UN R129側碰數值模擬的3歲兒童損傷風險研究

韓 勇 潘 迪 田豐翼 王 方 黃紅武,2 水野幸治

1.廈門理工學院機械與汽車工程學院, 廈門,3610242福建省客車及特種車輛研發協同創新中心，廈門，3610243.第三軍醫大學交通醫學研究所,重慶，4000384.名古屋大學機械與情報工程研究科, 名古屋，4648603

UN R129側碰數值模擬的3歲兒童損傷風險研究

韓 勇1,2,3潘 迪1田豐翼1王 方1黃紅武1,2水野幸治4

1.廈門理工學院機械與汽車工程學院, 廈門,3610242福建省客車及特種車輛研發協同創新中心，廈門，3610243.第三軍醫大學交通醫學研究所,重慶，4000384.名古屋大學機械與情報工程研究科, 名古屋，4648603

根據聯合國歐洲經濟委員會制定的UN R129法規兒童約束系統(CRS)臺車側面碰撞條件，提出了2種臺車側面碰撞仿真試驗方法，并驗證了其可行性。基于該試驗方法，采用Q3兒童假人，建立3種不同CRS(五點式-成人安全帶固定(三點式CRS)，五點式-ISOFIX固定，前護板型-成人安全帶固定)的側面碰撞數值分析模型。分析了兒童乘員的運動學響應和頭、頸部及胸部的損傷物理參數。結果顯示：兒童乘員在不同類型的CRS中的運動學響應不同。ISOFIX固定條件下兒童頭部損傷風險較大，除三點式CRS約束條件下的兒童乘員損傷物理參數接近耐受極限值外，其他2種工況下的兒童乘員的胸部合成加速度(3 ms)和上頸部彎矩值均超過兒童乘員耐受極限值，可見在側面碰撞中兒童乘員的胸部和頸部損傷風險較大。

UN R129；側面碰撞；仿真試驗方法；損傷風險; 兒童約束系統

0 引言

在交通事故中，汽車側面碰撞事故的發生率僅次于正面碰撞，約占事故總數的26%[1]。側面碰撞是造成兒童受傷的危險因素之一，16%的兒童乘員交通事故非致命傷由汽車側面碰撞引起，同時,研究表明兒童乘員在側面碰撞中的損傷風險高于在正面碰撞中的損傷風險[2-3]。這一方面是由于車輛側面碰撞事故的特殊性，另一方面是由于兒童約束系統(CRS)在此方面的保護性能不足[4]。在我國，每年有超過1.85萬名14歲以下的兒童死于交通安全事故，死亡率是歐洲的2.5倍,美國的2.6倍[5]。人們對兒童乘員保護的意識相對淡薄，在北京、上海、廣州、濟南、重慶等5個大城市，CRS的使用率尚不足20%，而全國的平均使用率不足1%[6]。車輛在發生側面碰撞時，被撞一側車門的侵入大大增加了坐在碰撞一側的兒童乘員受到嚴重損傷和致命傷的風險[7]。側面碰撞主要會導致兒童乘員頭部和頸部的嚴重損傷, 尤其是靠近碰撞側位置，較之遠離碰撞側位置,兒童具有更高的死亡風險[8-9]。由此，在前人研究的基礎上，歐盟在ECE R44/04 CRS法規的基礎上于2013年頒布了UN R129 新法規，新法規中加入了側面碰撞條件下CRS的測試評價[10-11]。

臺車試驗能夠節約研究成本和縮短周期，對于汽車側面碰撞中的兒童安全性防護研究具有重要意義。張金換等[12]根據UN R129法規,通過組合后碰撞聚氨酯管、橄欖頭，擬合臺車速度曲線調試波形建立了側面碰撞臺車試驗系統，為我國開展側面碰撞下的CRS開發試驗研究打下了基礎。在歐洲、美國、日本等汽車工業發達國家，兒童乘員側面碰撞安全已被列入法規體系中，而我國對此的研究剛起步，還沒有制定正式的法規和試驗方法[13]。TAKATA公司開發了門板固定在臺車上、CRS可自由滑動的側面碰撞臺車裝置[14]。國際標準化組織和英國交通研究實驗室共同開發了基于鉸鏈門結構設計的側撞臺車系統[15]。我國的標準與歐洲標準趨向一致，未來我國新的CRS試驗也將包含側面碰撞試驗。目前，關于臺車的正面碰撞試驗有限元仿真方法研究雖然有一定的進展[16-18]，但由于側面碰撞法規尚未實施，國內對臺車側面碰撞試驗的有限元仿真方法的研究還處于摸索階段。

