兩種兒童約束系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能仿真研究

張學(xué)榮，何 娟，吳 淼，許長龍

（1.江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇，鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇出入境檢驗(yàn)檢疫局 機(jī)電產(chǎn)品及車輛檢測中心，江蘇，無錫 214000）

兩種兒童約束系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能仿真研究

張學(xué)榮1，何 娟1，吳 淼2，許長龍1

（1.江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇，鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇出入境檢驗(yàn)檢疫局 機(jī)電產(chǎn)品及車輛檢測中心，江蘇，無錫 214000）

采用計(jì)算機(jī)仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，根據(jù)ECE R44法規(guī)，在MADYMO軟件中分別建立前置護(hù)體型和五點(diǎn)約束帶式兒童約束系統(tǒng)碰撞仿真模型。通過臺車碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證所建仿真模型的有效性，在仿真環(huán)境下對兩種兒童約束系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能展開研究。結(jié)果表明，不同類型兒童約束系統(tǒng)由于安裝方式及約束方式的不同，在碰撞過程中動(dòng)態(tài)性能存在較大差異。碰撞發(fā)生時(shí)，前置護(hù)體型兒童約束系統(tǒng)對兒童乘員胸部損傷較大，五點(diǎn)約束帶式兒童約束系統(tǒng)對兒童乘員頸部損傷較大。

兒童約束系統(tǒng)；動(dòng)態(tài)性能；仿真；損傷；正面碰撞

隨著汽車保有量的日益增加和乘車安全知識的普及，消費(fèi)者對兒童的乘車安全越來越重視，越來越多的消費(fèi)者開始選擇使用兒童約束系統(tǒng)。研究表明，相比使用成人安全帶和由成人懷抱的乘坐方式，兒童約束系統(tǒng)的使用是降低兒童乘員交通事故傷害的最有效手段[1-2]。世界衛(wèi)生組織公布的報(bào)告中指出，在發(fā)生碰撞時(shí)，兒童安全座椅可以將1歲以下嬰兒的致命可能性降低70%，將1～6歲幼兒的致命可能性降低54%[3-4]。

在歐美發(fā)達(dá)國家，兒童約束系統(tǒng)使用率比較高，兒童約束系統(tǒng)種類也是層出不窮，主要有提籃式、五點(diǎn)約束帶式、前置護(hù)體式、增高墊式等，不同年齡段的兒童乘員應(yīng)該選用合適的兒童約束系統(tǒng)[5-6]。2014年以來，上海、山東、深圳先后出臺了兒童安全座椅強(qiáng)制使用法律法規(guī)，兒童安全座椅全國立法指日可待。

1 建立碰撞仿真模型

碰撞臺車仿真模型是兒童約束系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能仿真研究的關(guān)鍵[7-9]，依據(jù)ECE R129法規(guī)，分別建立前置護(hù)體式、五點(diǎn)約束帶式兒童約束系統(tǒng)正面碰撞仿真模型。

1.1 兒童安全座椅模型前處理

將兒童安全座椅模型導(dǎo)入Hypermesh軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，主要步驟為：（1）對導(dǎo)入的兒童安全座椅進(jìn)行適當(dāng)?shù)膸缀吻謇?，消除模型?dǎo)入過程中產(chǎn)生的錯(cuò)誤，去除小孔和部分圓角等幾何特征。（2）去除兒童安全座椅模型表面布料，簡化國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（兒童安全座椅）固定裝置（International Standards Organisation FIX，ISOFIX）接口，消除部分細(xì)小特征，同時(shí)去除螺栓、彈簧、銷等連接件。（3）模型頭枕、側(cè)碰防護(hù)裝置、前置護(hù)枕、坐墊等吸能泡沫劃分為四面體網(wǎng)格，ISOFIX連接桿、靠背、前置護(hù)體加強(qiáng)件等部件劃分為殼單元網(wǎng)格。（4）網(wǎng)格質(zhì)量檢查主要包括網(wǎng)格連續(xù)性、單元法向的檢查與調(diào)整、查看網(wǎng)格是否存在自由邊等；封閉2D網(wǎng)格填充為四面體網(wǎng)格后刪除相應(yīng)2D單元，四面體網(wǎng)格主要檢查最小邊，控制三角形內(nèi)角角度，縮短計(jì)算時(shí)間 ；2D殼單元質(zhì)量檢查主要包括最小邊、雅各比、最小角和最大角等。兒童安全座椅有限元模型如圖1所示，左圖為前置護(hù)體式兒童安全座椅，右圖為五點(diǎn)約束帶式兒童安全座椅。

