兒童安全座椅側面碰撞頭部保護研究*

呂孟寬，楊 欣，許述財，黃彬兵，李少鵬，霍 鵬，邊永亮

（1.河北農業大學機電工程學院，保定071000；2.清華大學，汽車安全與節能國家重點實驗室，北京100084；3.清華大學，蘇州汽車研究院（相城），蘇州215134）

前言

隨著私家車數量的不斷增加，交通事故成為威脅兒童生命安全的重要原因。我國道路交通傷害已成為0-17歲兒童傷害致死的第2位原因［1］。乘車中正確使用汽車兒童安全座椅可以有效降低兒童乘員的死亡率［2］，世界衛生組織報告指出，兒童乘員約束系統可使因乘車事故死亡的幼兒減少54%～80%［3-4］。歐洲ECE R129、ECE R44、美國FMVSS213和我國的《機動車兒童乘員用約束系統》標準等［5-6］，為研究兒童安全座椅在發生碰撞過程中兒童乘員運動響應和損傷情況提供了理論依據。

與真實碰撞試驗相比，仿真軟件具有降低開發成本、縮短研發周期等優勢。Park等［7］和Kapoor等［8-9］采用有限元仿真方法研究了兒童約束系統對兒童乘員的防護效果，通過臺車碰撞測試驗證了有限元仿真分析可代替部分臺車碰撞測試。曹立波等［10-11］建立了兒童乘員約束系統仿真模型和整車有限元模型，根據E-NCAP評價了約束系統對兒童乘員頭部的防護效果。臧孟炎等［12］通過仿真研究了某款汽車兒童安全座椅側面碰撞性能，發現側面碰撞時假人的頭部加速度峰值大于前、后碰撞的仿真值，說明汽車兒童約束系統側面碰撞是兒童約束系統研究的重要方向。張金換等［13］根據歐洲ECE R129法規中兒童座椅側面碰撞保護性能的要求，建立了側面碰撞臺車試驗系統。楊濟匡等［14-15］采用多體動力學軟件MADYMO進行兒童乘員側面碰撞仿真，優化了兒童約束系統和側面氣囊對兒童頭部的防護效果。Kapoor等［8］研究表明，側面碰撞過程中，在安全座椅頭枕中添加矩形截面吸能泡沫，可使假人頭部橫向位移減小44 mm。李海巖等［16］在已驗證的6歲兒童乘員有限元模型上，根據ECE R129法規模擬汽車的側面碰撞，對比分析了在安全座椅頭枕中填充EPS和PU兩種不同吸能泡沫對頭部的保護效果。

泡沫塑料作為理想的吸能材料，不僅要能吸收大量的動能，還要確保不會對頭部傳遞過大的作用力。EPP發泡材料具有吸能效果好、抗震抗壓能力強等優點，在汽車行業得到廣泛認可［17］。本文中在已通過試驗驗證的臺車仿真模型基礎上，將EPP材料作為兒童安全座椅頭枕部位填充材料，通過兒童假人頭部運動響應和損傷分析，對比了頭枕部位填充EPP材料和普通材料的保護效果。

1 側面碰撞仿真模型的建立

座椅仿真模型為一款國產汽車兒童安全座椅，基于ECE R129法規側撞動態加載試驗方法，建立臺車碰撞仿真模型，使用Q3假人有限元模型分析汽車側撞過程中兒童頭部運動響應和損傷情況。汽車座椅與門板之間距離為135 mm，安全座椅頭枕兩側厚度為40 mm，中間厚度為20 mm，對頭枕材料為普通材料的安全座椅進行仿真，普通材料采用MAT57（MAT LOW DENSITY FORM）材料卡片，設置材料密度為ρ=40 kg∕m3，彈性模量E=5 MPa。臺車碰撞仿真模型如圖1所示，圖2為臺車側撞門板速度波形圖［16］。

