基于LS-DYNA的兒童座椅角度對Q3假人傷害分析

李君杰，梁亞妮，王昭辰

基于LS-DYNA的兒童座椅角度對Q3假人傷害分析

李君杰，梁亞妮，王昭辰

（中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司，天津 300300）

文章為解決新車型開發過程中后向安裝兒童座椅靠背角度最優設置問題，通過分析某車型實車碰撞試驗數據，基于LS-DYNA碰撞仿真分析軟件對實車進行對標后，優化分析某兩款兒童座椅靠背角度對Q3兒童假人的傷害影響，來闡述不同兒童座椅傾斜角度對兒童乘員的保護情況，為新車型兒童約束系統開發提供參考依據。結果表明：正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗（FRB）碰撞工況中，兒童座椅靠背傾斜角度，隨著傾斜程度的減小，假人傷害總體呈現出逐漸減小的趨勢。該研究為整車碰撞動態兒童保護評價，選定兒童座椅安裝傾斜角度提供借鑒。

兒童乘員保護；Q3假人損傷；兒童座椅靠背角度；后向安裝；LS-DYNA

根據世界衛生組織2018年發布的報告統計，道路交通傷害已經成為兒童和青年人死亡的主要原因之一，每年有1 000多名兒童死于車禍，約167 000名兒童受傷[1]。兒童約束系統（Child Res- train System, CRS）能在道路交通事故中對兒童起到顯著的保護作用，研究表明，對于4歲以下兒童，CRS可將其死亡率降低60%左右[2]，如果使用得當，CRS可將乘用車中3歲以下兒童的致命傷害減少71%[3]。美國國家公路交通安全管理局（National Highway Traffic Safety Administration, NHTSA）的交通事故統計也表明，兒童座椅能有效保護兒童乘員在交通事故中免受傷害或減輕傷害的程度[4]。由此可見兒童約束系統對于兒童保護的重要性，在車里正確選擇和使用兒童座椅是非常必要的。

美國、日本及歐盟等國家和地區都制定了針對兒童保護相關的市場準入法規，此外，各新車碰撞測試（New Car Assessment Program, NCAP）機構頒布的規程針對兒童保護在測試及評價方面提出了更加詳細且嚴格的要求。正面碰撞事故在碰撞工況中很常見，VIANO等人利用通用估計系統（General Estimation System, GES）研究了6 071 000起警方報告的輕型車輛撞車事故，其中正面碰撞占車輛碰撞事故的49%，占嚴重傷害事故的47%，占死亡事故的39%[5]。我國的《C-NCAP 管理規程（2021版）》[6]也在正面碰撞工況中增加了針對后排Q3兒童的傷害評價指標。

后向安裝的兒童座椅是CRS的一種常見形式，在預防死亡和減少傷害方面是非常有效的[7]。在正面碰撞中，后向安裝的兒童座椅通過兒童的背部傳遞碰撞力，同時保持頭部、頸部和脊柱對齊[8]。據NHTSA統計，2017年乘用車內有325名兒童因使用后向兒童約束裝置而獲救[9]，后向兒童座椅已被證明在保護幼兒方面非常有效[10]。

MANSFIELD等[11-12]在一項研究中分析了汽車座椅剛度和長度對兒童約束系統性能的影響，結論指出汽車座椅長度對兒童約束系統旋轉角度有一定影響，從而影響兒童約束系統對兒童的保護性能，但是，由于該研究的直接影響因子并非兒童座椅旋轉角度，所以并未有量化的關于旋轉角度對于兒童保護性能的結論性總結。黃建湘等[13]對兒童座椅造型、材料、功能方面的改良途徑進行了探討，其中兒童座椅旋轉角度對于兒童保護性能也是非常重要的因素，但是文中無實際的工程應用研究。郭慶祥等[14]通過單因素影響分析，確定了影響Q3兒童保護的主要因素包括兒童座椅形式、車身結構、第二排座椅坐墊剛度及傾角、兒童碰撞空間及車輛安全帶。采用正交試驗及極差分析法對各因素的靈敏度進行分析，結果表明，對于Q3兒童保護，座椅布置形式為主要影響因素，其次是車身結構，再次為二排座椅剛度和坐墊傾角。

