兒童安全座椅側(cè)面碰撞頭部保護研究*

呂孟寬，楊 欣，許述財，黃彬兵，李少鵬，霍 鵬，邊永亮

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，保定071000；2.清華大學(xué)，汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室，北京100084；3.清華大學(xué)，蘇州汽車研究院（相城），蘇州215134）

前言

隨著私家車數(shù)量的不斷增加，交通事故成為威脅兒童生命安全的重要原因。我國道路交通傷害已成為0-17歲兒童傷害致死的第2位原因［1］。乘車中正確使用汽車兒童安全座椅可以有效降低兒童乘員的死亡率［2］，世界衛(wèi)生組織報告指出，兒童乘員約束系統(tǒng)可使因乘車事故死亡的幼兒減少54%～80%［3-4］。歐洲ECE R129、ECE R44、美國FMVSS213和我國的《機動車兒童乘員用約束系統(tǒng)》標準等［5-6］，為研究兒童安全座椅在發(fā)生碰撞過程中兒童乘員運動響應(yīng)和損傷情況提供了理論依據(jù)。

與真實碰撞試驗相比，仿真軟件具有降低開發(fā)成本、縮短研發(fā)周期等優(yōu)勢。Park等［7］和Kapoor等［8-9］采用有限元仿真方法研究了兒童約束系統(tǒng)對兒童乘員的防護效果，通過臺車碰撞測試驗證了有限元仿真分析可代替部分臺車碰撞測試。曹立波等［10-11］建立了兒童乘員約束系統(tǒng)仿真模型和整車有限元模型，根據(jù)E-NCAP評價了約束系統(tǒng)對兒童乘員頭部的防護效果。臧孟炎等［12］通過仿真研究了某款汽車兒童安全座椅側(cè)面碰撞性能，發(fā)現(xiàn)側(cè)面碰撞時假人的頭部加速度峰值大于前、后碰撞的仿真值，說明汽車兒童約束系統(tǒng)側(cè)面碰撞是兒童約束系統(tǒng)研究的重要方向。張金換等［13］根據(jù)歐洲ECE R129法規(guī)中兒童座椅側(cè)面碰撞保護性能的要求，建立了側(cè)面碰撞臺車試驗系統(tǒng)。楊濟匡等［14-15］采用多體動力學(xué)軟件MADYMO進行兒童乘員側(cè)面碰撞仿真，優(yōu)化了兒童約束系統(tǒng)和側(cè)面氣囊對兒童頭部的防護效果。Kapoor等［8］研究表明，側(cè)面碰撞過程中，在安全座椅頭枕中添加矩形截面吸能泡沫，可使假人頭部橫向位移減小44 mm。李海巖等［16］在已驗證的6歲兒童乘員有限元模型上，根據(jù)ECE R129法規(guī)模擬汽車的側(cè)面碰撞，對比分析了在安全座椅頭枕中填充EPS和PU兩種不同吸能泡沫對頭部的保護效果。

泡沫塑料作為理想的吸能材料，不僅要能吸收大量的動能，還要確保不會對頭部傳遞過大的作用力。EPP發(fā)泡材料具有吸能效果好、抗震抗壓能力強等優(yōu)點，在汽車行業(yè)得到廣泛認可［17］。本文中在已通過試驗驗證的臺車仿真模型基礎(chǔ)上，將EPP材料作為兒童安全座椅頭枕部位填充材料，通過兒童假人頭部運動響應(yīng)和損傷分析，對比了頭枕部位填充EPP材料和普通材料的保護效果。

1 側(cè)面碰撞仿真模型的建立

座椅仿真模型為一款國產(chǎn)汽車兒童安全座椅，基于ECE R129法規(guī)側(cè)撞動態(tài)加載試驗方法，建立臺車碰撞仿真模型，使用Q3假人有限元模型分析汽車側(cè)撞過程中兒童頭部運動響應(yīng)和損傷情況。汽車座椅與門板之間距離為135 mm，安全座椅頭枕兩側(cè)厚度為40 mm，中間厚度為20 mm，對頭枕材料為普通材料的安全座椅進行仿真，普通材料采用MAT57（MAT LOW DENSITY FORM）材料卡片，設(shè)置材料密度為ρ=40 kg∕m3，彈性模量E=5 MPa。臺車碰撞仿真模型如圖1所示，圖2為臺車側(cè)撞門板速度波形圖［16］。

