兒童安全座椅中填充吸能泡沫對頭部的保護效果分析*

李海巖，李 健，崔世海，賀麗娟，阮世捷，呂文樂

（天津科技大學，現(xiàn)代汽車安全技術國際聯(lián)合研究中心，天津 300222）

前言

隨著汽車保有量的不斷增加，交通事故已成為導致兒童受傷及死亡的主要原因。歐洲的有關數(shù)據(jù)表明，側面碰撞是汽車交通事故中發(fā)生概率較高的一種形式，占所有碰撞事故的30%以上，僅次于正面碰撞，但側面碰撞造成的財產(chǎn)損失卻是最嚴重的［1］。美國死亡分析報告系統(tǒng)（FARS）指出，因乘坐于汽車后排死亡的1～8歲兒童乘員中，側面碰撞事故占到42%［2］。側面碰撞過程中，乘員身體的橫向位移導致與車輛內(nèi)飾的接觸是造成損傷的主要原因［3］。因此，對乘員進行適當約束，降低其橫向位移是防止損傷的有效方法。而對于不適合使用成人三點式安全帶的兒童乘員，安全座椅在側面碰撞過程中的保護效果受到越來越多的關注。

臨床研究數(shù)據(jù)表明，側面碰撞過程中，無論兒童乘員處于何種約束狀態(tài)，兒童受傷的嚴重程度主要取決于他的座位位置，近碰撞側兒童受到的傷害要比在后排中心位置和遠碰撞側的更為嚴重［4］。即使被約束在安全座椅中，近碰撞側兒童受到致命損傷風險的概率是坐在中心位置的2.5倍［5］。因此，對于側面碰撞過程中兒童乘員保護的研究，近碰撞側顯得尤為重要。

側面碰撞過程中，頭部損傷是導致近碰撞側兒童受傷或死亡的主要原因之一，雖然安全座椅的設計是為了保護汽車中的兒童乘員，但其減輕傷害的有效性取決于安全座椅設計的合理性［6］。Brown等［7］認為兒童安全座椅有側翼結構時，可以有效防止車門入侵和頭部直接碰撞引起的損傷。Kapoor等［8］研究表明，側面碰撞過程中，在安全座椅中添加矩形截面吸能泡沫時，可以降低假人頭部橫向位移44 mm。Arbogast等［9］認為最理想的降低側撞損傷對策是減少撞擊時向乘員傳遞的能量，但通過改進車門結構來降低車門的峰值速度在設計中難以實現(xiàn)，增加填充物不失為一種好的方法。因此，本文中將已驗證的6歲兒童有限元模型作為主要研究對象，根據(jù)ECE R129法規(guī)模擬汽車的側面碰撞，對比分析在安全座椅中填充不同材料的吸能泡沫墊對頭部的保護效果。

1 材料與方法

1.1 6歲兒童有限元模型

采用的6歲兒童有限元模型由天津科技大學損傷生物力學與車輛安全中心構建，其頭部、頸部、胸腹部和下肢等部位已分別通過重構尸體實驗驗證了有效性。模型中所有單元均采用共節(jié)點進行連接，共計751 510個節(jié)點和737 729個單元，其中包括540 508個體單元、197 221個殼單元。6歲兒童有限元模型及其頭部詳細解剖學結構見圖1。

1.2 吸能泡沫

泡沫塑料作為一種多相材料，由于基體材料和孔隙微觀結構的不同，其性能往往差別很大［10］。作為理想的吸能材料，泡沫結構不僅要能夠吸收大量的動能，還要確保不會對頭部傳遞過大作用力。本文中選取兩種常用的泡沫材料聚氨酯泡沫（PU）和聚苯乙烯泡沫（EPS）來研究其吸能效果。聚氨酯泡沫（PU）作為一種低密度泡沫材料，常用于汽車座椅和靠墊，彈性模量E＝0.1 MPa，密度ρ＝43 kg／m3，泊松比μ＝0.3，其材料特性根據(jù)頭部模型跌落實驗求得［11］；聚苯乙烯泡沫（EPS）常用于頭盔襯墊和產(chǎn)品包裝中，其材料強度較差，但具有很好的吸能特性，彈性模量E＝12 MPa，密度ρ＝32 kg／m3，泊松比μ＝0.01［12］。兩種泡沫的應力應變曲線見圖2。