圖1 臺車側撞仿真模型

圖2 門板速度波形圖

2 側面碰撞仿真對標

為驗證仿真的準確性，利用建立的臺車側撞系統，將標定過的Q3兒童假人放入安裝普通材料頭枕的兒童座椅中，進行滿足ECE R129法規的側面碰撞標準試驗。初速度設置為25 km∕h，臺車總質量為830 kg，利用傳感器采集Q3假人頭部加速度，與仿真結果進行對比，碰撞過程運動狀態由高速攝像機（1 000幀∕s）獲取，試驗現場如圖3所示。

圖3 側面碰撞試驗圖

試驗采集Q3假人頭部加速度與仿真加速度曲線對比如圖4所示。在實際側撞試驗中，頭部合成加速度峰值偏大，最終測定兒童頭部加速度最大峰值為91.0g，出現在35.6 ms，仿真結果加速度最大峰值為84.1g，出現在36.8 ms。在臺車碰撞試驗中，61.5 ms處出現第二次加速度波峰，其原因為臺車上ISO FIX接口碰到限位塊，導致假人頭部與頭枕另一側發生碰撞，產生加速度，而在仿真中未設置該約束?？傮w而言，試驗結果與仿真結果數值差異在合理范圍之內，試驗結果與仿真結果曲線基本吻合，且都滿足ECE R129法規的要求，證明有限元仿真模型模擬兒童座椅側撞試驗的有效性。

圖4 試驗與仿真加速度對比圖

3 EPP泡沫材料的動態力學性能

3.1 EPP泡沫材料力學性能試驗

發泡聚丙烯（EPP）是一種聚合物泡沫材料，當受到壓縮時，其胞元微孔受到擠壓，微孔體積變化引起泡沫材料的形變，從而消耗沖擊能量，起到保護兒童頭部安全的作用。

試驗采用30倍發泡率EPP泡沫，統一選用邊長為50 mm的立方體試樣，在試樣不同位置測量，保證長、寬、厚的誤差在±1 mm之內。試驗前對樣本進行預處理，確保所有樣本均在溫度27℃±1℃，相對濕度70%±2%的條件下暴露24 h以上。設置應變率為單一變量，共分3組，每組試驗使用3個EPP試樣，每個試樣重復試驗5次，通過計算平均值獲取每個應變率速度下的平均應力-應變曲線，試驗方案如表1所示。參考標準GB∕T 8167—2008，采用萬能試驗機對EPP材料進行靜態單向壓縮試驗，設置應變率為0.001 s-1，動態單向壓縮試驗采用高速拉伸試驗機和跌落試驗機進行，通過貼片力傳感器記錄EPP試樣應變-應力曲線，低、高速攝像機在試驗過程中進行圖像采集。圖5為EPP材料50 s-1應變率的動態壓縮試驗圖。

表1 EPP材料力學性能測試

圖5 EPP材料應變率50 s-1的動態壓縮試驗圖

EPP材料不同應變率應變-應力曲線如圖6所示。隨著應變不斷增加，應力-應變曲線由平穩增長變成驟增，其原因是EPP材料進入緊實化變形階段，空穴幾乎消失，相對的空穴壁面開始接觸，固體本身受到擠壓。曲線與橫坐標軸圍成面積表示EPP材料單位體積吸收能量。由圖可知，EPP材料吸能大小隨彈性變形增大而增大，在曲線中間緩慢增長階段面積較大，該階段可吸收大部分沖擊能，雖然隨著曲線迅速上升，面積增大，但該階段空穴內的氣體壓縮連同孔面上出現的膜應力使EPP材料應力劇增，吸能效果大大減弱。通過對比可得，相同應變時，EPP材料應力隨著應變率的增大而增大，在快速沖擊條件下，能吸收更多的沖擊能，且應力劇增現象會提前。