賦予各個(gè)部件相應(yīng)的材料和屬性，對簡化的部件進(jìn)行適當(dāng)配重。最后定義Elem Type，將單元節(jié)點(diǎn)信息導(dǎo)出為K文件格式，兒童安全座椅有限元模型單元節(jié)點(diǎn)信息見表1。

表1 兒童安全座椅有限元模型單元節(jié)點(diǎn)信息

1.2 建立碰撞臺車座椅仿真模型

依據(jù)ECE R129法規(guī)，在Catia軟件中建立碰撞臺車座椅模型，將臺車座椅CAD模型導(dǎo)入Hypermesh軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。因模型較為規(guī)則，通過簡單切分之后劃分為六面體網(wǎng)格。臺車座椅坐墊和靠背材料為聚氨酯泡沫，密度為43 kg/m3，材料特性通過試驗(yàn)測得。圖2為臺車座椅有限元模型。

1.3 建立安全帶模型

將兒童安全座椅模型、碰撞臺車座椅模型及兒童假人模型分別導(dǎo)入MADYMO軟件中，通過預(yù)模擬方法確定兒童安全座椅及兒童假人的初始位置，兒童安全座椅及假人初始位置確定后再建立安全帶模型。根據(jù)法規(guī)確定不同類型兒童安全座椅安全帶D環(huán)、錨點(diǎn)、帶扣的位置，安全帶模型采用混合式安全帶，與兒童安全座椅模型接觸部分為有限元安全帶，其余部分采用多剛體安全帶。兩種兒童約束系統(tǒng)正面碰撞仿真模型如圖3所示，a為前置護(hù)體型兒童安全座椅，b為五點(diǎn)約束帶式兒童安全座椅。

圖3 兩種兒童約束系統(tǒng)正面碰撞仿真模型

2 碰撞仿真模型有效性驗(yàn)證

所建仿真模型正確與否是進(jìn)行下一步研究的關(guān)鍵，通過真實(shí)碰撞臺車試驗(yàn)來驗(yàn)證碰撞臺車仿真模型的有效性。仿真模型有效性驗(yàn)證主要包括運(yùn)動(dòng)姿態(tài)驗(yàn)證和動(dòng)力學(xué)響應(yīng)驗(yàn)證，運(yùn)動(dòng)姿態(tài)主要包括兒童安全座椅的變形情況以及兒童假人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)等；動(dòng)力學(xué)響應(yīng)主要包括兒童假人的頭部、胸部、髖部加速度響應(yīng)時(shí)間歷程曲線以及兒童假人傷害指標(biāo)等。

2.1 運(yùn)動(dòng)姿態(tài)有效性驗(yàn)證

圖4為Q1.5兒童假人在前置護(hù)體型兒童安全座椅正面碰撞中仿真和試驗(yàn)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)對比。由圖可知，不同時(shí)刻仿真模型中兒童假人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)與碰撞臺車試驗(yàn)兒童假人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)基本一致，兒童安全座椅模型變形程度與試驗(yàn)基本吻合，可以認(rèn)為該仿真模型運(yùn)動(dòng)姿態(tài)與試驗(yàn)吻合較好。