圖2 兩種泡沫材料的應力應變曲線

1.3 側面碰撞仿真模型的建立

圖3為側面碰撞仿真模型。6歲兒童分別被約束在未填充和填充了泡沫的兒童安全座椅中，根據(jù)ECE R129法規(guī)中側面碰撞動態(tài)實驗及其相應要求進行加載。初始碰撞速度為25 km／h，減速度脈沖曲線如圖4所示［13］。汽車座椅與門板之間的間距為230 mm，泡沫厚度設置為30 mm。

2 仿真結果

圖3 側面碰撞仿真模型

圖4 減速度脈沖曲線

2.1 頭部性能指標HPC

ECE R129法規(guī)中用（HPC head performance criterion）作為一項評價頭部損傷情況的綜合指標，該指標是通過對大量的人體實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出的，其表達式為

式中：a為頭部質(zhì)心合加速度值，以重力加速度g（g＝9.8 m／s2）來測量；t1、t2分別為頭部與撞擊物開始接觸和結束接觸的時間間隔，為方便衡量損傷情況，一般選取其時間間隔為15 ms。

圖5給出了在局部坐標系下，兒童頭部質(zhì)心合加速度隨時間變化的曲線。從圖5中可以看出，當填充泡沫材料分別為PU和EPS類型時，加速度最大值分別為41.03g和58.41g，最大值分別出現(xiàn)在第38和30 ms。當安全座椅沒有填充泡沫時，頭部質(zhì)心合加速度最大值達到122.5g，其最大值出現(xiàn)在第42 ms。根據(jù)頭部質(zhì)心合加速度曲線和式（1）計算可得，PU、EPS和無泡沫的HPC（15）值分別為95.40、69.90和250.57。

圖5 頭部質(zhì)心合加速度曲線

2.2 腦組織Von Mises應力、顱內(nèi)壓、剪切應力和最大主應變

圖6所示為3種不同仿真條件下腦組織Von Mises應力出現(xiàn)最大值時的分布云圖。其中腦組織Von Mises應力最大值出現(xiàn)在胼胝體。從圖6（b）和圖6（c）中還可以看出，Von Mises應力在左右顳葉部位出現(xiàn)了應力集中現(xiàn)象，并以顳葉為中心向外逐漸減小，在腦組織前額頂葉和枕葉部位出現(xiàn)最小值，且腦組織兩側呈現(xiàn)出很好的對稱分布現(xiàn)象。當泡沫材料為PU時，腦組織的Von Mises應力云圖分布不是很對稱，在腦組織頂葉部位出現(xiàn)最小值。圖中Von Mises應力的最大值分別為3.85、8.54和25.64 kPa。

圖7為腦組織顱內(nèi)壓梯度云圖。從圖7中可以看出，腦組織的顱內(nèi)壓呈現(xiàn)梯度分布現(xiàn)象，在撞擊側的顳葉部位表現(xiàn)出最大值，在對撞側的顳葉部位出現(xiàn)最小值，且為顱內(nèi)負壓。3個仿真實驗中撞擊側顱內(nèi)壓的最大值分別為55.7、121.9和276.9 kPa，此時對應的對撞側最大顱內(nèi)負壓分別為-28.14、-75.93和-264.4 kPa。

圖8所示為腦組織剪切應力出現(xiàn)最大值時刻的應力分布云圖，與顱內(nèi)壓不同的是剪切正應力的最大值出現(xiàn)在對撞側的顳葉部位，并由對撞側向撞擊側逐漸減小，在撞擊側出現(xiàn)最大剪切負應力，并呈現(xiàn)出較好的梯度分布現(xiàn)象。圖中剪切正應力的最大值分別為28.58、76.29和156.5kPa，剪切負應力的最大值分別為-54.77、-120.75和-189.6 kPa。

圖6 腦組織Von Mises應力云圖

圖7 腦組織顱內(nèi)壓梯度云圖

圖8 腦組織剪切應力云圖

2.3 泡沫內(nèi)能變化

圖9給出了兩種不同材料泡沫的內(nèi)能隨時間變化的曲線。兩種泡沫的內(nèi)能均從28 ms時刻開始變化，其中PU泡沫兩次峰值出現(xiàn)的時刻均晚于EPS泡沫，且脈寬持續(xù)時間更長。PU泡沫中兩次峰值的出現(xiàn)時刻分別為38和132 ms，泡沫內(nèi)能的最大值為7 140.05 mJ；EPS泡沫的兩次峰值出現(xiàn)時刻分別為30和124 ms，且兩次波峰值相差不大，泡沫內(nèi)能的最大值為4 775.02 mJ。