圖6 EPP材料不同應變率的壓縮試驗結果

3.2 EPP泡沫材料力學性能表征

對EPP材料的精確表征和參數標定，是后續進行碰撞保護研究的重要前提。雖然通過EPP材料的力學行為研究得到了大量的力學特性相關的試驗數據，但在進行碰撞仿真前還須確定EPP材料在碰撞仿真中采用的材料模型和相應的材料模型的輸入參數。采用LS-DYNA仿真軟件，通過圓柱體壓縮EPP試樣得到壓縮載荷-位移曲線，圓柱體選用剛體材料MAT20來 模 擬，EPP試 樣 選 擇MAT83（MAT FU CHANG FORM）材料卡片進行相關材料參數標定。MAT83是基于統一的泡沫材料本構方程，可模擬常用的中低密度泡沫塑料，包含應變率效應，并有應變率敏感的卸載滯后特性。為模擬EPP的收斂性能，MAT83材料卡片中DAMP參數設置0.05，TBID中輸入3組不同應變率下的工程壓縮應力-應變曲線，通過標定HU和SHAPE參數模擬材料卸載特性。MAT83材料卡片參數標定如表2所示。

表2 MAT83材料卡片輸入參數

參考標準GB∕T 8167—2008制作EPP材料試樣，與仿真模型保持一致，使用跌落試驗機對其進行壓縮試驗，如圖7所示。將試樣放在連接有貼片力傳感器的支撐座上，平錘頭以50 s-1的應變率下落，考慮到試驗誤差的影響，重復試驗操作5次。

圖7 跌落試驗機壓縮試驗圖

EPP試樣在跌落試驗機的壓力作用下發生變形，得到載荷-位移曲線。試驗結果與仿真結果對比如圖8所示。由圖可見，在加載段吻合較好，仿真中通過標定HU和SHAPE參數模擬其卸載特性，使模擬結果在卸載起始段與試驗擬合較好，后期卸載載荷偏高。綜合來說，MAT83材料卡片能較好地模擬碰撞工況下EPP材料的力學響應。

圖8 MAT83材料模擬曲線與試驗曲線對比

4 仿真結果對比

4.1 兒童假人動態響應分析

圖9為安全座椅頭枕填充EPP材料后，與填充普通材料的運動響應對比。兩種頭枕座椅中兒童頭部與頭枕接觸力曲線如圖10所示。由圖可見，兩種頭枕座椅中Q3假人運動響應相似，與Q3假人頭部接觸力峰值都集中在34～64 ms之間，34 ms前和64 ms后接觸力幾乎為0。EPP材料頭枕座椅中兒童頭部在36.2 ms時刻與頭枕接觸力最大，為742.3 N，此時頭部最大加速度為59.7g；普通材料頭枕座椅中兒童頭部在37 ms時刻與頭枕接觸力最大，為1 075.3 N，此時頭部最大加速度為87.6g。

圖9 兩種頭枕座椅中兒童頭部響應對比

圖10 頭部與兩種頭枕接觸力曲線

4.2 兒童假人傷害指標分析

4.2.1 頭部加速度

汽車側面碰撞過程中，Q3假人頭部在重力、頭枕對頭部的碰撞力和頸部對頭部的作用力的作用下產生加速度，其大小是評價Q3假人頭部損傷情況的重要指標。

圖11為兩種材料頭枕座椅中Q3假人頭部X軸方向橫向加速度曲線對比。由圖可見，EPP材料頭枕座椅中假人頭部在36.1 ms時刻出現X軸方向加速度峰值20g；普通材料頭枕座椅中假人頭部在36.5 ms時刻出現X軸方向加速度峰值31.1g。在側面碰撞中，當頭部X軸方向位移較大時，Q3假人頸部會施加相反方向的力，使頭部恢復原位。相比之下，EPP材料頭枕座椅中的兒童頭部X軸方向加速度峰值比普通材料頭枕座椅小11.1g，峰值出現時間差異很小，EPP材料在一定程度上減小了頭枕對頭部的沖擊作用。

