兒童增高座椅安全帶約束路徑研究

張學(xué)榮，王海濤，何 娟

（江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇，鎮(zhèn)江 212013）

ECE R129 法規(guī)第二階段關(guān)于非整體式兒童座椅的相關(guān)使用規(guī)定，相對于R44 法規(guī)，在兒童約束系統(tǒng)質(zhì)量組的劃分，以及正面、后面碰撞假人損傷指標(biāo)等方面做出了更加細(xì)致的要求[1]。其中，采用兒童身高結(jié)合允許使用的最大質(zhì)量來取代R44 法規(guī)中采用單一的質(zhì)量來定義兒童約束系統(tǒng)質(zhì)量組的劃分，同時添加兒童乘員的上頸部拉力、上頸部彎矩和腹部壓力為兒童乘員的損傷評價指標(biāo)，其中上頸部拉力和彎矩僅作觀察用，1.5 歲以上兒童腹部壓力限值為120 kPa[2-3]。

根據(jù)ECE 法規(guī)的規(guī)定，通常4 歲以上兒童，在身高達(dá)到110 cm，體重達(dá)到15 kg 時，采用五點(diǎn)式安全帶約束的前向整體式兒童增高座椅已經(jīng)不能很好地適應(yīng)此階段的兒童身材，此時更適合使用增高座椅配合車用安全帶的方式來約束兒童乘員[4]。車用安全帶約束路徑根據(jù)成人身材設(shè)計，并不適用于兒童身材，因此，實際使用過程中會出現(xiàn)肩帶過于靠近兒童頸部和腰帶從盆骨位置滑移的現(xiàn)象，從而在發(fā)生碰撞時造成兒童受到持續(xù)的頸部和腹部傷害[5]。現(xiàn)階段關(guān)于低齡兒童使用五點(diǎn)式安全座椅的研究較多，但是對于使用車用安全帶約束4 歲以上兒童的增高座椅的研究較少。

針對以上問題，研究腰帶導(dǎo)向件和肩帶導(dǎo)向件的不同高度組合下不同的安全帶約束路徑對兒童乘員頸部和腹部傷害的影響。采用DOE 試驗設(shè)計方法建立9 組約束方案[6]，分別從安全帶約束位置靜態(tài)評價和動態(tài)分析兩方面進(jìn)行研究，尋找對兒童頸部和腹部傷害最小的肩帶、腰帶導(dǎo)向位置組合，并對最終的優(yōu)化方案進(jìn)行全損傷指標(biāo)的仿真計算，研究安全帶約束路徑優(yōu)化對兒童乘員乘坐安全性的實際影響。

1 模型建立及試驗驗證

1.1 R129 正面碰撞仿真模型建立

本文在Hypermesh 中建立的增高座椅有限元網(wǎng)格模型共有單元數(shù)量13.5 萬個，其中體單元數(shù)量3.9萬個，殼單元數(shù)量9.6 萬個，如圖1 所示。

圖1 增高座椅有限元模型

圖2 正面碰撞仿真模型

表1 安全帶固定點(diǎn)位置坐標(biāo) 單位：mm

在Madymo 軟件中搭建正面碰撞仿真模型，輸入臺車加速度波形，如圖3 所示，該波形包括R129法規(guī)規(guī)定的加速度上限和下限。

圖3 臺車加速度輸入波形

1.2 模型有效性驗證

通過臺車試驗來驗證模型的有效性，從假人運(yùn)動姿態(tài)對比以及動力學(xué)響應(yīng)對比兩方面進(jìn)行。其中，假人姿態(tài)如圖4 所示，取3 個時刻分別為30 ms、60 ms 和90 ms，可以看出同時刻下假人的運(yùn)動姿態(tài)保持一致；整個過程中的動力學(xué)響應(yīng)主要是胸部合成加速度的時間歷程對比，如圖5 所示，試驗和仿真的兩條曲線在峰值、脈寬和形狀方面吻合度很好，表明本研究所搭建的正面碰撞仿真模型是真實有效的。

