臺車加速度波形對3歲兒童損傷風(fēng)險影響的研究*

韓勇，李雄，黃紅武，蒼安國，水野幸治

(1.廈門理工學(xué)院，廈門364024;2.第三軍醫(yī)大學(xué)，重慶400038;3.廣東檢驗檢疫技術(shù)中心，廣州510000; 4.名古屋大學(xué)，日本464－8603)

臺車加速度波形對3歲兒童損傷風(fēng)險影響的研究*

韓勇1，2，李雄1，黃紅武1，蒼安國3，水野幸治4

(1.廈門理工學(xué)院，廈門364024;2.第三軍醫(yī)大學(xué)，重慶400038;3.廣東檢驗檢疫技術(shù)中心，廣州510000; 4.名古屋大學(xué)，日本464－8603)

用不同長度的圓形薄壁吸能管和不同質(zhì)量的臺車，采用有限元分析和臺車試驗進行擬合，獲得FMVSS213規(guī)定的動態(tài)試驗臺車碰撞加速度波形。將所得的臺車加速度波形和已有的ECE R44臺車加速度波形，加載到放置有Q3兒童有限元模型的兩種(汽車安全帶和ISOFIX固定式)背帶式前向兒童約束系統(tǒng)碰撞仿真模型中，通過仿真，分析了加速度波形對3歲兒童乘員的運動學(xué)響應(yīng)和損傷參數(shù)的影響。結(jié)果顯示，加載FMVSS213加速度波形的兒童乘員的前向運動學(xué)響應(yīng)比加載ECE R44加速度波形約提前20ms。加載FMVSS213加速度波形的頭部前向位移、HIC15和頭部與胸部的加速度均大于ECE R44工況。兩種工況的上頸部軸向力和胸部壓縮量無顯著差異，但上頸部軸向力均大于法規(guī)限值(1 705N)，而胸部壓縮量均小于法規(guī)限值(53mm)。研究結(jié)果表明，F(xiàn)MVSS213動態(tài)加載試驗對兒童約束系統(tǒng)的安全性評價要求更高，可為兒童約束系統(tǒng)的設(shè)計提供參考依據(jù)。

兒童約束系統(tǒng);薄壁圓管;加速度波形;損傷風(fēng)險

前言

世界衛(wèi)生組織研究表明，自從引進兒童約束系統(tǒng)后，兒童乘員的保護得到了明顯改善，然而交通事故依然是導(dǎo)致0－14歲兒童死亡的第二大原因［1－2］。我國每年有超過1.85萬名14歲以下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［3］。

動態(tài)性能試驗是評價汽車兒童約束系統(tǒng)安全性的重要指標(biāo)，動態(tài)性能的好壞直接決定了整個兒童約束系統(tǒng)的性能優(yōu)劣［4－5］，進而影響到兒童乘員的乘車安全。大量研究結(jié)果表明，采用圓形薄壁吸能管能有效復(fù)現(xiàn)兒童約束系統(tǒng)動態(tài)試驗加速度曲線。文獻(xiàn)［6］中利用圓形薄壁吸能管對ECE R44法規(guī)要求的曲線進行了模擬;文獻(xiàn)［7］中利用圓形薄壁吸能管模擬出滿足GB 27887—2011規(guī)定的加速度曲線，并采用臺車試驗方法對某兒童安全座椅進行了Q6假人損傷機理分析。本文中對美國FMVSS213法規(guī)［8］動態(tài)試驗加速度曲線進行擬合設(shè)計研究，并與ECE R44法規(guī)動態(tài)試驗加速度曲線進行仿真對比，分析了加速度波形對兒童乘員損傷風(fēng)險的評價，有利于提高兒童乘員在車輛碰撞過程中的安全性。

1 FMVSS213加速度波形擬合

1.1 臺車和吸能管仿真模型的建立

依據(jù)實驗室試驗臺車建立碰撞臺車有限元模型，臺車長2 620mm，寬1 070mm，采用單元為20mm劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)為17 210，節(jié)點數(shù)為19 730，材料為Q235鋼，并通過建立MASS質(zhì)量點來改變臺車質(zhì)量?？紤]到試驗時圓形吸能管更換的方便，建模時將圓形吸能管套在特制的圓形套筒內(nèi)(內(nèi)徑與圓形吸能管的外徑相同)，套筒采用六面體網(wǎng)格劃分，材料為剛體，如圖1所示。圓形吸能管網(wǎng)格單元大小為5mm，其輸入的材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線是采用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獲得，圖2和圖3分別為試驗樣件材料拉伸試驗過程和真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

