側面碰撞中兒童約束系統的仿真研究

劉軍 晏曉娟 賈林夕 王利明 程偉

（江蘇大學，鎮江 212013）

側面碰撞中兒童約束系統的仿真研究

劉軍 晏曉娟 賈林夕 王利明 程偉

（江蘇大學，鎮江 212013）

通過MADYMO軟件建立了側面碰撞臺車及兒童約束系統的仿真模型，并對所建立的模型進行了有效性驗證。在此基礎上，分析了側門不同侵入條件對兒童損傷響應的影響情況。研究結果表明，側門的侵入速度對兒童假人的各項損傷響應的影響較大，而侵入深度產生的影響較??；門板侵入方式的改變對兒童假人頭部的損傷響應影響顯著，而對胸部及骨盆的響應影響較小。建立的仿真模型有效可靠。

1 前言

近年來，兒童的乘車安全已經得到了越來越廣泛的重視，而側面碰撞則是造成兒童乘員傷亡的主要原因之一。有關研究報告指出，在側面碰撞事故中，有1/3的兒童乘員受到AIS3+級的損傷[1]；41%的兒童乘員受到MAIS2+級的損傷[2]；由于側面碰撞中被撞車門的侵入而產生的直接載荷,使坐在碰撞側兒童乘員受到嚴重損傷和致命傷的風險大大提高[3]。

在車輛交通事故中，兒童約束系統（Child Restraint Systems，CRS）對降低兒童死亡或嚴重受傷發揮著很大作用。目前兒童約束系統的設計和仿真研究有很多，如，A Eman等人[4]基于MADYMO剛體動力學分析軟件，對前向四點式約束系統進行建模，并分析了接觸表面材料特性對兒童乘員動態響應的影響；Marianne Johansson等人[5]在MADYMO環境下對前向式增高型兒童安全座椅模型進行多剛體模型建模，研究了發生正面碰撞時安全帶、安全座椅及兒童假人腳部支持方式等共9個參數對兒童乘員保護性能提升發揮的作用。但這些研究方法主要針對正面碰撞進行仿真及評估安全性能，對側面碰撞的仿真很少見。為此，本文利用MADYMO軟件建立了側面碰撞臺車及兒童約束系統仿真模型，并通過與側面碰撞臺車試驗對比分析來驗證模型的有效性。在此基礎上，研究了不同侵入條件對兒童約束系統中兒童損傷響應的影響。

2 側面碰撞臺車仿真模型的建立

車輛側面碰撞試驗臺車與正面碰撞試驗臺車的最大區別在于需要增加用于側面侵入的門板結構。國際上對于兒童約束系統側面碰撞臺車試驗還沒有統一的規定，所使用的試驗臺車主要分為加速型臺車和減速型臺車兩種。考慮到側門侵入方式對試驗結果的影響，參照ECE R129標準建立了側門以平行方式侵入的加速型側面碰撞臺車模型，同時參照ISO 29062標準建立了側門以旋轉方式侵入的減速型側面碰撞臺車模型。仿真模型主要包括臺車座椅模型和側面侵入門板結構。

2.1 加速型臺車仿真模型的建立

參照ECE R129標準建立了加速型側面碰撞試驗臺車仿真模型，標準試驗臺車的結構如圖1所示。在CATIA中對加速型側面碰撞臺車進行實體建模，模型主要包括試驗臺車骨架、泡沫座墊及靠背、側面侵入門板等。在不影響臺車主體結構的基礎上，對其非關鍵部位進行簡化處理，將臺車的CATIA模型轉換成.IGS類型的文件保存，并導入到Hypermesh中進行網格單元的劃分，如圖2所示。所建立的加速型側面碰撞臺車仿真模型如圖3所示。

圖1 標準試驗臺車結構

圖2 加速型側面碰撞試驗臺車網格劃分

圖3 加速型側面碰撞臺車仿真模型

2.2 減速型臺車仿真模型的建立

參照ISO 29062標準中用于前向式CRS的試驗臺車建立了減速型臺車仿真模型，ISO 29062標準設計的侵入門結構為可旋轉的鉸鏈門，前向式CRS試驗臺車試驗裝置如圖4所示。

