兒童保護動態評價影響因素研究

郭慶祥 王楠 朱海濤 卜曉兵 張向磊

（1.中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司，天津 300300；2.天津交通職業學院，天津 300300）

主題詞：Q3假人 兒童乘員 影響因素 靈敏度分析

1 前言

中國交通事故深入研究（China In-Depth Accident Study，CIDAS）數據庫資料顯示，2018 年車輛碰撞事故中后排0～10歲乘員傷亡人數占總傷亡人數的7%，后排兒童的安全性研究越來越受到重視。

2021 年版《C-NCAP 管理規則》規定了在正面碰撞試驗中對Q3 兒童假人的頭部、頸部和胸部的傷害情況進行評價，Q3兒童假人的傷害評估得分普遍不高。本文基于2021年版《C-NCAP管理規則》對Q3兒童保護效果的影響因素進行研究。

2 分析說明

2.1 數據來源

兒童約束系統的研究方法主要分為實車試驗法、臺車試驗法以及計算機仿真。本文從40余款已完成實車正面碰撞試驗的車型（包括小型車、緊湊型車、中級車及SUV 等）中篩選出7 款具有代表性的乘用車，基于其試驗結果并結合CAE仿真結果進行分析。選取的車型左側B柱加速度波形如圖1所示，試驗結果如表1所示。

表1 試驗結果

圖1 車輛左B柱波形

2.2 仿真模型與對標

如圖2 所示，本文以車型4 的試驗結果作為輸入，完成了Q3 兒童仿真模型搭建并進行仿真驗證，仿真結果圖3 所示，應用響應誤差評估（Enhanced Error Assessment of Response Time Histories，EEARTH）方法計算曲線擬合精度，結果顯示，頭部合成加速度、胸部合成加速度及頸部張力曲線的擬合指數均達到0.9以上，故可基于此模型進行后續仿真分析。

圖2 仿真驗證模型

圖3 頭部、胸部及頸部傷害擬合曲線

2.3 Q3兒童傷害指標

本文基于2021 年版《C-NCAP 管理規則》中正面碰撞評價指標，研究兒童保護動態評價的各影響因素，相關指標如下：頭部傷害指標HIC高性能指標為500，低性能指標為700；頭部3 ms累積加速度高性能傷害指標為60，低性能傷害指標為80；頸部張力F高性能傷害指標為1.555 kN，低性能傷害指標為2.840 kN；胸部3 ms累積加速度高性能傷害指標為41，低性能傷害指標為55。

3 兒童座椅因素

對于Q3 兒童的保護，可應用的兒童座椅如圖4 所示。

圖4 兒童座椅安裝方式示意

與通用安全帶安裝式兒童座椅相比，ISOFIX 固定式兒童座椅更穩定且具有更好的動態性能，但不一定能更加有效地保護兒童乘員，相反還有可能使兒童乘員受到更大的傷害。

前置護體式兒童座椅與五點式安全帶兒童座椅相比，其頭部與胸部傷害指標評價結果較好，但腹部壓力指標會出現不滿足法規要求的情況。因為前置護體式兒童座椅中的兒童胸、腹部組織所受應力應變在區域和數值上相對于五點式安全帶兒童座椅更大，胸、腹部軟組織發生損傷的風險也更大。其中，造成肝臟裂傷的原因可能是前置護體在撞擊過程中與腹部直接接觸，也可能是在胸部壓迫過程中肝臟向下移動，鐮狀韌帶拉緊，導致肝臟撕裂。

五點式安全帶兒童座椅能將兒童更好地約束在座椅上且分散碰撞能量，但是在向前運動過程中存在吸能空間不足問題，進而導致頸部、胸部損傷嚴重。

另外，對于座椅的安裝布置，統計試驗結果顯示，目前正向安裝兒童座椅的得分普遍較差，反向擺放兒童座椅普遍比正向擺放效果好。但反向安裝座椅存在抗翻轉性不足的缺點，易撞擊前排造成兒童頭部傷害。

4 車身結構因素影響

關于車身結構對兒童保護的影響分析，目前行業內主要應用車輛B柱加速度波形進行車身結構等效評估，波形評價指標包括車輛脈沖指數（Vehicle Pulse Index，VPI）及乘員載荷準則（Occupant Load Criterion，OLC）等，本文采用OLC 來簡化車輛B 柱加速度波形，進而分析加速度波形與乘員損傷的關聯性趨勢，研究車身結構因素對兒童保護的影響。

4.1 乘員載荷準則

在給定某車輛減速度波形的條件下，假定乘員做單純的前向運動求得乘員平均減速度，用于評價車輛減速度對乘員的作用。乘員載荷準則的計算公式為：

式中，為胸部初始速度；為胸部移動300 mm 時刻速度；為胸部從初始位置運動到65 mm處的持續時間；為胸部從65 mm處運動至300 mm處的持續時間。

4.2 波形因素影響分析

排除約束系統及兒童座椅等因素的影響，采用單因素分析法，僅考慮加速度波形因素進行分析。根據式（1），獲得7 款車型的左側B 柱加速度波形所對應的OLC計算結果，如表2所示。