本文基于UN R129法規臺車試驗要求，建立了2種臺車側面碰撞仿真試驗模型，并驗證了其可行性。基于該試驗方法，采用3種不同結構的CRS對側面碰撞兒童乘員的運動學響應及損傷結果進行分析。研究結果為我國側面碰撞法規的完善和兒童乘員保護及CRS的設計提供參考。

1 方法與材料

1.1 材料拉伸試驗

CRS主要材料為PP塑料,其應力應變曲線通過微機控制電子萬能試驗機和位移引伸計進行材料拉伸試驗得到，圖1為真實應力-應變曲線。

圖1 PP塑料真應力-應變曲線Fig.1 The true strain-stress curve of the polypropylene

1.2 CRS模型驗證

采用3種不同結構的CRS有限元模型分析側面碰撞中兒童乘員運動學響應及損傷風險，分別為汽車三點式安全帶固定的五點式背帶型CRS(三點式CRS)、ISOFIX硬接口固定的五點式背帶型CRS(ISOFIX CRS)、汽車安全帶固定的護板型CRS(護板型CRS)。假人有限元模型采用歐洲 UN R129法規中最新的代表3歲兒童的Q3兒童假人有限元模型，根據UN R129 試驗法規中前碰撞動態試驗方法，建立CRS臺車碰撞仿真模型，如圖2所示。

圖2 CRS臺車碰撞有限元模型Fig.2 The FE model of the CRS sled

圖3為有限元仿真與真實CRS試驗中兒童乘員在90 ms時的運動學響應對比圖，Q3兒童假人的運動學響應與試驗中的機械假人基本一致。圖4為仿真和試驗中兒童乘員的胸部加速度-時間曲線對比，有限元分析得到的胸部加速度曲線和對應的試驗結果在脈沖寬度、走向、切線斜率、峰值基本吻合。表1所示為3種CRS中兒童乘員的頭部最大前傾位移量、胸部合成及垂直加速度等損傷參數的對比，仿真分析結果和試驗結果之間的誤差均小于10%。由此，可以認為3種CRS的有限元模型是正確有效的，可以作為基礎模型用于后續兒童乘員安全防護研究。

(a)三點式CRS (b)ISOFIX CRS (c)護板型CRS圖3 3種CRS的試驗驗證Fig.3 The validation of the CRS model

(a)三點式CRS

(b)ISOFIX CRS

(c)護板型CRS圖4 有限元仿真與試驗中兒童乘員胸部加速度對比Fig.4 The comparison of the chest acceleration of dummy in FE simulation and test

表1 仿真與試驗中假人損傷參數Tab.1 The injury parameters of the dummy in FE simulation and test

1.3 門板有限元模型驗證

基于UN R129法規對仿真中的門板有限元模型進行驗證性分析。建立門板厚度為55 mm、頭槌直徑為150 mm、頭槌質量為6 kg的頭槌試驗仿真模型。頭槌以4 m/s的速度撞擊門板。輸出的頭槌加速度-時間曲線落在UN R129法規要求通道內，如圖5所示。這表明門板有限元模型材料有效性得到驗證，可用于后續側面碰撞仿真研究中。

1.上限值58g 2.最大值的下限值53g(11～12 ms)3.下降加速度的上限值(20.5～21.5 ms)4.下降加速度的下限值 (20～21 ms)圖5 頭槌加速度-時間曲線Fig.5 The acceleration of the headform