在CATIA中對減速型臺車進行實體建模，模型主要包括試驗臺車骨架、泡沫座墊及可滑動座椅背、可旋轉的鉸鏈門等。為避免門板在侵入過程中與前向式CRS試驗臺車的座椅靠背相互作用，可將臺車座椅的椅背向門板一側移位100 mm放置。按照與加速型臺車同樣的方法對減速型試驗臺車的骨架和泡沫座墊部分劃分網格，建立的減速型側面碰撞臺車仿真模型如圖5所示。

圖4 前向式CRS試驗臺車試驗裝置

圖5 減速型側面碰撞臺車仿真模型

3 兒童約束系統仿真模型的建立

所建立的兒童約束系統仿真模型包括兒童安全座椅有限元模型、多體與有限元混合的三點式成人安全帶模型、多體與有限元混合的兒童安全座椅五點式安全帶模型、HybridⅢ型3歲兒童試驗假人模型等，根據某兒童汽車安全座椅尺寸建立三維模型。將該模型導入有限元前處理軟件Altair HyperMesh中進行網格劃分，建立研究所需兒童座椅有限元模型，如圖6所示。

圖6 兒童安全座椅有限元模型

兒童安全座椅由三點式成人安全帶固定，Hybrid III型3歲假人模型則由五點式安全帶約束在兒童安全座椅上。通過預模擬方法完成兒童假人在兒童座椅上的定位及兒童座椅在試驗臺車座椅上的定位，預模擬后假人和安全座椅的位置見圖7。

4 試驗驗證

為檢驗CRS及側面碰撞臺車仿真模型的有效性，按照兒童約束系統側面碰撞臺車試驗方法，給仿真模型施加與臺車試驗中一樣的加速度波形，在相同條件下進行臺車仿真試驗。圖8為模型中輸入的門板加速度及滑動座椅加速度波形。

圖7 預模擬后假人及安全座椅的位置

圖8 加速度脈沖

4.1 仿真模型的動力學響應驗證

為驗證仿真模型的動力學響應，將試驗所得的兒童假人動力學響應特性曲線及各傷害指標與仿真結果進行了對比，根據對比結果來評價仿真模型的準確性[6]。利用所建立的兒童約束系統仿真模型考察了兒童試驗假人的頭部、胸部、骨盆合成加速度曲線及主要傷害評價指標。表1為HybridⅢ型3歲兒童假人進行臺車試驗及仿真試驗所得各評價指標數值，其誤差范圍均控制在12%以內。

表1 仿真與臺車試驗各評價指標對比

圖9為試驗和仿真所得的動力學響應特性曲線。由圖9可看出，仿真模型得出的兒童假人各評價指標的合成加速度曲線與臺車試驗所得的相應曲線吻合較好，曲線的趨勢、脈寬和峰值范圍也非常接近，表明該模型對兒童損傷情況的預測基本滿足要求，可認為該模型的動力學響應是準確的。

4.2 仿真模型的運動學響應驗證

仿真試驗中的兒童假人不僅要在動力學響應上與試驗假人匹配度較高，在整個碰撞過程中假人各時刻姿態、運動狀態也應該與試驗假人有比較高的相似度，只有在動力學響應和運動學響應上均保持較高的相似度，才能說明此仿真模型是有效和可靠的。仿真模型中的兒童假人和試驗假人在碰撞中各時刻的運動姿態如圖10所示。

圖9 兒童假人各評價指標的合成加速度曲線

由圖10可看出，不同時刻臺車試驗與仿真試驗中的兒童假人運動姿態比較相似，進一步說明了該仿真模型是有效的，可用于后續的兒童損傷響應分析研究。

圖10 不同時刻兒童假人試驗與仿真運動姿態對比

5 侵入條件對兒童損傷響應影響分析

車輛在發生側碰時最主要的傷害原因為側門結構的侵入[7]。通過對實車側面碰撞事故中碰撞特點的分析，選取侵入速度、侵入深度及門板的侵入方式作為研究對象，將頭部質心合成加速度aH、胸部合成加速度aT、骨盆合成加速度aP、頭部損傷準則HIC15、胸部損傷評價指標T3ms作為評價兒童乘員損傷的參數，采用經過有效性驗證的仿真模型，運用MADYMO多剛體動力學分析軟件進行側面碰撞臺車仿真試驗，研究側面碰撞臺車試驗中各項參數對兒童乘員損傷響應的影響程度。