表2 OLC計算結果 g

基于2.2節Q3兒童保護仿真模型，獲得7款車型的左側B 柱加速度波形對應的兒童傷害情況，正向、反向安裝兒童座椅的Q3兒童傷害結果分別如表3、表4所示。

表3 不同B柱加速度波形下正向兒童座椅仿真結果

由表3 和表4 可知，車身結構對兒童保護有較大影響，隨著OLC增大，Q3假人受到的傷害越發嚴重。對于具體傷害，車身結構因素對兒童頭部影響大于胸部，而胸部傷害更多地受到兒童座椅及安全帶等約束系統配置的影響。

表4 不同B柱加速度波形下反向兒童座椅仿真結果

5 約束系統影響分析

5.1 總體分析

基于2.1節篩選的7款車型，車型1、車型4及車型7都選用同型號的兒童座椅，如圖5 所示，雖然OLC 相差較大，但兒童保護的動態得分均為2 分左右，說明除兒童座椅及車身結構因素外，車輛第二排座椅坐墊剛度及傾角、碰撞空間等因素也會影響兒童保護。

圖5 各車型試驗情況

5.2 第二排座椅坐墊傾角

利用兒童約束系統模型，采用不同坐墊傾角進行仿真分析。坐墊傾角即坐墊表面與水平面的夾角，根據工程經驗并考慮舒適性，本文采用3種不同座椅坐墊傾角進行仿真分析：10°、15°、20°。

反向安裝兒童座椅的統計結果如表5所示，兒童座椅有支撐腿，因此坐墊傾角主要影響兒童髖部角度，隨著坐墊傾角的增大，假人傷害減小。

表5 不同坐墊傾角下反向兒童座椅仿真矩陣及結果

對于正向兒童座椅，統計結果如表6 所示，基于當前對標模型（車型4），隨著坐墊傾角增大，假人傷害減小，但坐墊傾角增大到一定程度后，傷害情況不再明顯改善。

表6 不同坐墊傾角下正向兒童座椅仿真矩陣及結果

5.3 第二排座椅坐墊剛度

為了簡化分析，本文在對坐墊剛度的分析中通過座椅向最大壓縮位移反映坐墊剛度，采用8 種不同壓縮量進行評估：25 mm、30 mm、35 mm、40 mm、45 mm、50 mm、55 mm、60 mm。

根據上述設定，采用兒童保護模型進行仿真分析，基礎模型壓縮量為45 mm，結果如表7 所示，隨著坐墊剛度增大，假人傷害減小，但坐墊剛度增大到一定程度后，傷害情況不再明顯改善。

表7 不同坐墊剛度下正向兒童座椅結果

5.4 碰撞空間

在某車型Q3 兒童保護滑車試驗結果統計中發現，采用反向兒童座椅結果比前向布置兒童座椅低約2分。通過錄像對比分析，如圖6 所示，發現第二排空間不足導致后向擺放的兒童座椅撞擊前排座椅，并與前排座椅骨架發生剛性碰撞，進而導致兒童頭部傷害指標超標。

圖6 座椅碰撞空間

因此，兒童約束系統防護效果不能忽略兒童與車輛內飾之間發生的碰撞，需保證兒童座椅的碰撞空間，避免撞擊前排座椅。

6 靈敏度分析

不同因素對兒童傷害的影響程度存在差異，為了更好地評判各因素對兒童傷害的影響程度，本文參考美國法規FMVSS 208《乘員碰撞保護》中的加權傷害指標（Weighted Injury Criterion，WIC）進行分析，WIC 的值越小，表明乘員受到傷害越小。加權傷害指標的計算公式為：

式中，為頭部累積3 ms合成加速度；為胸部累積3 ms合成加速度。

考慮到兒童頭部缺乏安全氣囊的保護，其潛在危險更大，故式（2）中選擇權重系數為0.4，胸部、頸部的權重系數為0.3。

對于靈敏度的分析，本文采用正交試驗和極差分析法，選取正向布置和反向布置作為座椅因素，另選取加速度波形、第二排座椅的剛度及坐墊傾角共4 個因素，并根據各因素的趨勢分別設置3 個水平進行分析，以L9(3)正交試驗表安排試驗矩陣，最終確定的正交試驗因素及水平如表8所示。

表8 各因素和水平列表

正交試驗矩陣及試驗結果如表9 所示。其中：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分別為各因素的水平1、水平2、水平3的估計值；、、分別為各因素的水平1、水平2、水平3 綜合平均值；為極差，即對應因素在其取值范圍內試驗指標最大綜合平均值與最小綜合平均值之差。

表9 正交試驗矩陣及試驗結果

結果表明，對于Q3兒童保護，座椅布置形式的影響最顯著，其次是車身結構，再次為第二排座椅剛度和坐墊傾角。

7 結束語

本文基于試驗數據統計結果，同時結合仿真分析，完成了Q3兒童保護單因素影響分析，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了分析，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。