傷參數激增，這是由于腰帶與腹部接觸力過大，并且在碰撞過程中腹部擠壓造成的。

由圖9和圖10可知，仿真1和仿真2中6歲兒童有限元模型胸腹部各個實體器官最大第一主應變值，仿真1和仿真2肺臟的最大第一主應變值分別為15%和16%，心臟最大第一主應變值分別為5%和10%。仿真1和仿真2肝臟的最大第一主應變值分別為17%和10%，腎臟的最大第一主應變值分別為24%和29%，脾臟的最大第一主應變值分別為19.0%和19.6%。仿真1相比于仿真2的胸腹部實體器官的損傷程度較小，僅有肝臟最大第一主應變值仿真2小于仿真1，從實體器官整體損傷程度可知，仿真1優于仿真2的試驗結果。此外，由表4中胸腹部各個器官最大第一主應變云圖可知具體的損傷部位，這可為后期對兒童座椅的改進提供具體參數參考。

表4 胸腹部實體器官第一主應變云圖

由仿真試驗結果可知，五點式兒童安全座椅對兒童胸部保護效果優于車用三點式安全帶有靠背增高墊安全座椅。對于腹部損傷來說，由于五點式安全帶在腹部相比于三點式安全帶節點更多，應力集中導致五點式安全帶對腹部損傷較大，需要改進兒童安全座椅安全帶來提高對兒童腹部的保護，這樣會進一步提高兒童安全座椅的保護性能。

2.2.2 增高墊安全座椅有無靠背結果分析

仿真2和仿真3是同類型的增高墊安全座椅。由圖4可知，6歲兒童有限元模型的初始軀干角度為20.32°，仿真2中6歲兒童有限元模型最大軀干角度為20.66°，仿真3最大軀干角度為19.89°。兩種兒童安全座椅下潛角度都沒有超過預定值，由軀干角度的定義可知軀干角度越大，身體下潛趨勢越明顯，損傷的風險越高。仿真2比仿真3的最大軀干角度大，則仿真2的下潛角度較大，損傷程度較大，但從整體的變化趨勢來看兩種兒童安全座椅變化幅度不大。

由表3可知，仿真2的胸部和腹部最大壓縮量分別為22.5 mm和15.8 mm，而仿真3的胸部和腹部最大壓縮量分別為24.0 mm和10.0 mm；仿真2的胸部和腹部最大壓縮比分別為28%和18.81%，仿真3的胸部和腹部最大壓縮率分別為30%和13.43%。由從胸部安全帶的侵入量和壓縮比可知，仿真2兒童安全座椅對胸部的保護優于仿真3，但根據腹部壓縮量可知，仿真3兒童安全座椅對腹部損傷較小。由圖5胸部壓縮量可知，仿真3和仿真2整體變化趨勢一致，但仿真3胸部壓縮量比仿真2大，所以仿真3對兒童胸部損傷較大。由圖6腹部最大壓縮量可知，仿真2容易對腹部造成傷害。

根據縮放公式計算可以得出6歲兒童有限元模型在仿真2和仿真3的胸部損傷AIS級別分別為1.09級和1.33級，腹部損傷AIS級別分別為0.35級和0.11級，由表3可知胸腹部AIS為輕度損傷，此結果與胸腹部壓縮量結果一致。

由圖7和圖8可知，仿真2和仿真3胸部最大VC值分別為0.16 m/s和0.18 m/s，腹部最大VC值分別為0.20 m/s和0.16 m/s，可見6歲兒童有限元模型胸腹部發生輕度損傷或者不損傷的可能性較大。由胸部最大VC值可知，仿真3對胸部損傷較大，由腹部VC值可知，仿真2對腹部損傷比仿真3大，此結果與胸腹部壓縮量結果一致。

由圖9和圖10可知，仿真2和仿真3的肺臟最大第一主應變值分別為16%和21%，心臟最大第一主應變值分別為10%和12%。仿真2和仿真3的肝臟最大第一主應變值分別為10%和37%，腎臟最大第一主應變值分別為29%和31%，脾臟最大第一主應變值分別為19.6%和50%。從胸腹部實體器官應變云圖（表4）的損傷程度可知，仿真2中有靠背增高墊座椅對胸部的保護更好。可根據表4中的最大第一主應變云圖損傷位置對兒童提供一定的保護措施。

根據胸腹部壓縮量，胸腹部粘性準則VC值，以及胸腹部實體器官最大第一主應變值可知，車用三點式安全帶有靠背增高墊安全座椅相比于車用三點式安全帶無靠背增高墊安全座椅在胸腹部保護方面更有優勢，所以對于消費者而言在選擇時建議盡量選擇帶有靠背的增高墊座椅。

2.2.3 不同安全帶材料結果分析

由表3中仿真4與仿真1的數據結果分析可知，仿真4中安全帶織帶對兒童胸腹部除肺部以外的其他實體器官保護較好。由兩種安全帶材料參數對比可知，安全帶織帶彈性模量較小，對兒童胸腹部器官損傷影響較為明顯。通過分析不同安全帶材料對兒童胸腹部的損傷數據結果可知，安全帶織帶對胸腹內部器官保護較好，兒童安全座椅設計者可以選擇不同的安全帶材料。

3 結論

通過對自帶五點式安全帶兒童安全座椅，車用三點式安全帶有靠背增高墊安全座椅，車用三點式安全帶無靠背增高墊安全座椅，以及不同的安全帶材料的自帶五點式安全帶織帶兒童安全座椅進行仿真試驗，根據兒童胸腹部損傷評價指標對比可以得出以下結論：

（1）根據自帶五點式和車用三點式有靠背兒童安全座椅對6歲兒童胸腹部各項損傷指標可知，自帶五點式安全帶兒童安全座椅對兒童胸腹部保護較好，再由胸腹部內部器官應變值和應變云圖可知，自帶五點式安全帶兒童座椅對兒童胸腹部損傷最小。

（2）由兩種增高墊座椅對6歲兒童的損傷情況可知，車用三點式有靠背增高墊座椅相對于無靠背更有利于減少兒童的損傷。

（3）由胸腹內部器官最大第一主應變值和云圖可知，對于不同安全帶材料的兒童安全座椅，自帶五點式安全帶織帶兒童安全座椅對兒童胸腹內部器官損傷較小。在兒童胸部保護方面，自帶五點式安全帶兒童安全座椅對兒童胸部保護更好，車用三點式無靠背增高墊安全座椅對兒童胸部的保護最差，容易在交通事故中對兒童胸部造成傷害。

（4）在實際生活中，消費者在給孩子選擇安全座椅時，建議選用自帶五點式安全帶兒童安全座椅和自帶五點式安全帶織帶兒童安全座椅，這兩種兒童安全座椅都可以有效減少6歲兒童胸腹部的損傷。