5.1 門板侵入速度對兒童乘員損傷的影響

門板的侵入速度大小直接影響到門板傳遞給兒童安全座椅的能量，從而對兒童乘員的運動狀態及損傷響應造成一定影響。仿真試驗所得兒童假人各損傷參數曲線及損傷參數值如圖11和表2所示。

由圖11和表2可知，在碰撞速度為6.6 m/s時，頭部質心合成加速度峰值、胸部合成加速度峰值、骨盆合成加速度峰值、HIC15及T3ms的數值均最大，碰撞速度為6.0 m/s時次之，碰撞速度為5.3 m/s時各損傷參數值最小。造成這種情況的原因是：在臺車試驗環境條件相同的前提下，側面侵入門板以不同的速度撞擊兒童安全座椅，因為兒童假人需要足夠的能量才能與門板以相同的速度共同運動，所以當臺車門板的侵入速度增大時，作用在兒童假人上的能量及假人的最終速度也相應增大。由此可知，側面門板的侵入速度對兒童假人的各項損傷響應有較大影響。

5.2 門板侵入深度對兒童乘員損傷的影響

在實車側面碰撞中，側面結構進入乘員艙的位移量（侵入深度）也會直接影響兒童乘員的傷害程度。為研究侵入深度對兒童假人損傷的影響，分別進行了兩組仿真試驗，兩組試驗的門板侵入速度均為6.6 m/s，門板侵入深度分別為250 mm和200 mm。仿真試驗所得兒童假人各項損傷參數曲線及損傷參數值如圖12和表3所示。

圖11 不同門板侵入速度下兒童假人各損傷參數曲線

表2 不同門板侵入速度下兒童假人各損傷參數值

圖12 不同門板侵入深度下兒童假人各損傷指標值輸出曲線

表3 不同門板侵入深度下兒童假人各損傷參數值

由圖12和表3可看出，兒童假人的頭部質心合成加速度、胸部合成加速度、骨盆合成加速度峰值均有一定的增加，HIC15及T3ms值有所下降。這是因為兩種仿真試驗的初始侵入速度均為6.6 m/s，當侵入深度由250 mm減小到200 mm時，臺車的座椅系統需要獲得更大的加速度以達到門板的速度，因而假人身體各部位的加速度值均有所增大，而假人頭部的側向甩動、胸部的側向位移量和受力卻隨著侵入距離的減小而變小，因此頭部HIC15及胸部T3ms的數值降低。因為各項損傷參數的差異值均小于7%，由此可知側面門板的侵入深度對兒童假人損傷響應的影響較小。

5.3 門板侵入方式對兒童乘員損傷的影響

所建立的加速型臺車門板結構采用平行方式進行侵入，而減速型臺車的鉸鏈門結構采用旋轉方式進行侵入。對于同一個側面碰撞臺車裝置，采用加速型或減速型原理進行側碰試驗所得結果基本一致。因此，僅研究側面門板侵入形式的差異對兒童乘員損傷響應的影響。對于加速型臺車需要對門板的侵入速度和座椅的滑動速度分別進行控制來確定門板相對于兒童約束系統的侵入速度，而對于減速型臺車鉸鏈門旋轉的角速度即為門板相對于兒童約束系統的侵入速度。側面碰撞仿真試驗中加速型臺車的碰撞速度為6.6 m/s，減速型臺車鉸鏈門的旋轉角速度為12.3（°）/s，兩種試驗臺車的侵入深度均為250 mm。仿真試驗得到的兒童假人各項損傷參數曲線、損傷參數值如圖13及表4所示。