2.2 動(dòng)態(tài)響應(yīng)有效性驗(yàn)證

圖5～7為仿真與試驗(yàn)中兒童測試假人動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性曲線對比。由圖可知，通過仿真得到的兒童假人頭部、胸部以及髖部合成加速度時(shí)間歷程曲線與通過碰撞臺車試驗(yàn)所得的相應(yīng)曲線吻合較好，曲線的形狀、升降趨勢、脈寬以及峰值對應(yīng)時(shí)刻等較為接近。圖7中試驗(yàn)與仿真髖部合成加速度差異較大，主要原因在于仿真模型未考慮髖部坐墊布套和海綿墊，兒童假人乘坐位置偏低，導(dǎo)致髖部加速度偏小。

圖5 頭部合成加速度時(shí)間歷程曲線

圖6 胸部合成加速度時(shí)間歷程曲線

圖7 髖部合成加速度時(shí)間歷程曲線

因?yàn)榍爸米o(hù)體型兒童安全座椅對兒童乘員胸部的作用力比較大，若兒童假人胸部的損傷參數(shù)指標(biāo)較為吻合，則可判斷所建仿真模型動(dòng)力學(xué)響應(yīng)與試驗(yàn)一致。選取胸部3 ms合成加速度、胸部z向3 ms合成加速度以及頭部位移量來驗(yàn)證仿真模型的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，如表2所示，胸部z向3 ms合成加速度誤差范圍是9.4%，胸部3 ms合成加速度以及頭部位移量的誤差范圍都在6%以內(nèi)，仿真與試驗(yàn)誤差在允許范圍內(nèi)。綜上所述，仿真模型運(yùn)動(dòng)姿態(tài)及動(dòng)力學(xué)響應(yīng)與試驗(yàn)較為吻合，模型有效性得到驗(yàn)證，可以用于下一步的研究。

五點(diǎn)約束帶式兒童安全座椅碰撞仿真模型有效性通過同樣方法進(jìn)行驗(yàn)證，在此不再贅述。

表2 仿真與試驗(yàn)相關(guān)損傷指標(biāo)對比

3 動(dòng)態(tài)性能仿真研究

圖8為前置護(hù)體型和五點(diǎn)約束帶式兩種約束方式下兒童假人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)對比。由圖可知，對于前置護(hù)體型兒童安全座椅，在碰撞過程中，兒童假人胸部直接與前置護(hù)體泡沫發(fā)生接觸。在100 ms時(shí)刻，兒童假人頭部與前置護(hù)體泡沫上邊緣發(fā)生接觸，此時(shí)頭部x方向位移量達(dá)到最大值。在碰撞回彈過程中，兒童假人髖部向后上方抬起，與兒童安全座椅靠背發(fā)生二次接觸。

對于五點(diǎn)約束帶式兒童安全座椅，在碰撞過程中，兒童安全座椅上的肩帶、腰帶及跨帶將兒童假人約束在安全座椅內(nèi)。在120 ms時(shí)刻，兒童假人頭部與小腿發(fā)生接觸，可能會造成二次傷害，此時(shí)兒童假人頭部x方向位移量達(dá)到最大值。

由于兩種兒童安全座椅采取的約束方式不同，可能對兒童乘員保護(hù)側(cè)重點(diǎn)不同。前置護(hù)體型兒童安全座椅通過ISOFIX接口安裝在汽車后排座椅上，然后通過成人安全帶將前置護(hù)體泡沫約束在兒童乘員胸前，在碰撞發(fā)生時(shí)，兒童乘員直接與前置護(hù)體泡沫發(fā)生接觸。五點(diǎn)約束帶式兒童安全座椅通過成人安全帶將安全座椅固定在汽車后排座椅，通過兒童安全座椅自帶的兒童安全帶將兒童乘員約束住，碰撞發(fā)生時(shí)，兒童乘員直接與兒童安全帶發(fā)生接觸。

圖8 兩種約束方式下兒童假人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)對比

圖9～11分別為兩種約束方式下兒童假人頭部、胸部以及髖部合成加速度的時(shí)間歷程曲線。由圖可知，兩種約束方式下兒童假人頭部、髖部合成加速度峰值較為接近；前置護(hù)體約束方式下兒童假人胸部合成加速度峰值較大。