圖9 泡沫內(nèi)能變化曲線

2.4 接觸力

圖10給出了頭部與泡沫接觸力隨時間變化的曲線。從圖中可以看出，PU泡沫接觸力峰值的出現(xiàn)時間要晚于EPS泡沫，且脈寬持續(xù)時間更長。PU泡沫中兩次接觸力峰值的出現(xiàn)時刻分別為38和132 ms，最大值為1 060.31 N；EPS泡沫中的兩次接觸力峰值出現(xiàn)時刻分別為30和124 ms，且第一次接觸力峰值要略大，最大接觸力為2 256.33 N。

圖10 頭部和泡沫接觸力變化曲線

3 討論

汽車側面碰撞事故中，由于車門的入侵和乘員的橫向位移，乘員頭部顳頂葉部位常與車輛內(nèi)飾發(fā)生接觸，導致側面碰撞的損傷風險要高于正面碰撞。雖然已知兒童乘員在側面碰撞中受傷的風險很大，但從生物力學角度講，由于其身高、體質(zhì)量與成年人有很大的差異，關于兒童乘員具體的傷害信息很少，因此，對側面碰撞中兒童乘員的保護進行討論研究是必要的。

當安全座椅中未添加泡沫時，頭部質(zhì)心合加速度最大值出現(xiàn)在頭部與安全座椅頭枕發(fā)生初始碰撞時刻。由于沒有泡沫的緩沖作用，頭部和頭枕短暫接觸之后立刻被彈回，而軀干在慣性力的作用下繼續(xù)運動，在頸部剪切力的作用下，頭部再次和頭枕碰撞，此時頭部速度已趨于緩和，故第二次波峰值較低。從圖5中可以看出，PU泡沫和EPS泡沫中加速度值均從26 ms時刻開始突變，此時頭部開始與泡沫接觸，隨著泡沫的壓縮和反彈，頭部加速度值先增加后減小，當泡沫壓縮量達到最大時刻，加速度值出現(xiàn)波峰。雖然EPS泡沫中頭部加速度最大值要大于PU泡沫，但由于PU泡沫與頭部的接觸時間更長，其加速度曲線脈寬更大，導致HPC值要略大于EPS泡沫。EPS泡沫中頭部合加速度在124 ms出現(xiàn)第二次波峰，此時頭部對安全座椅中另一側泡沫的壓縮量達到最大，其加速度值略小于第一次波峰。顯然，當安全座椅中添加泡沫時能顯著降低頭部最大加速度和HPC值，但由于兩種泡沫中HPC值和頭部加速度最大值不是成正比關系，因此單從HPC值無法判斷哪種泡沫的保護效果更好。

作為一種當量應力，Von Mises應力可以很好地反映出大腦的損傷情況，通常用來衡量腦震蕩的嚴重程度。3個仿真中Von Mises應力最大值均出現(xiàn)在胼胝體，說明胼胝體仍然是腦組織中最容易受到損傷的部位［14］。安全座椅中未添加泡沫時，頭部顳葉部位直接與安全座椅側翼頭枕部位碰撞，由于側翼材料剛度較大且外面只包裹了一層薄膜結構，故腦組織的Von Mises應力值較大，根據(jù)Baumgartner等［15］的研究結果，此時可能會引起輕微腦震蕩。

不同于正面碰撞，側面碰撞過程中頭部沿冠狀面旋轉角度較小，腦組織主要受到線性加速度的作用，最大顱內(nèi)壓出現(xiàn)在頭部與座椅頭枕或泡沫接觸的部位。發(fā)生撞擊時，撞擊側顱骨產(chǎn)生凹陷變形，腦組織受到顱骨的擠壓作用產(chǎn)生正壓力，隨著頭部的運動，壓力波開始由撞擊側向對撞側傳遞，從而在腦組織內(nèi)呈現(xiàn)出很好的梯度分布現(xiàn)象。