圖1 臺車側(cè)撞仿真模型

圖2 門板速度波形圖

2 側(cè)面碰撞仿真對標

為驗證仿真的準確性，利用建立的臺車側(cè)撞系統(tǒng)，將標定過的Q3兒童假人放入安裝普通材料頭枕的兒童座椅中，進行滿足ECE R129法規(guī)的側(cè)面碰撞標準試驗。初速度設(shè)置為25 km∕h，臺車總質(zhì)量為830 kg，利用傳感器采集Q3假人頭部加速度，與仿真結(jié)果進行對比，碰撞過程運動狀態(tài)由高速攝像機（1 000幀∕s）獲取，試驗現(xiàn)場如圖3所示。

圖3 側(cè)面碰撞試驗圖

試驗采集Q3假人頭部加速度與仿真加速度曲線對比如圖4所示。在實際側(cè)撞試驗中，頭部合成加速度峰值偏大，最終測定兒童頭部加速度最大峰值為91.0g，出現(xiàn)在35.6 ms，仿真結(jié)果加速度最大峰值為84.1g，出現(xiàn)在36.8 ms。在臺車碰撞試驗中，61.5 ms處出現(xiàn)第二次加速度波峰，其原因為臺車上ISO FIX接口碰到限位塊，導(dǎo)致假人頭部與頭枕另一側(cè)發(fā)生碰撞，產(chǎn)生加速度，而在仿真中未設(shè)置該約束?？傮w而言，試驗結(jié)果與仿真結(jié)果數(shù)值差異在合理范圍之內(nèi)，試驗結(jié)果與仿真結(jié)果曲線基本吻合，且都滿足ECE R129法規(guī)的要求，證明有限元仿真模型模擬兒童座椅側(cè)撞試驗的有效性。

圖4 試驗與仿真加速度對比圖

3 EPP泡沫材料的動態(tài)力學(xué)性能

3.1 EPP泡沫材料力學(xué)性能試驗

發(fā)泡聚丙烯（EPP）是一種聚合物泡沫材料，當(dāng)受到壓縮時，其胞元微孔受到擠壓，微孔體積變化引起泡沫材料的形變，從而消耗沖擊能量，起到保護兒童頭部安全的作用。

試驗采用30倍發(fā)泡率EPP泡沫，統(tǒng)一選用邊長為50 mm的立方體試樣，在試樣不同位置測量，保證長、寬、厚的誤差在±1 mm之內(nèi)。試驗前對樣本進行預(yù)處理，確保所有樣本均在溫度27℃±1℃，相對濕度70%±2%的條件下暴露24 h以上。設(shè)置應(yīng)變率為單一變量，共分3組，每組試驗使用3個EPP試樣，每個試樣重復(fù)試驗5次，通過計算平均值獲取每個應(yīng)變率速度下的平均應(yīng)力-應(yīng)變曲線，試驗方案如表1所示。參考標準GB∕T 8167—2008，采用萬能試驗機對EPP材料進行靜態(tài)單向壓縮試驗，設(shè)置應(yīng)變率為0.001 s-1，動態(tài)單向壓縮試驗采用高速拉伸試驗機和跌落試驗機進行，通過貼片力傳感器記錄EPP試樣應(yīng)變-應(yīng)力曲線，低、高速攝像機在試驗過程中進行圖像采集。圖5為EPP材料50 s-1應(yīng)變率的動態(tài)壓縮試驗圖。

表1 EPP材料力學(xué)性能測試

圖5 EPP材料應(yīng)變率50 s-1的動態(tài)壓縮試驗圖

EPP材料不同應(yīng)變率應(yīng)變-應(yīng)力曲線如圖6所示。隨著應(yīng)變不斷增加，應(yīng)力-應(yīng)變曲線由平穩(wěn)增長變成驟增，其原因是EPP材料進入緊實化變形階段，空穴幾乎消失，相對的空穴壁面開始接觸，固體本身受到擠壓。曲線與橫坐標軸圍成面積表示EPP材料單位體積吸收能量。由圖可知，EPP材料吸能大小隨彈性變形增大而增大，在曲線中間緩慢增長階段面積較大，該階段可吸收大部分沖擊能，雖然隨著曲線迅速上升，面積增大，但該階段空穴內(nèi)的氣體壓縮連同孔面上出現(xiàn)的膜應(yīng)力使EPP材料應(yīng)力劇增，吸能效果大大減弱。通過對比可得，相同應(yīng)變時，EPP材料應(yīng)力隨著應(yīng)變率的增大而增大，在快速沖擊條件下，能吸收更多的沖擊能，且應(yīng)力劇增現(xiàn)象會提前。

