具有环形腰带的四点式儿童安全带的设计与仿真研究*

曹立波，唐 彪，张冠军，颜凌波

(湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082)

前言

随着儿童安全不断受到重视，国内外已开发出多种汽车儿童约束系统来保护不同身高和年龄的儿童乘员，主要有婴儿提篮、可转换式儿童安全座椅、前向式儿童安全座椅、增高坐垫、集成式儿童安全座椅等。集成式儿童安全座椅与普通汽车集成为一体，无需用户自行安装从而能够避免误操作，已成为近年来儿童约束系统研究开发的重点，如在后排座椅上使用了集成式座椅［1］、一体式儿童安全座椅和新型集成式儿童安全座椅［2］等。

目前，儿童约束系统配备的安全带类型主要有成人三点式和专为儿童开发的四点式、五点式等。由于儿童骨骼发育不完全，在碰撞过程中成人三点式安全带易对儿童肩部和胸部产生局部伤害;佩戴传统四点式安全带的儿童在碰撞过程中容易出现“下潜”;五点式安全带的胯带会影响儿童乘坐的舒适性，且不便安装在集成式儿童安全座椅上使其随坐垫高度而调整以适应不同年龄的儿童。

本文中提出了一种能够配备在集成式儿童安全座椅上的具有环形腰带的四点式儿童安全带。该安全带腰带采用了环形结构且安全带能随儿童乘员乘坐高度的变化而调整。建立并验证了基于P6假人的正面碰撞仿真模型;优化了安全带相关参数;最后对比了3岁、6岁和10岁儿童假人在安全带优化前后的损伤情况。

1 结构设计与工作原理

所提出的具有环形腰带的四点式儿童安全带主要包括肩带、腰带、肩腰带连接件、肩带导向机构、肩腰带连接固定件、肩带卷收器连接件和卷收器等，如图1所示。

肩带1穿过安装在座椅靠背上部的肩带导向机构4。相对于座椅靠背，肩带1被分成前后两部分，其中肩带1的前部通过肩腰带连接件3与腰带2连接，该肩带1的后部则通过肩带卷收器连接件6与卷收器7连接，腰带2通过腰带连接固定件5固定在座椅上。

具有环形腰带的四点式儿童安全带的左、右肩带和腰带能够分别舒适地贴合在儿童的左、右肩部和胯部，使儿童在汽车碰撞过程中受到的冲击得到很好的分散，避免对儿童产生局部损伤。将腰带设计成环形结构，内层腰带与儿童胯部贴合，外层与肩腰带连接件联结。在碰撞过程中，外层腰带受到肩带的拉力，使内层腰带更加紧密地贴合儿童胯部，从而能够有效地防止儿童的“下潜”。通过两次碰撞试验，如图2所示，证明了具有环形腰带的四点式儿童安全带能较好地防止儿童在碰撞过程中“下潜”。

2 仿真研究

为便于后续对儿童安全带进行参数优化，改善该安全带对儿童的保护效果，本文中建立了儿童安全带正面碰撞仿真模型，并通过碰撞试验验证了仿真模型的有效性。

2.1 正面碰撞仿真模型的建立

根据试验所使用的某国产汽车后排座椅和增高坐垫尺寸，采用多刚体动力学软件MADYMO 6.2.1建立了正面碰撞仿真模型，如图3所示。主要包括汽车后排座椅、增高坐垫、后排中间位置新型四点式儿童安全带和P6儿童假人模型。后排座椅尺寸为1 240mm×500mm ×625mm，坐垫角度 15°，靠背角度22°。后排座椅由多个超椭球组成，分别代表坐垫、靠背和头枕，整个座椅模型定义为一个刚体。增高坐垫用一个超椭球体代替，由于增高坐垫设计为汽车座椅的一部分，故将其与汽车座椅定义为同一个刚体。新型四点式儿童安全带采用多刚体与有限元相耦合的混合安全带模型，肩腰带连接件采用有限元安全带模拟，且采用共节点方法来模拟安全带肩腰带连接件与腰带和肩带的连接。利用MADYMO中的关键字BELT_RETRACTOR在图3(b)所示的卷收器位置建立卷收器。另外，位于环形腰带两端的腰带滑环用超椭球表示，左右两个腰带滑环分别定义为不同的刚体。仿真模型中使用TNO公司开发的P6儿童假人模型。