2 側面碰撞模型的建立及可行性分析

本文建立了2種臺車側面碰撞仿真試驗模型，對比分析側面碰撞中CRS防護性能的可行性。

2.1 采用吸能管裝置的臺車側面碰撞仿真模型

建立圖6所示的采用吸能管裝置的臺車側面碰撞試驗仿真模型(方法1)。其中，臺車、CRS和Q3兒童假人有限元模型的總質量為760 kg。根據UN R129側面碰撞試驗方法定義臺車、CRS、假人以7 m/s的初始速度一起運動，并撞擊吸能管裝置。其中門板通過鋼性梁和剛性墻固定不動。

圖6 采用吸能管裝置的臺車側面碰撞仿真模型Fig.6 The FE model of the side sled test system using energy-absorbing tube

上述參數條件下，輸出臺車與門板的相對速度曲線顯示，速度-時間變化曲線未完全符合法規速度通道的要求。通過分析發現，臺車質量過小，導致碰撞動能不足，速度下降較快。配置一個質點增加臺車的質量，將臺車、CRS、Q3兒童假人的總質量分別設置為780 kg、800 kg、850 kg、900 kg進行有限元分析，得到不同的臺車與門板的相對碰撞中速度-時間變化曲線，如圖7所示。由圖7可知，850 kg和900 kg的有限元仿真分析模型中，臺車速度變化均在法規要求的速度通道內。由此可以確定，通過調節臺車碰撞質量的方法，采用吸能管裝置的臺車側面碰撞仿真模型是可行的。

圖7 車與門板的相對速度曲線Fig.7 The relative velocity of the sled and door

2.2 采用速度曲線的臺車側面碰撞仿真模型

采用方法1對不同質量的CRS進行分析，重復性較差，需要不斷調試模型的總質量，對控制速度曲線落在通道內有一定的缺陷性，因此，建立圖8所示的采用速度曲線的側面碰撞臺車試驗仿真模型(方法2)。采用方法1中850 kg模型得到的臺車與門板的相對速度曲線，使得CRS和假人以7 m/s的初始速度運動并防止其和臺車發生相對滑動，保證Q3兒童假人模型與實際試驗中的假人運動一致。門板保持固定，將方法1中的吸能管裝置取消，模型總質量與方法1保持一致，為850 kg。

圖8 采用速度曲線的臺車側面碰撞仿真模型Fig.8 The side sled test FE model using the velocity curve

0 30 ms 60 ms

90 ms 120 ms 150 ms圖9 兩種方法中Q3兒童假人運動學響應對比Fig.9 The kinematic of the Q3 dummy in the two simulation method

為驗證方法2的可行性，對兩種方法中CRS和Q3兒童假人的運動學響應，以及Q3兒童假人的損傷進行對比,如圖9所示。圖9中，左邊為方法1的結果，右邊為采用方法2的結果。從圖9中可以看出，兩種方法中Q3兒童假人的運動學響應基本保持一致。

在CRS上選取圖10所示的2個位置，分別輸出速度曲線進行對比。對比曲線如圖11所示。從圖11可以看出，兩種方法的速度曲線在脈沖寬度、走向、切線斜率、峰值基本一致。

圖10 輸出速度曲線的位置示意圖Fig.10 The point for output the velocity curve

(a)位置1

(b)位置2圖11 位置1、2速度-時間曲線對比Fig.11 The velocity-time curve at the location 1 and 2

選取假人頭部、頸部、胸部的損傷值進行對比，得到曲線如圖12所示。從圖12可以看出，兩種方法中兒童假人的損傷曲線的脈沖寬度、走向、切線斜率、峰值基本保持一致。

表2所示為兩種方法中Q3兒童假人的損傷值對比,其中，HPC15為頭部響應指標，從表2中可以看出，兩種方法中Q3兒童假人有限元模型的損傷參數誤差均在6%以內。可認為兩種方法得到的損傷物理參數具有良好的一致性，且兩種方法均是可行的。

