基于LS-DYNA的Q3兒童保護(hù)開發(fā)的研究

廖賢明 ，李君杰，侯延軍，賈麗剛，黎謙

1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007；2.中汽研(天津)汽車工程研究院有限公司，天津 300300

0 引言

現(xiàn)階段我國汽車總量占據(jù)全球的3%，但是交通事故死亡率卻占據(jù)全球的16%，平均死亡率也是很多發(fā)達(dá)國家的十幾倍。更重要的是，在這些交通事故死亡率中，兒童因為交通事故導(dǎo)致死亡的數(shù)量也是全球最高的。根據(jù)調(diào)查的資料顯示，我國每年超過1.85萬的兒童死于道路交通事故。其死亡率是歐洲的2.5倍，是美國的2.6倍[1]。因此針對兒童乘員的保護(hù)是擺在各大主機廠面前的一項重要任務(wù)[2]。在2021版的新車評價規(guī)程(C-NCAP)中增加對第二排兒童假人損傷的評價[3]，降低兒童假人損傷成為整車碰撞安全開發(fā)中的重要部分。在交通事故中，成人安全帶可能會勒住兒童的頸部，且極易壓傷兒童的腰部，更嚴(yán)重的話會引起肋骨的斷裂、胸部壓傷及扭斷脖子的風(fēng)險[4-5]，因此成人約束系統(tǒng)并不適用于兒童的保護(hù)。對于兒童乘員來說，如何使兒童座椅等約束系統(tǒng)充分發(fā)揮其應(yīng)盡的保護(hù)效果，是值得探討的。

本文依據(jù)2021版C-NCAP對Q3兒童的保護(hù)要求，研究了各因素對兒童假人損傷的影響：如兒童座椅固定方式、脈沖波形、后排座椅結(jié)構(gòu)強度、五點式安全帶限力性能等，研究的結(jié)論可以對車型兒童保護(hù)開發(fā)提供理論參考。

1 Q3兒童評價規(guī)則

根據(jù) 2021版C-NCAP試驗程序[3]，在正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗(FRB)中，在第二排座椅一側(cè)座位上放置一個兒童約束系統(tǒng)和一個Q3兒童假人，用以測量兒童受損傷情況。

Q3兒童試驗位置如圖1所示。

圖1 Q3兒童試驗位置

Q3兒童最高得分為4分，評價部位為假人頭部、頸部、胸部，分值占FRB工況總得分的20%，占比較高，兒童假人動態(tài)性能響應(yīng)情況直接影響FRB工況總體得分。Q3兒童假人評價方案見表1。

表1 Q3兒童假人評價方案

2 Q3兒童損傷影響因素分析

2.1 兒童約束系統(tǒng)型號

碰撞試驗中，兒童約束系統(tǒng)的選取按以下優(yōu)先級進(jìn)行確定：

(1)符合法規(guī)要求的內(nèi)置式兒童約束系統(tǒng)；

(2)企業(yè)推薦的符合要求的兒童約束系統(tǒng)型號；

(3)企業(yè)從C-NCAP規(guī)定的清單中選用，碰撞試驗用Q3兒童約束系統(tǒng)產(chǎn)品清單見表2；

(4)試驗室從C-NCAP規(guī)定的清單中選用。

由表2可知，選用的兒童約束系統(tǒng)與整車連接形式有3種：安全帶通用類、ISOFIX通用類、ISOFIX半通用類。兒童約束系統(tǒng)不同的安裝形式，對兒童假人的保護(hù)效果也會有所差異[6～8]。

表2 碰撞試驗用Q3兒童約束系統(tǒng)產(chǎn)品清單

基于LS-DYNA有限元分析軟件，建立了Q3約束系統(tǒng)研究模型，對兒童座椅的不同安裝方式進(jìn)行了對比分析，以研究其對Q3兒童的保護(hù)效果。Q3兒童約束系統(tǒng)模型如圖2所示。

圖2 Q3兒童約束系統(tǒng)模型

兒童座椅不同安裝形式表現(xiàn)效果見表3，其中基礎(chǔ)表示 ISOFIX通用類；方案1和方案2表示ISOFIX半通用類；方案3表示安全帶通用類。由表可以看出，不同固定方式的兒童座椅對兒童假人的綜合保護(hù)效果是大不同的，其中后向座椅的方案對兒童的保護(hù)效果相對較好。

表3 兒童座椅不同安裝形式表現(xiàn)效果

2.2 加載脈沖影響

在碰撞過程中，車身承受的載荷是直接作用到兒童約束系統(tǒng)上的，因此車身載荷是導(dǎo)致車內(nèi)乘員損傷的一個重要因素[9-10]。一般的，可以采用OLC來評價車身載荷的強弱。本節(jié)將研究不同OLC的脈沖對兒童損傷帶來的影響。選取3種典型脈沖進(jìn)行加載，其波形及OLC對比分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 波形及OLC對比分析結(jié)果