2.2 正面碰撞仿真模型的验证

在湖南大学汽车碰撞实验室进行了基于Q6假人的台车正面碰撞试验。将某国产汽车后排座椅和改装的增高坐垫安装在台车上，儿童假人通过安全带约束在座椅上，台车试验装置如图4所示，总质量为437kg，符合法规要求。由于增高坐垫和四点式安全带均为试制件，强度刚度难以保证，为安全起见，碰撞速度设为不超过 30km/h，实际碰撞速度28.5km/h，台车碰撞试验加速度曲线如图5所示。

将图5所示的碰撞加速度曲线作为仿真模型的输入进行了相同条件下的碰撞仿真。仿真与试验的假人头部和胸部的三向合成加速度曲线以及安全带肩带和腰带的拉力曲线对比如图6所示。结果表明，仿真与试验的头部加速度曲线、胸部加速度曲线以及肩带、腰带力曲线在脉宽、形状、变化趋势和峰值范围均比较接近，仿真结果和试验结果基本吻合。表1中总结了试验和仿真得到的假人损伤参数。假人头部合成加速度和胸部合成加速度峰值误差分别为8.98%和0.28%，主要是由于在碰撞试验中，汽车后排座椅靠背和增高坐垫有一定的弹性变形，而在仿真中没有考虑。总体上看，误差还是在允许范围内。因此，认为所建立的新型四点式儿童安全带正面碰撞仿真模型有效可行，可以将此模型用于后续的研究工作。

表1 试验和仿真假人损伤参数

3 具有环形腰带的四点式儿童安全带参数优化

利用已验证的仿真模型，对新型四点式儿童安全带参数进行优化，为儿童乘员提供更好的保护效果。

3.1 确定设计变量、目标函数和约束条件

安全带肩带在儿童假人肩部的位置及肩腰带连接件在儿童假人胸部的贴合位置是影响安全带对儿童乘员保护效果的两个最重要的因素［3］，故提取两肩带滑环间距W和肩腰带连接件高度H两个参数作为优化变量，如图7所示。为了确保安全带贴合在儿童乘员身上时不能接触儿童颈部，原模型中W=230mm，H=110mm，确定W和H的取值范围分别为190mm≤W≤290mm;30mm≤H≤130mm。

本文中采用儿童乘员约束准则CIC(child injury criterion)作为优化研究的目标值，CIC充分考虑了儿童假人头部HIC36、颈部Nij和胸部累积3ms合成加速度峰值C3ms等损伤值，该损伤准则表达式［4］为

式中:FZ为颈部轴向力，FZC为轴向力的耐受极限值，Mocy为颈部关于枕骨节的弯矩，Myc为弯矩的耐受极限值，C3ms为胸部累积3ms合成加速度峰值。FZC和Myc取值见2010年修订的FMVSS 208法规。

综合上述分析，可以得出四点式儿童安全带的仿真模型优化数学表达式为

3.2 试验设计和数据采集

采用均匀设计安排采样试验。将W、H在取值范围内均分为6等份，故选用U24(62)均匀设计表，安排24组仿真试验，如表2所示。

根据均匀设计方法得到的试验方案，修改新型四点式儿童安全带相关参数进行了24组碰撞仿真，得到了24组儿童损伤数据，部分损伤数据见表3。

表2 均匀设计表U24(62)

表3 试验设计方案和仿真结果

对24组方案对应的儿童损伤结果进行分析表明，随着肩带滑环间距 W 的增大，HIC36、Nij、C3ms损伤值呈下降趋势，但在W超过270mm，达到290mm时，各损伤值会有不同幅度的上升。这是由于随着肩带滑环间距的增大，左右肩带离儿童乘员颈部的距离增大，在碰撞过程中，安全带对假人颈部的约束会减小，且对假人肩部和胸部的约束效果会更好;而当距离过大时，左右肩带对假人肩部、胸部的约束力会减小。同样，随着前部肩腰带连接件至腰带的距离 H 的减小，HIC36、Nij、C3ms等损伤值均呈下降趋势，但当距离小于50mm时，HIC36、Nij和C3ms值均稍有增加，原因是随着H值减小，肩带连接点离儿童假人颈部距离变大，在碰撞过程中肩腰带连接点对儿童胸部和肩部约束更好，而当H值过小时，肩带对假人胸部和肩部的约束力减小，但H值的变化对假人损伤参数的影响较小。