(a)頭部合成加速度

(b)胸部合成加速度

(c)頸部彎矩圖12 頭部、胸部、頸部參數對比Fig.12 The comparison of the injury parameters

表2 Q3兒童假人損傷參數對比Tab.2 The injury parameters of the Q3 dummy

3 不同約束條件下兒童假人損傷分析

采用經過有效性驗證的三種不同結構的CRS，使用方法1分析側面碰撞中不同約束條件下兒童假人的運動學響應及損傷風險。

3.1 運動學響應分析

由圖9可知，在三點式CRS約束條件下，兒童假人隨CRS和臺車一起向左運動。在30 ms左右，隨著車門與CRS開始接觸，在慣性作用力下兒童軀干和四肢受到CRS側翼力的作用，兒童的頭部開始向左側屈，而后頭部隨上身向右側運動。由于門板傳遞的力主要作用在CRS的底座部分，兒童髖部最先達到最大位置，與CRS接觸并做回彈運動，軀干和四肢由于慣性繞髖部做旋轉運動。安全帶約束了CRS的底部和上部，使CRS的橫向位移較小，同時五點式背帶約束兒童肩部使頭部約束在CRS的側翼內。兒童的頭部的最大位移為153.5 mm，髖部最大位移為107.5 mm。

圖13為ISOFIX CRS約束條件下兒童假人的運動學響應。開始時刻，兒童假人隨CRS和臺車一起向左運動。30 ms時隨著車門與CRS接觸后，CRS隨兒童假人一起向右側移動，CRS與兒童假人的相對位移較小。由于車門與CRS底部開始接觸，兒童髖部和軀干受到CRS力的作用開始向右運動。頭部和四肢由于慣性，分別繞軀干和髖部作旋轉運動。60 ms時刻，頭部向左發生側屈的同時還發生一定的扭轉。之后頭部隨軀干向右側運動。CRS受力點集中于CRS底部的ISOFIX上，整個CRS上部運動慣性大，兒童假人的頭部最大位移為177.1 mm，髖部最大位移為117.8 mm。

0 30 ms 60 ms

90 ms 120 ms 150 ms圖13 ISOFIX CRS兒童假人運動學響應分析Fig.13 The kinematic of the Q3 dummy in ISOFIX CRS

在護板型CRS約束條件下，兒童運動學響應與三點式CRS約束條件下類似，如圖14所示。由于沒有使用五點式背帶，在運動過程中，兒童未受到二次約束作用，且門板作用于CRS的力集中在CRS側翼中部位置，軀干和四肢繞髖部的旋轉運動不如其他兩種約束條件下劇烈。護板型CRS尺寸和質量較小，運動慣性小，使兒童假人頭部位移相對較小。護板型CRS中,兒童假人的頭部最大位移為148.5 mm，髖部最大位移為62.21 mm。

3.2 損傷物理參數分析

0 30 ms 60 ms

90 ms 120 ms 150 ms圖14 護板型CRS兒童假人運動學響應分析Fig.14 The kinematic of the Q3 dummy in impact shield CRS

圖15所示為3種不同約束條件下兒童假人的頭部合成加速度曲線。可知，3種工況下兒童假人的頭部合成加速度峰值出現的時間集中在0.03～0.05 s之間，此時CRS剛與門板接觸。三點式CRS由于使用汽車安全帶對CRS進行柔性固定，在運動過程中安全帶吸收了一定的能量，且固定點同時作用于CRS底部和上部，使之運動平緩，同時CRS側翼產生變形也吸收了一定的能量，所以頭部加速度峰值較小。ISOFIX CRS由于使用了滑移裝置，使之在與門板發生碰撞之后，能量全部由CRS和兒童假人承載，導致兒童頭部合成加速度峰值較大，同時，ISOFIX CRS采用硬接口連接臺車上CRS，受力集中于CRS底部，導致CRS上部慣性大，從運動學響應也可看出，頭部發生側屈的同時，還發生了一定的扭轉運動。在護板型CRS中，由于CRS采用了較多的泡沫吸能部件，而且CRS質量輕、慣性小，因而傳遞到兒童假人的能量較小，同時由于沒有采用五點式背帶對兒童假人進行約束，兒童假人頭部側屈運動較小，從而頭部合成加速度峰值相比于其他兩種工況較小。