圖4 仿真與試驗過程中的運(yùn)動姿態(tài)對比

圖5 仿真與試驗中胸部合成加速度時間歷程曲線

2 安全帶約束位置靜態(tài)評價

2.1 靜態(tài)評價等級建立

采用一種靜態(tài)測量方法建立安全帶約束評分機(jī)制。通過對不同安全帶約束路徑下，肩帶和腰帶在假人身上的位置來量化安全帶的約束效果。其中，肩帶約束評價如圖6 所示，要求能通過肩膀中間部位以約束上肢，并避免靠近頸部；腰帶約束評價如圖7 所示，要求腰部安全帶能有效地約束在盆骨位置處，并避免產(chǎn)生滑移現(xiàn)象，使安全帶約束在腹部或腿部。其中，綠色區(qū)域內(nèi)表示評分等級為優(yōu)，黃色區(qū)域內(nèi)表示評分等級為良好，紅色區(qū)域內(nèi)表示評分等級為差。

圖6 肩帶分?jǐn)?shù)等級區(qū)

圖7 腰帶分?jǐn)?shù)等級區(qū)

對原始模型的安全帶約束位置進(jìn)行靜態(tài)等級評價，如圖8 所示，其中肩帶位置為30 mm，腰帶位置為14 mm。此時，肩部安全帶約束位置靠向肩部外側(cè)，腰部安全帶約束位置略高于盆骨位置，結(jié)合靜態(tài)評價標(biāo)準(zhǔn)，原始模型安全帶約束位置評價等級為良好。

圖8 原始模型安全帶約束位置

2.2 優(yōu)化模型建立

通過上述靜態(tài)評價等級的建立，為使安全帶佩戴位置達(dá)到最優(yōu)值，考慮通過改變肩帶和腰部安全帶導(dǎo)向件的位置來改變肩帶和腰帶的約束路徑。采用DOE 全因子試驗設(shè)計方法，肩帶導(dǎo)向為因素A，3個水平分別為肩帶導(dǎo)向的高度位置偏移-20 mm、0 mm 和20 mm，如圖9 中黃色部件所示；腰帶導(dǎo)向為因素B，3 個水平分別為腰帶導(dǎo)向沿其法向方向高度位置偏移-20 mm、0 mm 和20 mm，如圖10 所示。DOE 全因子試驗共產(chǎn)生9 組方案，其中A1B1 表示原始模型，見表2。

圖9 肩帶導(dǎo)向的3 個水平

圖10 腰帶導(dǎo)向的3 個水平

表2 靜態(tài)評價方案

2.3 靜態(tài)評價結(jié)果分析

分別對9 組方案進(jìn)行安全帶約束位置靜態(tài)等級評價，結(jié)果見表3。靜態(tài)評價的結(jié)果顯示A1B0 和A2B0 均取得了最優(yōu)的安全帶評分等級，評價最差的為A0B2。靜態(tài)評價的結(jié)果反映當(dāng)肩部安全帶導(dǎo)向件在較高位置時，可更好地使肩帶約束在肩部中間位置，而腰部安全帶導(dǎo)向件在較低位置時則可以更好地使腰帶約束在盆骨上。

綜合分析認(rèn)為肩帶導(dǎo)向位置和腰帶導(dǎo)向位置的最優(yōu)組合為A2B0，即肩帶導(dǎo)向最高位置和腰帶導(dǎo)向最低位置。選取A2B0 的安全帶靜態(tài)約束路徑如圖11 所示，此時肩帶位置為20 mm，腰帶位置為22 mm，與原始模型對比，此方案肩部安全帶約束位置更加靠近肩部中間位置，同時腰部安全帶更加貼合盆骨位置。

表3 九組方案的靜態(tài)評價等級

圖11 A2B0 方案的安全帶約束位置

3 安全帶約束路徑動態(tài)分析

3.1 優(yōu)化方案動態(tài)分析

在得到最優(yōu)的安全帶約束位置靜態(tài)等級評價后，為了判斷安全帶約束路徑優(yōu)化是否能在碰撞過程中真實地避免肩部安全帶靠近兒童頸部，以及腰部安全帶從盆骨位置處滑移的現(xiàn)象，對原始模型和優(yōu)化模型進(jìn)行仿真計算。整個仿真分析時長為150 ms，在90 ms 時假人前向位移達(dá)到最大值，研究此時假人的安全帶約束情況，如圖12 和圖13 所示。

圖12 肩部安全帶約束情況

圖13 腰部安全帶約束情況

從圖12 和圖13 的安全帶約束路徑動態(tài)分析圖中，不能明顯地看出安全帶約束路徑的差異性。為了進(jìn)一步研究優(yōu)化模型是否減少兒童乘員所受的頸部和腹部傷害，將相關(guān)仿真計算結(jié)果進(jìn)行對比。

從表2可知:1階橫向和縱向、2階橫向和縱向、3階橫向和縱向的頻率相差分別為1.47%,4.27%,3.92%,縱向頻率大于橫向頻率.本文建立的高壓耐張塔在橫向和縱向的剛度非常相近,但縱向剛度略高于橫向剛度.