3.3 代理模型的构造与优化

以加权损伤值CIC为设计目标，利用SAS软件对表3中的结果进行逐步回归分析来构造三次多项式响应面代理模型。所得回归模型的显著性概率小于0.000 1，回归模型高度显著有效。模型的决定系数为0.992 6，说明模型总体拟合效果好。三次多项式响应面模型表达式为

利用Matlab软件中的优化工具，采用遗传算法对该响应面模型进行最优求解，得到最优设计值W=249.316mm，H=51.548mm，此时对应的CIC预测值为0.213 43。将该W、H值代入MADYMO仿真模型进行计算，得到相应的CIC值为0.216 5。代理模型的优化值与实际仿真值的相对误差为1.43%，优化达到收敛条件，优化过程结束。

将优化后的仿真损伤值与原模型的损伤值进行对比，如表4所示。从表4中可知，优化后模型的CIC值比原模型降低了12%，这表明经过参数优化后的新型四点式儿童安全带对儿童乘员的保护效果得到了较大改善。

表4 优化模型与原模型损伤值对比

4 安全带优化前后不同年龄儿童损伤参数对比

采用多体动力学软件MADYMO 6.2.1分别建立了3岁、6岁和10岁儿童假人的正面碰撞仿真模型。碰撞速度为50km/h，选用了 MADYMO数据库e_tonp34el.xml例子中的碰撞加速度-时间函数，如图8所示，该碰撞加速度曲线符合 ECE R44 法 规［5］的要求。

表5对比了3岁、6岁和10岁儿童假人在新型四点式儿童安全带优化前后的各损伤参数峰值及法规参考值。

表5 安全带优化前后3岁、6岁和10岁儿童在50km/h碰撞速度下的损伤值对比

由表5可知，优化后的具有环形腰带的四点式儿童安全带对3岁、6岁和10岁儿童假人的保护效果都得到了改善。优化前儿童乘员的某些损伤峰值超出了法规值，优化后损伤峰值有明显下降，并都在法规范围或推荐值内。由此可见，优化后的具有环形腰带的四点式儿童安全带对3～10岁儿童乘员均提供了有效保护。

5 结论

提出一种具有环形腰带的四点式儿童安全带，结构简单，操作方便，且环形腰带能较好地防止儿童乘员碰撞时“下潜”。建立并验证了该安全带正面碰撞仿真模型，对安全带参数进行了优化。对比了该安全带优化前后3岁、6岁和10岁儿童假人在50km/h碰撞速度下的损伤指标。结果表明，该安全带能为3～10岁儿童乘员提供有效保护，优化后的安全带对儿童乘员的保护效果得到改善。

［1］ Lotta Jakobsson，Henrik Wiberg，Irene Isaksson-Hellman，et al.Reat Seat Safety for the Growing Child-a New 2-stage Integrated Booster Cushion［C］.Proc of 20th Int.ESV Conf.，Paper No.07-0322，Lyon，France，2007.

［2］ Cao L B，Chen H，Ren X J，et al.Study on an Integrated Child Safety Seat［J］.Applied Mechanics and Materials，2010，34-35:517-522.

［3］ Michael Griffiths，Julie Brown，Michael Paine.A Safe Ride Height Line for Child Occupants［C］.Vehicle Design＆ Research，NSW，Australia，Paper No 09-0354.

［4］ 马伟杰.基于6岁离位儿童乘员的安全气囊参数优化研究［D］.长沙:湖南大学机械与运载工程学院，2011:33-34.

［5］ ECE Regulation No.44，Uniform Provisions Con-cerning the Approval of Restraining Devices for Child Restraints of Power-Driven Vehicles，03 Se-ries［S］.ECE，EUROPE，2001.