圖6 EPP材料不同應(yīng)變率的壓縮試驗結(jié)果

3.2 EPP泡沫材料力學(xué)性能表征

對EPP材料的精確表征和參數(shù)標定，是后續(xù)進行碰撞保護研究的重要前提。雖然通過EPP材料的力學(xué)行為研究得到了大量的力學(xué)特性相關(guān)的試驗數(shù)據(jù)，但在進行碰撞仿真前還須確定EPP材料在碰撞仿真中采用的材料模型和相應(yīng)的材料模型的輸入?yún)?shù)。采用LS-DYNA仿真軟件，通過圓柱體壓縮EPP試樣得到壓縮載荷-位移曲線，圓柱體選用剛體材料MAT20來 模 擬，EPP試 樣 選 擇MAT83（MAT FU CHANG FORM）材料卡片進行相關(guān)材料參數(shù)標定。MAT83是基于統(tǒng)一的泡沫材料本構(gòu)方程，可模擬常用的中低密度泡沫塑料，包含應(yīng)變率效應(yīng)，并有應(yīng)變率敏感的卸載滯后特性。為模擬EPP的收斂性能，MAT83材料卡片中DAMP參數(shù)設(shè)置0.05，TBID中輸入3組不同應(yīng)變率下的工程壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線，通過標定HU和SHAPE參數(shù)模擬材料卸載特性。MAT83材料卡片參數(shù)標定如表2所示。

表2 MAT83材料卡片輸入?yún)?shù)

參考標準GB∕T 8167—2008制作EPP材料試樣，與仿真模型保持一致，使用跌落試驗機對其進行壓縮試驗，如圖7所示。將試樣放在連接有貼片力傳感器的支撐座上，平錘頭以50 s-1的應(yīng)變率下落，考慮到試驗誤差的影響，重復(fù)試驗操作5次。

圖7 跌落試驗機壓縮試驗圖

EPP試樣在跌落試驗機的壓力作用下發(fā)生變形，得到載荷-位移曲線。試驗結(jié)果與仿真結(jié)果對比如圖8所示。由圖可見，在加載段吻合較好，仿真中通過標定HU和SHAPE參數(shù)模擬其卸載特性，使模擬結(jié)果在卸載起始段與試驗擬合較好，后期卸載載荷偏高。綜合來說，MAT83材料卡片能較好地模擬碰撞工況下EPP材料的力學(xué)響應(yīng)。

圖8 MAT83材料模擬曲線與試驗曲線對比

4 仿真結(jié)果對比

4.1 兒童假人動態(tài)響應(yīng)分析

圖9為安全座椅頭枕填充EPP材料后，與填充普通材料的運動響應(yīng)對比。兩種頭枕座椅中兒童頭部與頭枕接觸力曲線如圖10所示。由圖可見，兩種頭枕座椅中Q3假人運動響應(yīng)相似，與Q3假人頭部接觸力峰值都集中在34～64 ms之間，34 ms前和64 ms后接觸力幾乎為0。EPP材料頭枕座椅中兒童頭部在36.2 ms時刻與頭枕接觸力最大，為742.3 N，此時頭部最大加速度為59.7g；普通材料頭枕座椅中兒童頭部在37 ms時刻與頭枕接觸力最大，為1 075.3 N，此時頭部最大加速度為87.6g。

圖9 兩種頭枕座椅中兒童頭部響應(yīng)對比

圖10 頭部與兩種頭枕接觸力曲線

4.2 兒童假人傷害指標分析

4.2.1 頭部加速度

汽車側(cè)面碰撞過程中，Q3假人頭部在重力、頭枕對頭部的碰撞力和頸部對頭部的作用力的作用下產(chǎn)生加速度，其大小是評價Q3假人頭部損傷情況的重要指標。

圖11為兩種材料頭枕座椅中Q3假人頭部X軸方向橫向加速度曲線對比。由圖可見，EPP材料頭枕座椅中假人頭部在36.1 ms時刻出現(xiàn)X軸方向加速度峰值20g；普通材料頭枕座椅中假人頭部在36.5 ms時刻出現(xiàn)X軸方向加速度峰值31.1g。在側(cè)面碰撞中，當(dāng)頭部X軸方向位移較大時，Q3假人頸部會施加相反方向的力，使頭部恢復(fù)原位。相比之下，EPP材料頭枕座椅中的兒童頭部X軸方向加速度峰值比普通材料頭枕座椅小11.1g，峰值出現(xiàn)時間差異很小，EPP材料在一定程度上減小了頭枕對頭部的沖擊作用。