根據(jù)R129 法規(guī)中對損傷標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，以兒童乘員的上頸部拉力和上頸部彎矩來反映頸部傷害，以腹部壓力來反映腹部傷害。其中，腹部壓力通過腹部壓力雙傳感器（Abdominal Pressure Twin Sensors，APTS）測得。本研究使用的Q6 假人為舊版系列，未安裝腹壓傳感器，因此，僅對上頸部拉力與彎矩進(jìn)行量化分析。優(yōu)化模型與原始模型損傷指標(biāo)對比見表4。

表4 優(yōu)化模型與原始模型損傷指標(biāo)對比

由表4 可知，通過改變安全帶導(dǎo)向件位置來改變安全帶的約束路徑，在胸部安全帶靜態(tài)約束位置得到改善的同時，兒童乘員的頸部傷害指標(biāo)也得到相應(yīng)的提高，因缺乏APTS 而無法進(jìn)行腹部壓力的量化研究。動態(tài)分析的結(jié)果指出優(yōu)化方案是真實有效的。

3.2 全方案動態(tài)分析

進(jìn)一步通過對9 組方案進(jìn)行相應(yīng)的正面碰撞仿真計算，研究安全帶約束路徑對兒童乘員安全性的影響。

根據(jù)R129 法規(guī)中的損傷量化評價指標(biāo)，為綜合評價各組方案對兒童乘員的實際保護(hù)效果，采用增高座椅的兒童乘員的綜合損傷評價指標(biāo)（Child Comprehensive Injury Evaluation Index） 對3 個損傷指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化，并得出最終的評價指標(biāo)，表達(dá)式如下：

式中：HPC15為假人頭部性能指標(biāo)；aH為累積3 ms頭部合成加速度，m/s2；aC為累積3 ms 胸部合成加速度，m/s2。9 組仿真計算結(jié)果見表5。

表5 模擬計算結(jié)果

由表5 可知，C129指標(biāo)最高的約束方案為A0B2，指標(biāo)最低的約束方案為A2B0，此結(jié)果與靜態(tài)評價的分析結(jié)果一致，進(jìn)一步證明了優(yōu)化方案的有效性。

3.3 動態(tài)分析結(jié)果

取安全帶約束路徑最優(yōu)模型A2B0 與原始模型A1B1 的仿真結(jié)果進(jìn)行比對，以全面分析安全帶路徑優(yōu)化對兒童乘員安全性的影響，其中頭部加速度時間歷程曲線對比如圖14 所示，胸部加速度時間歷程曲線對比如圖15 所示，各損傷指標(biāo)對比見表6。

圖14 頭部加速度時間歷程曲線對比

圖15 胸部加速度時間歷程曲線對比

由圖14 和圖15 可知，優(yōu)化后的模型兒童頭部加速度峰值從600 m/s2降至500 m/s2左右，胸部加速度峰值從420 m/s2降至350 m/s2左右，且曲線整體呈下降趨勢。由表6 可知，優(yōu)化后的模型假人各損傷指標(biāo)均下降明顯，尤其是對胸部和頸部的保護(hù)，總體水平提升了20%。綜上所述，安全帶路徑優(yōu)化對提升兒童乘員安全性具有很好的效果。

表6 優(yōu)化前后損傷指標(biāo)對比

4 結(jié)論

以某品牌三點(diǎn)式安全帶約束型增高座椅為研究對象，進(jìn)行安全帶約束路徑研究，并進(jìn)行在新法規(guī)ECE R129要求下的兒童乘員乘坐安全性仿真分析，總結(jié)如下。

（1）通過調(diào)整肩帶導(dǎo)向和腰帶導(dǎo)向位置，可以有效避免兒童在正面碰撞中產(chǎn)生的安全帶過于靠近頸部和腰部以及安全帶從盆骨滑移的現(xiàn)象，從而減小兒童乘員受到的頸部拉力與彎矩，同樣也可減少其它各項傷害指標(biāo)，總體提升兒童乘員的乘坐安全性。

（2）由于缺少最新的帶有腹部壓力傳感器的Q系列假人模型，本文只對兒童乘員的上頸部拉力與彎矩做了定量仿真分析，未來可對兒童乘員的腹部壓力進(jìn)行相關(guān)的定量分析，以深入研究安全帶約束路徑對兒童腹部傷害的影響情況。