各脈沖加載下，不同波形Q3兒童損傷表現(xiàn)效果見表4。根據(jù)結(jié)果可以判斷，OLC越小越有利于降低兒童乘員損傷風(fēng)險。

表4 不同波形Q3兒童損傷表現(xiàn)效果

在正面碰撞中，車身載荷脈沖主要是受吸能盒及防撞梁變形的影響，其載荷狀態(tài)也可以分為兩個階段?；诖死碚?，為簡化研究模型，將不同的加載脈沖等效處理成為二階方波，以便進(jìn)一步研究不同OLC對兒童乘員損傷產(chǎn)生影響。二階方波處理方案如圖4所示。

圖4 二階方波處理方案

第二階波的優(yōu)化模型如圖5所示，第一階波的優(yōu)化模型如圖6所示。經(jīng)過計算分析，第二階波和第一階波對兒童損傷的影響分析結(jié)果分別如圖7和圖8所示。

圖5 第二階波的優(yōu)化模型

圖6 第一階波的優(yōu)化模型

圖7 第二階波對兒童損傷的影響分析結(jié)果

圖8 第一階波對兒童損傷的影響分析結(jié)果

通過結(jié)果對比可以看出，隨著第二階波的加載降低，兒童頭部及頸部的損傷呈下降趨勢；而第一階波加載的調(diào)整對兒童頭部及頸部損傷無明顯影響規(guī)律。

綜上分析可知，若降低兒童頭部及頸部的損傷，需要盡量降低整車加載OLC指標(biāo)，而OLC指標(biāo)的降低，應(yīng)優(yōu)化降低第二階波的加載平臺值。

通過對多案例的研究發(fā)現(xiàn)，在某特定碰撞時間段的整車加載波形會對Q3兒童損傷非常敏感，因此進(jìn)一步對此現(xiàn)象進(jìn)行了研究。研究對象是基于方案9的案例開展，對方案9的第二階段波形時間點進(jìn)行調(diào)整，如圖9所示。

圖9 脈沖時刻的調(diào)整方案

Q3兒童各部位損傷結(jié)果及得分情況見表5。

表5 Q3兒童各部位損傷結(jié)果及得分情況

由表5可以看出，隨著第二階波開始時刻的推移，假人損傷得到明顯改善，波形敏感時刻為35～70 ms，因此，為了降低OLC以得到較好的兒童保護(hù)效果，應(yīng)盡量降低35～70 ms時刻的整車加載。

2.3 后排座椅結(jié)構(gòu)影響

對兒童座椅起支撐作用的后排座椅而言，其性能的高低直接關(guān)系到兒童約束系統(tǒng)能否有效發(fā)揮作用。對后排坐墊的防下潛橫梁結(jié)構(gòu)開展研究，具體實施方案如下：

(1)方案20：依據(jù)方案17，無防下潛橫梁；

(2)方案21：車身固定加強；

(3)方案22：依據(jù)方案21，防下潛支架增高；

(4)方案23：無支撐腿的坐墊結(jié)構(gòu)；

(5)方案24：依據(jù)方案23，無防下潛橫梁。

座椅方案實施對比如圖10所示。

圖10 座椅方案實施對比

各方案的兒童損傷情況見表6。由表可以看出，在后排座椅無支撐橫梁(方案20、方案22、方案24)的情況下，假人損傷情況會趨于惡劣；而且，防下潛支架不是越高越好，支架過高，不利于兒童乘員的保護(hù)，需要給兒童座椅預(yù)留一定的緩沖空間。

表6 各方案的兒童損傷情況

2.4 五點式安全帶肩帶限力因素

對于同一款兒童座椅，五點式安全帶直接作用于兒童假人，肩帶性能關(guān)系到兒童假人的損傷情況。鑒于此，對五點式安全帶兩條肩帶的上固定點進(jìn)行限力控制，進(jìn)而在一定程度上減弱兒童假人肩部的作用剛度[11]。本文建立了兩種肩帶限力的模型來研究其對兒童損傷的影響，具體表現(xiàn)效果見表7。

表7 不同肩部約束條件下Q3兒童損傷表現(xiàn)效果

由表7可知，兒童肩部安全帶的限力大小對兒童的損傷影響很大，肩帶受力越低，兒童各部位損傷越低，得分越好。

3 結(jié)論

本文完成了對Q3兒童損傷各影響因素的研究。以Q3兒童頭、頸部、胸部的損傷為依據(jù)，對各個影響因素的情況進(jìn)行了梳理，獲得以下結(jié)論：

(1)不同安裝形式的兒童座椅對兒童假人保護(hù)效果不同，后向安裝的兒童座椅對兒童的保護(hù)效果較好。

(2)兒童損傷和整車加載OLC指標(biāo)成正比，OLC越小，兒童損傷越低；兒童損傷對35～70 ms的加載情況較為敏感。

(3)后排座椅應(yīng)該有足夠的有效支撐，但支撐部件位置不宜過高，需要給兒童座椅預(yù)留一定的緩沖空間。

(4)為緩解兒童頭、頸部損傷，可以考慮采用有限力機構(gòu)的肩帶約束或者適當(dāng)釋放肩帶對兒童的束縛作用。