當頭部線性加速度較大時，腦組織不同部位的壓力梯度不同，會在腦組織內(nèi)產(chǎn)生局部剪切變形，由于腦挫傷和腦組織的剪切變形有關，因此剪切應力通常也用來衡量腦挫傷的嚴重程度［16］。當頭部與安全座椅碰撞時，腦組織在撞擊側受到擠壓作用，對撞側受到拉伸作用。從圖8中可以看出，腦組織剪切應力最大值均出現(xiàn)在顳葉部位，也即碰撞過程中腦組織擠壓和拉伸最為嚴重的部位，但同一個仿真中，腦組織撞擊側剪切負應力最大值要大于對撞側剪切正應力。

從圖6～圖8可以看出，當安全座椅中未添加吸能泡沫時，腦組織的Von Mises應力、顱內(nèi)壓和剪切應力等值要遠大于添加了吸能泡沫的仿真值，這說明在安全座椅中添加吸能泡沫可以有效降低顱腦損傷。但對比PU和EPS兩種泡沫對腦組織的保護效果可知，填充PU泡沫的仿真中，各項腦組織的參數(shù)值均低于EPS泡沫，進一步證明PU泡沫對頭部的保護效果要優(yōu)于EPS泡沫。

從圖9看出，兩種泡沫的內(nèi)能均從28 ms時刻開始變化，此時頭部剛開始與泡沫接觸。隨著頭部的運動，泡沫不斷被壓縮并將頭部的動能轉化為泡沫內(nèi)能，當壓縮量最大時，泡沫吸收的內(nèi)能也達到最大值。然后泡沫開始隨著頭部的彈回而回彈，并逐步釋放其吸收的內(nèi)能，直至頭部和泡沫完全分離，此時泡沫回彈到其初始狀態(tài)，內(nèi)能不再發(fā)生變化。當頭部被反彈后與安全座椅中另一側的泡沫碰撞時，泡沫內(nèi)能再次發(fā)生變化。對比圖9和圖10中曲線可知，頭部和泡沫之間的接觸力和泡沫內(nèi)能的變化趨勢幾乎保持一致，當泡沫壓縮量最大時，兩者之間的接觸力也達到峰值。在側面碰撞過程中，兒童頭部首先與安全座椅中靠近車門一側的泡沫碰撞，當頭部被反彈后會與另一側的泡沫碰撞，由于泡沫的吸能作用和反彈后頭部速度的降低，頭部和泡沫第二次碰撞的強度要低于第一次。但從圖9和圖10中可以看出，當使用EPS泡沫作為填充材料時，泡沫內(nèi)能以及接觸力曲線中出現(xiàn)的兩次峰值差別并不是很大，而PU泡沫中兩條曲線的第二次波峰值要顯著低于第一次波峰值，這主要是由于兩種材料的固有屬性決定的。

EPS泡沫的彈性模量要遠大于PU泡沫，從圖2中也可以看出，其應力應變曲線也要高于PU泡沫，說明EPS泡沫抵抗變形的能力更強。因此當頭部首先與近碰撞側的泡沫接觸時，頭部對兩種泡沫施加了相同的壓力，由于EPS泡沫的彈性模量較大，故其壓縮量較小，相比之下PU泡沫和頭部有更長的接觸時間，泡沫也能夠吸收更多的內(nèi)能。6歲兒童頭皮采用彈性材料，彈性模量為16.7 MPa［17］，與EPS泡沫材料的彈性模量相差不大，EPS泡沫在回彈過程中，又將大部分的泡沫內(nèi)能轉化為頭部動能，故頭部在與另一側泡沫碰撞過程中的接觸力以及泡沫內(nèi)能要大于PU泡沫。

4 結論

基于已驗證的6歲兒童乘員有限元模型進行側面碰撞仿真，對比分析在安全座椅側翼結構中頭枕部位安裝吸能泡沫對兒童乘員頭部的保護效果，得出結論如下。

（1）在側面碰撞過程中，當安全座椅未添加吸能泡沫時，頭部直接與側翼結構骨架部分接觸，由于骨架結構剛度較大，導致頭部質(zhì)心合加速度、HPC以及腦組織Von Mises應力、顱內(nèi)壓、剪切應力等值遠大于填充吸能泡沫時，所以安全座椅中填充泡沫可以有效降低側面碰撞過程中頭部的損傷。

（2）通過對比EPS和PU兩種泡沫的保護效果可以發(fā)現(xiàn)，盡管PU泡沫中HPC值略大，但頭部損傷的各項指標要低于EPS泡沫，且PU泡沫的吸能效果也更好，故安全座椅中填充PU泡沫的保護效果要優(yōu)于EPS泡沫。