大量研究都指明由于其他因素導致的兒童座椅角度對兒童保護有著明顯的影響，但是鮮有文獻直接量化研究兒童座椅角度對于兒童損傷的影響。在實際的工程應用中，兒童安全座椅類型以及座椅安裝角度對兒童均有不同的保護效果。所以為彌補研究空白和解決實際的工程應用問題，本研究根據對某實車正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗（Frontal impact test against rigid barrier with 100% overlapping, FRB）數據進行分析，通過選擇不同類型的兒童安全座椅和設置不同座椅安裝角度，在C-NCAP正面碰撞工況下進行仿真，通過分析兒童座椅約束系統的運動學和假人的生物力學，得出兒童座椅靠背角度對兒童乘員保護的影響，為兒童約束系統和車輛工程師提供數據參考。這些信息可以幫助工程師進行產品優化設計，協助提供產品安裝建議，以提高兒童的安全。本文研究可為后續兒童座椅開發設計以及座椅安裝傾斜角度提供數據支持。

1 兒童Q3假人評分規則

根據C-NCAP 2021版評分體系[6]，第二排兒童假人評價最高得分為4分，最低得分為0分。評價部位為兒童假人的頭部、頸部、胸部。

假人頭部得分通過測量假人相關指標而產生，第二排兒童假人頭部若在向前移動過程中未發生二次碰撞，則頭部評分只使用假人頭部3毫秒合成加速度計算得分。若在向前移動過程中與前排座椅、B柱等零部件發生二次碰撞時，頭部評分使用假人頭部傷害指數（Head Injury Criteria 15, HIC15）和頭部累積3毫秒合成加速度兩項指標分別計算得分，并取兩個中較低分作為頭部評分。頸部部位得分通過假人頸部張力z指標而產生。胸部得分通過測量假人胸部累積3毫秒合成加速度指標而產生。

以上三個部位的評價，均依托于各自部位對應的高低性能限值，高性能限值對應該部位的最高得分，低性能限值對應該部位的最低得分，處于兩者之間的測量值分別采用線性插值的方法得出相應分數，該分數采用四舍五入的方法保留到小數點后三位。Q3假人各部位高低性能限值及分值分配情況如表1所示：

表1 Q3 假人傷害高、低性能限值及分值分配

部位評價項高性能低性能極限值滿分 頭部HIC15有接觸<500>7007002 a3ms/g<60>8080 頸部Fz/kN<1.555>2.840 1 胸部a3ms/g<41>55 1

2 正碰兒童Q3假人傷害優化分析

2.1 仿真模型的建立

根據某車型計算機輔助設計（Computer Aided Design, CAD）數據，分別建立兩種兒童座椅安裝形式的約束系統仿真模型，即ISOFIX連接固定+支撐腿、三點式安全帶固定，如圖1所示。

圖1 正面碰撞兒童Q3假人仿真模型

2.2 仿真模型對標

根據實車碰撞試驗結果，針對ISOFIX+支撐腿安裝方式的兒童座椅進行FRB兒童Q3假人約束系統模型的對標，其中頭部合成加速度傷害曲線、頸部軸向張力z傷害曲線、胸部合成加速度曲線對標結果如圖2所示。

圖2 Q3兒童頭部、頸部、胸部傷害曲線對標結果

試驗與仿真對應傷害值如表2所示。

表2 假人關鍵部位傷害指標

方案頭部/g頸部/kN胸部/g 實車試驗40.491.21646.29 仿真對標41.391.26340.53

由圖2曲線可知，對標的頭部合成加速度曲線、頸部軸向張力曲線F、胸部合成加速度曲線與試驗接近，仿真模型與實車試驗一致性較好，可以將此仿真模型作為基礎模型研究該款兒童座椅靠背角度變化對兒童Q3假人各部位傷害的影響。

2.3 座椅靠背角度優化分析

以對標模型為參考基礎，調整不同的兒童座椅靠背角度，從最傾斜到直立進行角度設置，對應編號0－6，設置角度如表3所示。

表3 兒童座椅靠背調節角度方案說明

方案0123456 調節角度?10°基礎+2.5°+5.0°+7.5°+10°+20°

注：“?”向傾斜趨勢調整；“+”向直立狀態調整。

兒童座椅靠背角度調整狀態展示如圖3所示。

圖3 兒童座椅靠背旋轉角度狀態

根據兒童座椅靠背角度傾斜方案，相應調試仿真模型，經過仿真計算，傷害情況如表4及圖4所示。

表4 假人關鍵部位傷害指標

方案頭部/g頸部/kN胸部/g 053.171.53241.78 141.391.26340.53 238.581.11040.34 341.720.97342.98 446.560.90443.17