圖9 兩種約束方式下兒童假人頭部合成加速度曲線

圖10 兩種約束方式下兒童假人胸部合成加速度曲線

圖11 兩種約束方式下兒童假人髖部合成加速度曲線

表3 兩種約束方式下?lián)p傷指標(biāo)傷害值對比

表3為兩種約束方式下兒童相關(guān)損傷指標(biāo)的傷害值對比。從表中可以較為直觀地看出，前置護(hù)體型兒童約束系統(tǒng)胸部壓縮量明顯大于五點(diǎn)約束帶式兒童約束系統(tǒng)，對兒童乘員胸部的損傷較大，但目前的法規(guī)對胸部壓縮量沒有要求，有待進(jìn)一步研究。兩者胸部3 ms合成加速度相差不大，但胸部壓縮量差異較大，主要是由于兩種兒童約束系統(tǒng)胸部承載方式不同。五點(diǎn)約束帶式兒童約束系統(tǒng)中兒童乘員頭部x向位移量明顯大于前置護(hù)體型兒童約束系統(tǒng)，對兒童假人頸部的損傷較大。

4 結(jié)論

在仿真環(huán)境下對前置護(hù)體型和五點(diǎn)約束帶式兩種兒童約束系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能展開研究，通過研究發(fā)現(xiàn)，兩種兒童約束系統(tǒng)由于約束方式不同，對兒童乘員保護(hù)的側(cè)重點(diǎn)也有所不同。前置護(hù)體型兒童約束系統(tǒng)對兒童乘員綜合保護(hù)較好，五點(diǎn)約束帶式兒童約束系統(tǒng)對兒童乘員頸部損傷較大。

本文僅對前置護(hù)體型和五點(diǎn)約束帶式兒童約束系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行了探討，其它類型兒童約束系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能有待進(jìn)一步研究。

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作者介紹

Simulation Research on Dynamic Performance of Two Kinds of Child Restraint Systems

ZHANG Xuerong1，HE Juan1，WU Miao2，XU Changlong1
（1. School of Automobile and Traffic Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，Jiangsu，China；2. Mechanical and Electrical Product Testing Center，Jiangsu Entry-exit Inspection and Quarantine Bureau P.R.C，Wuxi 214000，Jiangsu，China）

By combining computer simulation with experiments, the paper built simulation models of impact shield and 5pt harness child restraint systems in MADYMO software according to the ECE regulations No.44, and the simulation models were verified by sled crash testing. Simulation research on dynamic performance of two kinds of child restraint systems were conducted. Research results show that, due to the different installation methods and constraints, there are significant differences in dynamic performance for different types of child restraint systems in the process of collision. When collision occurs, with the impact shield child restraint system, the child occupant has more serious chest injuries while with the 5pt child restraint system, more significant neck injuries were found.

child restaurant system; dynamic performance; simulation; injury; frontal collision

責(zé)任作者：張學(xué)榮(1976-)，男，江蘇句容人。博士，副教授，主要從事汽車被動(dòng)安全研究。E-mail：zhangxr@ujs.edu.cn

U461.91

A

10.3969/j.issn.2095-1469.2017.01.02

許長龍（1990-），男，江蘇連云港人。碩士，主要從事汽車被動(dòng)安全研究。 E-mail：292797603@qq.com

2016-05-22 改稿日期：2016-07-18

中國博士后科學(xué)基金（2013M541607）；江蘇省科技廳企業(yè)研究院項(xiàng)目（BM2013027）

用格式：

張學(xué)榮，何娟，吳淼，等. 兩種兒童約束系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能仿真研究[J]. 汽車工程學(xué)報(bào)，2017，7(1)：010-015.

ZHANG Xuerong，HE Juan，WU Miao，et al. Simulation Research on Dynamic Performance of Two Kinds of Child Restraint Systems [J]. Chinese Journal of Automotive Engineering，2017，7(1)：010-015. （in Chinese）