仿真采用LS-DYNA模塊中*INITIAL_VELOCITY關(guān)鍵字卡片定義臺車運動方向速度，同時采用*BOUNDARY_SPC關(guān)鍵字卡片對剛性套筒施加全自由度約束。給整個工況施加一重力場9.81m/s2，計算時間控制為90ms。文中所建立的臺車碰撞吸能管工況涉及到的接觸如表1所示。

圖1 臺車和吸能管碰撞有限元模型

圖2 試驗樣件材料拉伸試驗過程

圖3 圓形薄壁吸能管真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表1 仿真中的接觸

1.2 碰撞加速度曲線的擬合仿真

FMVSS213法規(guī)只對正面碰撞提出了要求，且碰撞動態(tài)試驗中臺車制動碰撞速度有48和32km/h兩種［9］，模擬選用臺車在試驗過程中的速度變化"v為48km/h。通過擬合仿真，當(dāng)臺車質(zhì)量調(diào)整到900kg時，最終得到能復(fù)現(xiàn)出滿足法規(guī)碰撞加速度區(qū)間要求的組合吸能管的長度、厚度、直徑，如表2所示，吸能管的組合形式如圖4所示。

表2 碰撞組合吸能管參數(shù)mm

圖4 碰撞加速擬合吸能管組合模式

1.3 擬合加速度波形的臺車試驗驗證

根據(jù)仿真所確定的碰撞吸能管組合參數(shù)，將確定的組合吸能管套在特制的圓形套筒內(nèi)，圓形套筒固定在剛性墻上，并將試驗臺車質(zhì)量調(diào)整到900kg，如圖5所示。

圖5 臺車碰撞吸能管試驗

該試驗是在廣東檢驗檢疫技術(shù)中心的交通安全兒童座椅實驗室完成的，實際碰撞速度為46.5km/h，在法規(guī)要求范圍內(nèi)，與仿真設(shè)置速度48km/h相比，誤差為3%。碰撞試驗后吸能管變形長度如表3所示?？梢钥闯觯囼灪头抡嬷信鲎埠蟮奈芄荛L度相差約9mm，誤差為2.7%。

表3 碰撞后吸能管長度對比

圖6所示為碰撞中臺車的仿真和試驗得到的加速度曲線對比。從圖中可以看出，臺車加速度曲線在后段有微小超出了加速度區(qū)間上限外，其他都處于法規(guī)所要求的范圍內(nèi)。同時，試驗加速度曲線與仿真加速度曲線具有較好的一致性，二者的峰值及其出現(xiàn)時刻符合較好，所得到的碰撞加速曲線基本滿足要求，驗證了碰撞加速度曲線和仿真模型的有效性。

圖6 碰撞中臺車的加速度曲線對比

2 兒童約束系統(tǒng)仿真有限元模型

2.1 兒童約束系統(tǒng)—臺車模型的建立

基于歐洲兒童安全法規(guī)ECE R44建立CRS臺車碰撞仿真模型，主要包括汽車ECE R44試驗座椅、CRS和Q3兒童假人有限元模型［10］，如圖7所示。汽車試驗座椅模型由座墊和靠墊組成，均采用六面體單元劃分。兒童假人約束方式均采用五點式安全帶固定，兒童座椅分別為汽車安全帶和ISOFIX固定方式的兩款CRS座椅進行仿真，其中汽車安全帶固定CRS已得到驗證［11］。加載的ECE R44法規(guī)曲線通過PU管臺車試驗方法獲得［12］，如圖8所示。