圖4 方案實施Q3假人傷害趨勢變化

由表4傷害值和圖4傷害變化趨勢可知，隨著兒童座椅靠背傾斜角度的減小，假人頭部傷害出現波浪式變化，但總體呈現減小趨勢；假人頸部傷害呈現線性減小趨勢；假人胸部傷害，從變化趨勢上觀察，變化波動較小。總體上，Q3兒童假人傷害隨著兒童座椅靠背傾斜角度的減小，假人傷害出現減小趨勢。

3 兒童座椅安裝角度驗證分析

為驗證前期兒童座椅安裝傾斜角度分析的結果，采用另外一款三點式安全帶固定的兒童座椅在實車碰撞試驗中的結果，進行仿真對標，然后優化調整不同的座椅安裝傾斜角度，觀察兒童Q3假人各部位傷害情況是否有相同的變化趨勢。此款兒童座椅基礎模型對標效果如圖5所示。

基于對標模型，其作為調整方案的基礎模型，進行座椅安裝角度調整方案的設定，方案如表5及圖6所示。

表5 兒童座椅靠背調節角度方案說明

方案01234 調節角度?10°?5°基礎+5°+10°

注：“?”向傾斜趨勢調整；“+”向直立狀態調整。

根據此款兒童座椅調節的安裝角度，相應更新后排座椅座墊與其接觸的角度，更新調試模型，進行仿真優化計算，兒童假人各部位傷害情況如表6及圖7所示。

表6 假人傷害指標

方案頭部/g頸部/kN胸部/g 048.450.83836.26 133.280.88529.86 236.150.99428.97 332.480.80226.99 430.610.65025.75

由表6結果和圖7變化趨勢可知，隨著此款兒童座椅安裝傾斜角度的減小，假人各部位傷害值總體呈現逐漸減小的趨勢，變化規律與上一款兒童座椅表現的趨勢一致，得到相互驗證。

圖7 方案實施Q3假人傷害趨勢變化

4 結論

本文通過分析兩款不同安裝類型的兒童座椅在正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗工況中的表現，引入兒童座椅安裝傾斜角度這一變量，對某車型有限元Q3兒童約束系統模型進行分析，以兒童Q3假人各部位傷害變化趨勢為依據，借助LS-DYNA碰撞仿真分析軟件進行單一變量分析，從中得到以下結論：

FRB工況中，對于后向安裝的兒童座椅，隨著兒童座椅靠背安裝傾斜角度的減小，假人傷害總體呈現出逐漸減小的趨勢，個別部位傷害值在小范圍波動，可根據優化目標，有針對地進行優化分析，進而選用合適的兒童座椅靠背傾斜角度。

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Analysis of the Injury of Dummy Q3 by Child Seat Angle Based on LS-DYNA

LI Junjie, LIANG Yani, WANG Zhaochen

( CATARC (Tianjin) Automotive Engineering Research Institute Company Limited, Tianjin 300300, China )

In this paper, in order to solve the problem of optimal setting of the backrest angle of a rear-mounted child seat during the development of a new model, the injury situation of Q3 child dummy is optimized and analyzed by analyzing the crash test data of a real car based on LS-DYNA crash simulation analysis software after the vehicle benchmarking, this paper expounds the performance defects of different tilt angles of child seats in vehicle collisions, so as to provide a reference for the development of child restraint system of new cars. The results show that: In the frontal impact test against rigid barrier with 100% overlapping (FRB) collision condition, as the angle of the child seat decreases, the injury of dummy show a gradually decreasing trend. The research provides reference for the dynamic child occupant protection evaluation of vehicle collision and the selection of child seats mounting tilt angle.

Child occupant protection; Injury of dummy Q3; Child seat back angle; Backward mounting;LS-DYNA

U461.91；U467.1

A

1671-7988(2023)17-94-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.017.017

李君杰（1989－），男，碩士，高級工程師，研究方向為汽車被動安全，E-mail:kaituo34234171@sina.com。