圖11 Q3假人頭部X軸方向加速度曲線

圖12為兩種頭枕座椅中Q3假人頭部Y軸（上下方向）加速度曲線對比。由圖可見，EPP材料頭枕座椅中假人頭部在34.6 ms時刻出現Y軸方向加速度峰值48.3g；而普通材料頭枕座椅中假人頭部在36.8 ms時刻，出現Y軸方向加速度峰值79.9g。側面碰撞過程中，Q3假人頭部在頸部和重力作用下，先向下運動，再恢復原位。相比之下，EPP材料頭枕座椅中Q3假人頭部Y軸方向加速度峰值明顯比普通材料頭枕座椅減小了31.6g，峰值出現時刻提前了2.2 ms。

圖12 Q3假人頭部Y軸方向加速度曲線

圖13為兩種頭枕座椅中Q3假人頭部Z軸方向（前后方向）加速度曲線對比。由圖可見，EPP材料頭枕座椅中假人頭部在41.5 ms時刻出現Z軸加速度峰值9.3g；而普通材料頭枕座椅中假人頭部在38 ms時刻出現Z軸方向加速度峰值11.4g。頭部Z軸方向加速度主要由頭枕與頭部碰撞產生，當頭部Z軸方向位移較大時，Q3假人頸部會施加相反方向的力，使頭部恢復原位。相比之下，EPP材料頭枕座椅中Q3假人頭部Z軸方向加速度峰值比普通材料頭枕座椅減小了2.1g，出現峰值的時刻延遲了3.5 ms，兩種頭枕座椅中Q3假人頭部均出現前傾現象。

圖13 Q3假人頭部Z軸方向加速度曲線

圖14為兩種頭枕座椅中Q3假人頭部合成加速度曲線對比。由圖可見，EPP材料頭枕座椅中假人頭部在34.6 ms時刻出現合成加速度峰值49.1g；而普通材料頭枕座椅中假人頭部在36.8 ms時刻出現合成加速度峰值84.1g。Q3假人頭部加速度波動范圍主要集中在25～60 ms之間，其他時間段加速度基本為0。相比之下，EPP材料頭枕座椅中Q3假人頭部合成加速度波動峰值比普通材料頭枕座椅顯著減小了35g，峰值出現時刻提前了2.2 ms。

圖14 Q3假人頭部合成加速度曲線

4.2.2 頭部性能指標HPC

HPC（head performance criterion）為ECE R129法規中評價頭部損傷情況的綜合指標。該指標通過大量的人體試驗數據統計得出［17］，其表達式為

式中：a為頭部質心在單位重力下測得的合加速度；t1、t2分別為頭部與撞擊物開始接觸和結束接觸的時刻，以秒為單位，為方便衡量損傷情況，一般取其時間間隔t2-t1=15 ms。

兩種頭枕座椅中兒童頭部損傷數值如表3所示，均滿足法規要求，安裝EPP材料頭枕的座椅比安裝普通材料頭枕座椅的HPC降低18.28，頭部3 ms加速度減小3.12g。證明EPP材料用于兒童安全座椅頭枕可有效保護兒童頭部，降低側撞事故中兒童頭部損傷值。

5 結論

通過臺車側撞試驗驗證了有限元仿真模型的有效性，為后續進行仿真提供基礎。對EPP材料進行了不同應變率壓縮試驗與材料卡片標定，在有限元座椅頭枕模型中填充EPP材料，與填充普通材料進行對比，驗證了EPP材料用于兒童安全座椅的防護效果，得出以下結論。

（1）通過壓縮試驗與有限元仿真對標，得到EPP材料在碰撞仿真中采用的材料模型和相應的材料模型輸入參數，MAT83（MAT FU CHANG FORM）包含應變率效應，并有應變率敏感的卸載滯后特性，能夠較好地模擬EPP材料頭枕在碰撞工況下的力學響應。

（2）采用有限元仿真方法，對比分析了EPP材料和普通材料的保護效果。結果表明，采用EPP材料后，Q3假人模型頭部HPC值降低了24.9%，頭部3 ms加速度降低了8.1%，證明EPP材料用于兒童安全座椅頭枕材料，可有效降低兒童頭部損傷，保護兒童頭部安全。