圖7CRS臺車碰撞仿真模型

2.2 兒童假人運動響應(yīng)對比分析

圖8ECE R44法規(guī)要求的加速度曲線

圖9 為ECE R44和FMVSS213加速度工況下汽車安全帶固定和ISOFIX固定CRS的Q3兒童假人的運動學(xué)響應(yīng)。汽車安全帶固定的CRS，在加載ECE R44加速度曲線仿真中兒童假人約束系統(tǒng)在前60ms內(nèi)運動并不明顯，Q3假人在106ms時刻頭部位移達(dá)到最大值478mm;在加載FMVSS213加速度曲線仿真中兒童假人約束系統(tǒng)在前30ms內(nèi)運動并不明顯，Q3假人在88ms時刻頭部位移達(dá)到最大值489mm。ISOFIX固定的CRS，在加載ECE R44加速度曲線仿真中兒童假人約束系統(tǒng)在前40ms內(nèi)運動并不明顯，Q3假人在108ms時刻頭部位移達(dá)到最大值526mm;在加載FMVSS213加速度曲線仿真中兒童假人約束系統(tǒng)在前20ms內(nèi)運動并不明顯，Q3假人在90ms時刻頭部位移達(dá)到了最大值536mm。

圖9 兩種工況下CRS不同時刻動態(tài)響應(yīng)對比

仿真結(jié)果表明，汽車安全帶固定的CRS在正撞加速度加載過程中，Q3假人隨著CRS向前運動，之后在五點式背帶的作用下，頭部向前彎曲，達(dá)到最大位移后開始反彈向后運動。ISOFIX固定的CRS在正撞加速度加載過程中，Q3假人隨著CRS繞著ISOFIX接口轉(zhuǎn)動，之后在五點式背帶的作用下，頭部向前彎曲運動，達(dá)到最大位移后開始反彈向后運動。Q3假人在汽車安全帶固定和ISOFIX固定的CRS中頭部、胸部和盆骨在X－Z軸平面里的運動軌跡分別如圖10和圖11所示。分析運動軌跡可知，不論是汽車安全帶固定還是ISOFIX固定的CRS，在FMVSS213加速度加載工況下，假人頭部最大位移均比ECE R44加速度加載工況下要大，且假人在運動后期反彈更為明顯。

圖10 汽車安全帶固定CRS Q3假人頭部質(zhì)心、胸部質(zhì)心和盆骨質(zhì)心在X－Z平面內(nèi)的軌跡

圖11ISOFIX固定CRS Q3假人頭部質(zhì)心、胸部質(zhì)心和盆骨質(zhì)心在X－Z平面內(nèi)的軌跡

2.3 兒童假人損傷參數(shù)對比分析

ECE R44和FMVSS213加速度曲線對Q3兒童假人的損傷參數(shù)如表4所示。根據(jù)ECE R129法規(guī)，兒童乘員頸部損傷沒有明確規(guī)定損傷指標(biāo)，僅僅作為監(jiān)控項［13］，但文獻(xiàn)［14］中的研究表明:兒童乘員頸部和胸部是容易受傷部位，并對上頸部軸向力和胸部壓縮量的損傷極限值進行了設(shè)定。

在汽車安全帶和ISOFIX固定的五點式背帶CRS約束下，F(xiàn)MVSS213加速度工況下的頭部位移、HIC15、頭部加速度和胸部合成3ms持續(xù)加速度均比加載ECE R44加速度的工況高，但都在法規(guī)要求的極限值以下。兩種工況下的兒童假人的上頸部軸向力均超過損傷極限值1 705N，胸部壓縮量均低于損傷極限值53mm，且在同一CRS約束下兩種工況對兒童假人造成的上頸部軸向力和胸部壓縮量損傷值無明顯差異。

表4 兩種工況下Q3假人損傷值

圖12 頭部合成加速度曲線對比

在ECE R44和FMVSS213兩種工況下不同CRS約束時Q3假人的頭部、胸部和盆骨加速度—時間曲線如圖12～圖14所示。在汽車安全帶固定的CRS中，加載ECE R44加速度曲線的Q3兒童假人頭部加速度在101ms時刻達(dá)到峰值66.9g，胸部合成3ms持續(xù)加速度為41.4g;加載FMVSS213加速度曲線的Q3兒童假人頭部加速度在81ms時刻達(dá)到峰值74.2g，胸部合成3ms持續(xù)加速度為41.9g。在ISOFIX固定的CRS中，采用ECE R44加速度曲線加載的Q3兒童假人頭部加速度在106ms時刻達(dá)到峰值50.7g，胸部合成3ms持續(xù)加速度為30.9g;采用FMVSS213加速度曲線加載的Q3兒童假人頭部加速度在80ms時刻達(dá)到峰值57.2g，胸部合成3ms持續(xù)加速度為39.3g。在運動后期，由于假人的頭部與胸部撞擊，使胸部加速度曲線均出現(xiàn)了副波峰。不論是頭部、胸部還是盆骨的加速度，ECE R44與FMVSS213工況的曲線趨勢都比較相似，只不過FMVSS213加速度工況比ECE R44加速度工況提前發(fā)生大約20ms。