圖13 門板侵入方式下兒童假人各損傷指標值輸出曲線

表4 不同門板侵入方式下兒童假人各損傷參數值

通過觀察仿真試驗輸出的動畫可看出，在鉸鏈門旋轉侵入的過程中，由于兒童假人身體向前運動并伴隨著側向甩動，其骨盆與兒童安全座椅座墊部分的接觸面積變小，由此可知兒童假人與座椅之間的摩擦力變小，假人骨盆運動的加速度相應的增大。同時，旋轉的侵入方式會導致兒童約束系統產生額外的轉動，致使假人頭部與兒童安全座椅頭枕側翼接觸后沿著側翼的邊向外旋轉，使頭部的旋轉和偏移更加明顯，因此兒童假人頭部的加速度及HIC15的數值均有所增大。由差異值分析可知，門板侵入方式的改變對兒童假人頭部的損傷響應影響顯著，而對胸部及骨盆的響應影響較小。

6 結束語

利用MADYMO軟件建立了兒童約束系統仿真模型，利用該模型進行了與側面碰撞臺車試驗條件一致的仿真，驗證了該仿真模型的有效性。在此基礎上，選取門板的侵入速度、侵入深度以及侵入方式作為側面碰撞臺車試驗中的影響參數進行了臺車仿真試驗對比分析，研究側門不同的侵入條件對兒童損傷響應的影響。結果表明，側面門板的侵入速度對兒童假人的各項損傷響應有較大影響；側面門板的侵入深度對兒童假人損傷響應影響較??；門板侵入方式的改變對兒童假人頭部的損傷響應影響顯著，而對胸部及骨盆的響應影響較小。

1 Langwieder K,Hummel T,Lowne R,et al.Side Impact to Chil?dren in Cars.Experience from International Accident Analy?sis and Safety Tests//15th ESV Conference.Melboume(Aus?tralia),1996.

2 Agran P,WinnD,Dunkle D.Injuries among 4 to 9 Year Old Restrained Motor Vehicle Occupants by Seat Location and Crash Impact.Monclus-Gonzalez 11 American Journal of Disability of Children,1989,143:1317～1321.

3 張超塵，楊濟匡.汽車側碰撞中兒童約束系統的仿真研究.微計算機信息，2010,26：（2）158～159.

4 Emam A,Sennah K,Howard A,et al.Influence of crash se?verity and contact surfaces characteristics on the dynamic ehavior of forward facing child ccupants.International Jour?nal of Crash worthiness,2003,8（6）:619～627.

5 Marianne Johansson,Bengt Pipkorn,Per L?vsund.Child Safety in Vehicles:Validation of a Mathematical Model and Development of Restraint System Design Guidelines for 3-Year-Olds through Mathematical Simulations.Traffic Injury Prevention,2009,10:467～478.

6 朱赟.汽車正面碰撞兒童約束系統參數靈敏度分析：[學位論文].上海:同濟大學,2009.

7 陳超，魏明江，劉志新，等.兒童約束系統側面碰撞臺車試驗方法對比分析.拖拉機與農用運輸車，2013，40（5）:30～34.

（責任編輯 文 楫）

修改稿收到日期為2016年6月1日。

Simulation Research on Child Restraint System in Side Impact

Liu Jun,Yan Xiaojuan,Jia Linxi,Wang Liming Cheng Wei
（Jiangsu University,Zhenjiang 212013）

In this research,a simulation model of side impact sled and child restraint system was established in software MADYMO,and was verified in a simulation experiment.Then we analyzed the effects of different intrusion conditions of side door on child injury responses.The results showed that the intrusion velocity of side door had a great impact on injury responses of child dummy,whereas the intrusion depth had a little impact on them.The change of intrusion mode of door had significant impact on head injury response of child dummy,but it had a little impact on injury responses of chest and pelvis.The established simulation model is effective and trustworthy.

Side impact,Child restraint system,Injury response

側面碰撞 兒童約束系統 損傷響應

U471.15

A

1000-3703（2017）01-0052-05