圖11 Q3假人頭部X軸方向加速度曲線

圖12為兩種頭枕座椅中Q3假人頭部Y軸（上下方向）加速度曲線對比。由圖可見，EPP材料頭枕座椅中假人頭部在34.6 ms時刻出現(xiàn)Y軸方向加速度峰值48.3g；而普通材料頭枕座椅中假人頭部在36.8 ms時刻，出現(xiàn)Y軸方向加速度峰值79.9g。側(cè)面碰撞過程中，Q3假人頭部在頸部和重力作用下，先向下運動，再恢復(fù)原位。相比之下，EPP材料頭枕座椅中Q3假人頭部Y軸方向加速度峰值明顯比普通材料頭枕座椅減小了31.6g，峰值出現(xiàn)時刻提前了2.2 ms。

圖12 Q3假人頭部Y軸方向加速度曲線

圖13為兩種頭枕座椅中Q3假人頭部Z軸方向（前后方向）加速度曲線對比。由圖可見，EPP材料頭枕座椅中假人頭部在41.5 ms時刻出現(xiàn)Z軸加速度峰值9.3g；而普通材料頭枕座椅中假人頭部在38 ms時刻出現(xiàn)Z軸方向加速度峰值11.4g。頭部Z軸方向加速度主要由頭枕與頭部碰撞產(chǎn)生，當(dāng)頭部Z軸方向位移較大時，Q3假人頸部會施加相反方向的力，使頭部恢復(fù)原位。相比之下，EPP材料頭枕座椅中Q3假人頭部Z軸方向加速度峰值比普通材料頭枕座椅減小了2.1g，出現(xiàn)峰值的時刻延遲了3.5 ms，兩種頭枕座椅中Q3假人頭部均出現(xiàn)前傾現(xiàn)象。

圖13 Q3假人頭部Z軸方向加速度曲線

圖14為兩種頭枕座椅中Q3假人頭部合成加速度曲線對比。由圖可見，EPP材料頭枕座椅中假人頭部在34.6 ms時刻出現(xiàn)合成加速度峰值49.1g；而普通材料頭枕座椅中假人頭部在36.8 ms時刻出現(xiàn)合成加速度峰值84.1g。Q3假人頭部加速度波動范圍主要集中在25～60 ms之間，其他時間段加速度基本為0。相比之下，EPP材料頭枕座椅中Q3假人頭部合成加速度波動峰值比普通材料頭枕座椅顯著減小了35g，峰值出現(xiàn)時刻提前了2.2 ms。

圖14 Q3假人頭部合成加速度曲線

4.2.2 頭部性能指標HPC

HPC（head performance criterion）為ECE R129法規(guī)中評價頭部損傷情況的綜合指標。該指標通過大量的人體試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出［17］，其表達式為

式中：a為頭部質(zhì)心在單位重力下測得的合加速度；t1、t2分別為頭部與撞擊物開始接觸和結(jié)束接觸的時刻，以秒為單位，為方便衡量損傷情況，一般取其時間間隔t2-t1=15 ms。

兩種頭枕座椅中兒童頭部損傷數(shù)值如表3所示，均滿足法規(guī)要求，安裝EPP材料頭枕的座椅比安裝普通材料頭枕座椅的HPC降低18.28，頭部3 ms加速度減小3.12g。證明EPP材料用于兒童安全座椅頭枕可有效保護兒童頭部，降低側(cè)撞事故中兒童頭部損傷值。

5 結(jié)論

通過臺車側(cè)撞試驗驗證了有限元仿真模型的有效性，為后續(xù)進行仿真提供基礎(chǔ)。對EPP材料進行了不同應(yīng)變率壓縮試驗與材料卡片標定，在有限元座椅頭枕模型中填充EPP材料，與填充普通材料進行對比，驗證了EPP材料用于兒童安全座椅的防護效果，得出以下結(jié)論。

（1）通過壓縮試驗與有限元仿真對標，得到EPP材料在碰撞仿真中采用的材料模型和相應(yīng)的材料模型輸入?yún)?shù)，MAT83（MAT FU CHANG FORM）包含應(yīng)變率效應(yīng)，并有應(yīng)變率敏感的卸載滯后特性，能夠較好地模擬EPP材料頭枕在碰撞工況下的力學(xué)響應(yīng)。

（2）采用有限元仿真方法，對比分析了EPP材料和普通材料的保護效果。結(jié)果表明，采用EPP材料后，Q3假人模型頭部HPC值降低了24.9%，頭部3 ms加速度降低了8.1%，證明EPP材料用于兒童安全座椅頭枕材料，可有效降低兒童頭部損傷，保護兒童頭部安全。