圖13 胸部合成加速度曲線對比

圖14 盆骨合成加速度曲線對比

3 結(jié)論

基于有限元方法，首先采用薄壁圓形吸能管擬合FMVSS213法規(guī)規(guī)定的試驗臺車加載的加速度曲線，接著采用Q3假人和兩款CRS(汽車安全帶固定和ISOFIX固定)有限元模型，根據(jù)ECE R44和FMVSS213加速度工況作為邊界條件對3歲兒童乘員的損傷風(fēng)險進行分析，得出以下結(jié)論。

(1)ECE R44與FMVSS213加速度曲線具有較大的差異，但是在同一CRS約束下兒童乘員的動態(tài)響應(yīng)以及頭部、胸部和盆骨的加速度—時間曲線具有較好的一致性，F(xiàn)MVSS213加速度工況明顯比ECE R44加速度工況提前發(fā)生約20ms。

(2)通過對比3歲兒童假人損傷參數(shù)可知，F(xiàn)MVSS213加速度曲線對兒童乘員造成的傷害明顯比ECE R44的傷害大，因此在兒童約束系統(tǒng)安全性評估上FMVSS213法規(guī)表現(xiàn)得更為嚴(yán)格。

(3)經(jīng)過有限元分析和臺車試驗驗證，當(dāng)臺車質(zhì)量為900kg時，用壁厚為1.5mm，直徑為76mm，長度分別為790，730和690mm的3根圓形薄壁吸能管可擬合出滿足FMVSS213法規(guī)要求區(qū)間的碰撞波形。且針對將圓形薄壁吸能管直接焊接在臺車上的傳統(tǒng)方法不利于更換的缺點，采用圓形薄壁吸能管固定在套筒內(nèi)，實現(xiàn)了圓形薄壁吸能管的簡單更換。

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A Study on the Effects of Sled Acceleration Waveform on the Injury Risk of 3-year-old Child Occupant

Han Yong1，2，Li Xiong1，Huang Hongwu1，Cang Anguo3＆Koji Mizuno4
1.Xiamen University of Technology，Xiamen364024;2.Third Military Medical University，Chongqing400038; 3.Guangdong Inspection and Quarantine Technology Center，Guangzhou510000; 4.Department of Mechanical Science and Engineering，Nagoya University，Japan464－8603

Different lengths of thin-walled energy-absorbing round tube and different masses of sled are used to conduct a fitting with finite element analysis and sled test to obtain the sled crash acceleration waveform of dynamic test provisioned in FMVSS213 regulation．The acceleration waveform obtained and existing one with ECE R44 are applied to two crash simulation models for forward child restraint system(CRS)with Q3 child seatbelt and ISOFIX FE models incorporated respectively，and a simulation is performed to analyze the influences of acceleration waveform on the kinematic response and injury parameters of 3-year-old child occupant．The results show that the forward kinematic response of child occupant with FMVSS213 acceleration waveform is 20 ms earlier than that with ECE R44 one，and the head forward displacement，HIC15，head acceleration and chest acceleration with FMVSS213 acceleration waveform are all larger than those with ECE R44 one．Upper neck axial force and chest deflection in both FMVSS213 and ECE R44 conditions have no apparent difference，but upper neck axial forces in both conditions all exceed regulation limit(1705 N)，while chest deflections are all smaller than regulation limit(53mm)．The results of study demonstrate that the FMVSS 213 dynamic loading test has higher requirements in safety evaluation of CRS，so can provide reference basis for CRS design．

child restraint system;thin-walled round tube;acceleration waveform;injury risk

10．19562/j．chinasae．qcgc．2017．06．009

*國家自然科學(xué)青年基金(31300784)、福建省自然科學(xué)基金面上項目(2016J01748)、2015年“福建省高校杰出青年科研人才培育計劃”和國家外專局高端外國專家團隊項目(GDT20143600027)資助。

原稿收到日期為2016年7月7日，修改稿收到日期為2016年8月16日。

韓勇，副教授，E-mail:yonghan@xmut．edu．cn。