圖15 頭部合成加速度曲線Fig.15 Head resultant acceleration

圖16所示為3種不同約束條件下兒童假人的胸部合成加速度曲線。可知，和頭部合成加速峰值發生的時間類似，3種工況下兒童假人的胸部合成加速度峰值出現的時間集中在CRS與門板開始發生接觸的時候。三點式CRS由于柔性的固定方式，及CRS側翼變形吸收了一定的能量，從而胸部加速度較小。ISOFIX CRS采用剛性連接裝置，兒童假人在運動過程中上半身慣性大，在運動過程中受到五點式背帶的作用力較大，從而導致胸部加速度較大。護板型CRS雖然質量輕慣性小，但是兒童假人與CRS的護板發生了碰撞，導致了二次傷害，從而增加了胸部加速度。從圖16中可以看出，ISOFIX CRS與護板型CRS中的兒童假人胸部合成加速度峰值要明顯大于三點式CRS。

圖16 胸部合成加速度曲線Fig.16 Chest resultant acceleration

(a)頸部拉力

(b)頸部彎矩圖17 頸部拉力和彎矩Fig.17 Neck force and bending moment

圖17所示為3種不同約束條件下兒童假人的頸部拉力和頸部彎矩曲線。觀察可知，三點式CRS約束條件下的兒童假人頸部拉力峰值最大，但是頸部彎曲峰值最小。因為三點式CRS上下部受力均勻，兒童假人軀干和髖部一起運動，頭部的側屈運動較大，從而導致頸部拉伸力較大，但頭部繞軀干的扭轉較小，從而頸部彎曲較小。ISOFIX CRS約束條件下的兒童假人，軀干和頭部相對運動較小，因此頸部拉伸力較小，但是由于頭部繞軀干的扭轉較大，從而導致頸部彎曲值較大。護板型CRS約束條件下的兒童假人，頸部損傷情況和ISOFIX CRS約束條件下的兒童假人類似。

對3種工況下兒童假人的頭部合成加速度曲線、頸部拉力曲線、頸部彎矩曲線和胸部加速度曲線進行分析，得出表3所示的損傷參數，ISOFIX CRS約束條件下的兒童假人頭部損傷值較大，均超過兒童乘員損傷耐受極限。側面碰撞中，除三點式CRS約束條件下的兒童乘員接近損傷耐受極限外，其他兩種工況下的兒童乘員的胸部合成加速度(3 ms)和頸部彎矩值均大大超過兒童乘員耐受極限值，可見側面碰撞中兒童乘員的胸部和頸部易受到嚴重損傷。

表3 Q3兒童假人損傷值對標[18]Tab.3 The injury parameters of the Q3 dummy

4 討論

本文建立了兩種側面碰撞有限元數值分析方法，并進行了有效驗證。方法1是根據UN R129側面碰撞確定的減速測試系統的試驗方法，這種方法相對加速碰撞臺車具有費用低、安裝便捷的特點，但是針對不同系列的CRS存在重復性差、速度變化較難調試的缺點，而應用有限元分析可以提高仿真效率，指導CRS的側面碰撞安全性結構設計。方法2可便捷地模擬CRS的側面碰撞的防護性能，但比較局限于對CRS本身結構的評價，不如方法1可對整體試驗性能進行分析，根據方法1可以進一步分析試驗中產生的臺車加速度對兒童乘員頸部拉力及胸部加速度的影響，確定臺車加速度對兒童乘員損傷參數的貢獻度，具有更加廣泛的研究價值。

