基于獨立碰撞工況的兒童約束系統參數優化

摘 要：為實現獲得專利的集成式兒童安全座椅在碰撞事故中對乘員的最佳保護，以6歲兒童乘員為研究對象，采用經驗證的約束系統模型，在正碰、側碰和追尾等3種汽車碰撞工況下，分別結合拉丁超立方、正交、均勻試驗設計方案和多項式響應面代理模型的方法，對座椅高度和座墊深度等設計參數進行碰撞仿真分析和優化設計仿真試驗結果表明，優化后約束系統兒童乘員損傷值在3種獨立的碰撞工況下均有顯著下降.

關鍵詞：兒童約束系統；碰撞工況；優化；仿真

中圖分類號： U463.836文獻標識碼：AOptimization of Child Restraint System Parameters

Based on Independent Crash Cases

在交通事故中，兒童雖然不是事故的主體，但是作為弱勢群體，在事故中受到的傷害卻是致命的.每年全球汽車碰撞事故造成超過260 000名兒童死亡，大約1 000萬兒童受傷或殘疾，在美國和加拿大，汽車碰撞事故是14歲以下兒童死亡和重傷的主要原因[1].在我國，據交通管理部門統計，2007年因道路交通事故死亡的人數為81 649人，12歲以下的兒童死亡人數為3 813人，其中車內兒童乘員的死亡人數為625人，占兒童交通事故死亡人數的16.4%[2].因此，如何提高兒童乘車安全問題日益受到國內外學者的關注.

歐美日等國家已制訂法規和標準強制要求車輛配置專門的兒童約束系統.我國在兒童乘員保護方面的研究還處于起步階段，還沒有正式的技術標準、法規.汽車的標準約束裝置，如安全座椅、安全帶、安全氣囊等，都是為成人乘員設計的，對兒童乘員達不到預期的保護效果.同時，汽車碰撞環境復雜，約束系統參數眾多，且各參數之間存在強烈的交互影響[3]，因此，單一碰撞工況下匹配有效的兒童約束系統，并不能保證在其他工況下對乘員有同樣的保護效果，有時甚至對兒童乘員造成致命傷害.

目前，清華大學、吉林大學、湖南大學等高等院校及研究機構在兒童約束系統建模與優化設計方面開展了卓有成效的工作，取得了一些研究成果，然而，在針對不同尺寸兒童乘員的自適應優化匹配方面，國內外還沒有進行深入、系統、全面的研究.

湖南大學學報（自然科學版）2012年第11期白中浩等：基于獨立碰撞工況的兒童約束系統參數優化1 集成式兒童約束系統模型

相關研究表明，兒童乘坐在后排座椅中間位置是最安全的[4].基于這一安全設計理念，近年來湖南大學曹立波教授帶領的科研團隊設計了一種置于汽車后排座椅中間的新型集成式兒童安全座椅（如圖1所示），并獲得了國家專利.與傳統座椅相比，該座椅適用于3～10歲兒童乘員，可根據兒童具體尺寸在一定范圍內實現無級調整座椅高度（座墊升高高度）和座墊深度（座墊X向長度），達到約束裝置與兒童乘員的正確匹配，從而更好地實現保護.

本項目組建立了該新型兒童約束系統的多剛體仿真模型[5]，并經運動學和動力學響應對比驗證了其可靠性.基于此模型，對6歲兒童乘員進行了正碰、側碰以及追尾碰撞等3種獨立工況下的參數優化.圖2為該系統的多剛體仿真模型，主要由后排兩側成人座椅模塊、中間集成式兒童座椅模塊、6歲兒童假人模塊和三點式成人安全帶模塊組成.