頭部加速度、頸部彎矩和胸部加速度都是非常重要的控制指標。在汽車側面碰撞交通事故中，側面碰撞導致頭頸部的相對運動可產生較大的彎曲，使兒童乘員的頸部風險增加。由此在CRS的側翼結構的設計中，應考慮頭頸部的限位結構設計，如置入具有限制運動的柔軟質的內凹形頭枕和具有吸能特性的側翼結構設計，增加側面吸能特性，使頭頸部的相對運動減小。在ISOFIX CRS中，頭部和胸部加速度相對較高，除了上述的吸能方法，應優化ISOFIX結構件與CRS底座的連接關系和力的傳遞路徑，使ISOFIX受到的側面碰撞力可以向底座和上部本體傳遞，讓CRS整體均勻承載作用力，減小兒童乘員受到的力，降低損傷風險。

本文中采用的CRS模型是較早期開發的，存在一定的局限性，不能完全反映現代CRS的設計趨勢，現代CRS應在滿足法規的要求下質量更小，重要承載力的結構部件可采用高強度鋼或經過表面處理的碳鋼，本體的塑性材料可采用加入玻璃纖維的強化塑性，在提高強度的同時，減小CRS的質量，同時這也有助于假人損傷指標的控制。

5 結論

(1)本文采用的3種CRS均通過法規認證，在正面碰撞中兒童乘員損傷值均在參考值內，但在側面碰撞中，兒童乘員受傷風險較高。同時，在側面碰撞中，不同CRS中的兒童運動學響應不同。

(2)側面碰撞中，ISOFIX CRS約束條件下的兒童乘員頭部、頸部、胸部受到損傷風險均較高。

(3)側面碰撞中，兒童乘員胸部損傷值和頸部損傷值都超過兒童乘員耐受極限值，說明兒童乘員在側面碰撞中頸部和胸部易受到嚴重損傷。在CRS設計中應更多考慮側面碰撞安全性的結構設計。

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ResearchonInjuryRisksof3Year-oldChildrenUsingNumericalSimulationsofSideImpactsinUNR129

HAN Yong1,2,3PAN Di1TIAN Fengyi1WANG Fan1,2HUANG Hongwu1,2MIZUNO Koji4

1.School of Mechanical and Automobile Engineering, Xiamen University of Technology，Xiamen，Fujian，361024 2.Fujian Collaborative Innovation Center for R&D of Coach and Special Vehicle， Xiamen，Fujian，361024 3.Third Military Medical University, Chongqing，400038 4.Department of Mechanical Science and Engineering，Nagoya University, Nagoya，4648603

According to the side impact conditions of UN R129 children restraint system, 2 kinds of simulation test methods were developed and the feasibility was verified. Based on the validated test method, the numerical simulation of side impacts in 3 different restraint systems (five-point-car seat belt, five-point-ISOFIX and shield-car seat belt) with Q3 child FE dummy model was adopted. The kinematic response of the child occupants and the physical parameters of head, neck and thorax were analyzed. The results show that the child occupant kinematics is different in various types of CRS. The injury physical parameters of child head in the ISOFIX CRS are the highest. Chest acceleration (3 ms) and neck bending moment value of child occupants in the ISOFIX CRS and shield CRS are much higher than children’s injury tolerance limit. The chest and neck of a child occupant in a side impact are subjects to high injury risks.

UN R129；side impact；test simulation method; injury risk； child restraint system(CRS)

U463.212

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.23.008

2016-11-14

國家自然科學基金資助項目(51675454);福建省自然科學基金資助項目(2016J01748);2015年“福建省高校杰出青年科研人才培育計劃”(閩教科[2015]54號);國家外專局高端外國專家團隊資助項目(GDT20143600027)

(編輯袁興玲)

韓勇，男，1984年生。廈門理工學院機械與汽車工程學院副教授。主要研究方向為汽車碰撞安全、兒童乘員保護、人體損傷生物力學等。E-mail:yonghan@xmut.edu.cn。潘迪，男，1992年生。廈門理工學院機械與汽車工程學院碩士研究生。田豐翼，男，1993年生。廈門理工學院機械與汽車工程學院碩士研究生。王方，男，1983年生。廈門理工學院機械與汽車工程學院講師。黃紅武，男， 1959年生。廈門理工學院機械與汽車工程學院教授、博士研究生導師。水野幸治，男，1963年生。日本名古屋大學機械與情報工程研究科教授、博士研究生導師。