校车儿童约束系统防护性能有限元分析

韩勇，谢金萍，李雄，杨阳，水野幸治，庄首吉（.厦门理工学院，福建厦门6000；2.第三军医大学交通医学研究所，重庆0002）.名古屋大学，名古屋6-860；.厦门金龙旅行车有限公司，福建厦门6006）

校车儿童约束系统防护性能有限元分析

韩勇1，2，谢金萍1，李雄1，杨阳1，水野幸治3，庄首吉4
（1.厦门理工学院，福建厦门361000；2.第三军医大学交通医学研究所，重庆400042）3.名古屋大学，名古屋464-8603；4.厦门金龙旅行车有限公司，福建厦门361006）

分析儿童乘员在校车正面碰撞中无安全带约束，使用2点式、3点式和5点式儿童安全带约束条件下的儿童假人的动力学响应和头、胸部的损伤物理参数；分析3点式安全带的两种误用情况下的儿童假人的有关物理损伤参数。结果表明，在正面碰撞事故中，使用5点式儿童安全带更有利于儿童乘员保护；正确使用3点式儿童安全带可以减轻头、胸部损伤风险。

校车；儿童约束系统；正面碰撞；防护性能

统计数字显示，每年我国有超过1.85万名14岁以下儿童死于道路交通事故，儿童因交通事故的死亡率是欧洲的2.5倍、美国的2.6倍［1］。交通事故已经成为我国儿童意外伤亡中仅次于溺水的第二大原因［2］。欧美日等发达国家或地区对儿童乘员保护有专门的法规要求并已实施，我国在儿童乘员安全方面的研究起步较晚［3］。虽然新版强制性国家标准GB 24407-2012《专用校车安全技术条件》和GB 24406-2012《专用校车学生座椅系统及其车辆固定件的强度》已正式发布并实施［4-5］，但是对校车儿童安全带约束系统的研究文献较少，且我国的儿童约束系统存在使用率低和误用率高两个主要问题。本文采用有限元方法，建立校车前碰撞中6岁学龄儿童座椅约束系统仿真模型，对比分析儿童在无安全带、使用2点式、3点式和5点式儿童安全带条件下儿童的运动学响应及头、胸部等动力学参数，同时对3点式安全带的两种误用情况进行分析，为提高校车儿童保护效率提供参考。

1　模型的建立和验证

1.1儿童座椅有限元模型的建立

采用逆向工程方法，实际测量某校车企业提供的儿童座椅，建立儿童座椅的几何模型并进行网格划分得到有限元模型。模型由座椅骨架、支撑架、座垫泡沫、靠背泡沫组成，节点数为82 531个，单元数为97 428个，如图1所示。骨架采用Q235#材料，座垫和靠背采用低密度泡沫材料，其材料属性通过材料拉伸试验测得［6］，如图2所示。校车座椅安全带带扣由三维体单元模拟，织带分别由一维安全带单元和二维安全带单元模拟。材料属性如表1所示。

表1　座椅模型材料属性

根据学龄儿童的人体尺寸特点，采用已验证的混III 6岁儿童假人有限元模型对儿童乘员的运动学和动力学参数进行分析［6-7］。儿童模型包含头部、颈部、胸部、上肢和下肢，模型节点数为34 844个，单元数为40 851个。

1.2约束系统有限元模型的建立

为了对比分析校车正面碰撞事故中儿童乘员的动力学响应及损伤参数（头部加速度、头部前倾位移量和胸部加速度）以及儿童安全约束系统的防护效率。建立了6种不同使用工况下的仿真模型：无安全带、2点式儿童安全带、3点式儿童安全带、5点式儿童安全带和两种错误使用方式（误用3点式成人安全带和3点式儿童安全带的肩带穿过腋下（以下称为“肩带穿过腋下”）），如图3所示。

通过模拟校车前碰撞事故的儿童座椅台车试验（sled test），台车从静止开始起动，速度增加并产生前碰撞加速度波形。校车前碰撞事故中的加速度-时间曲线参考模拟校车在以30 km/h速度前碰撞中给校车座椅加载的加速度曲线［8］，如图4所示。

1.3座椅抗后倾静态加载试验验证

根据国家标准GB 24406-2012［5］的要求对座椅靠背前部加载方向水平加载荷，加载高度在座椅R点以上343mm的水平面内。对装置设置一个254mm的边界条件。图5为抗后倾加载装置试验和仿真中载荷-位移曲线对比。试验加载装置最大位移为236mm，仿真值为210mm，与试验数据相差11%，均小于座椅靠背的位移法规值254mm；试验状态下最大载荷为4 380N，仿真值为4 333N，误差仅为1.1%，均小于法规值9 786N。仿真与试验结果基本一致，误差在合理范围内。此外，变形后的座椅没有进入相距其他座椅原始安装位置102mm的范围内，座椅、连接件与配件在试验过程中未完全脱离。

1.4动态试验验证

根据GB 24406-2012［5］，校车座椅的抗前倾动态试验采用P系列6岁儿童假人并通过2点式安全带将其放置在减速台车上，以模拟碰撞速度为30 km/h的正面碰撞过程。仿真试验中，混Ⅲ6岁儿童假人模型在2点式安全带约束下放置在校车座椅上，并对座椅加载试验中的台车减速度曲线（如图6所示）。该加速度在台车碰撞减速度波形的允许范围内，符合法规要求［5］。

由于仿真中采用的是混III6岁儿童假人模型，而试验中采用P系列6岁儿童假人模型，假人的结构和动力学方面的响应差异可能导致结果有误差。因此，本文采用与试验相同的仿真方法，验证混III6岁假人模型测得的加速度值的响应趋势，以确定儿童座椅有限元模型的仿真结果是有效的。图7为假人头部加速度-时间曲线的仿真与试验结果对比图，两者趋势较一致。仿真结果显示头部HIC值为230，与P6儿童假人试验测得的头部HIC值212误差率仅为8%，均小于法规值500。图8为仿真和试验中胸部加速度-时间曲线对比图，两者整体趋势较一致。仿真结果显示，胸部损伤指标（ThAC）为23.5 g，与试验结果26.5 g误差较小，符合法规要求值30 g。仿真试验中儿童有限元模型的躯干和头部的任何部分向前位移未超过位于辅助座椅G点前1.1m的横向垂面；座椅模型的骨架、支撑件及附件未产生失效现象。仿真与试验的误差在15%以内可认为是有效的［9］。因此，本文认为座椅有限元模型可用于儿童乘员损伤防护效率的研究。

2　仿真结果分析

2.1运动学响应分析

在校车正面碰撞中，儿童乘员的头颈部、胸部、下肢等是常见的损伤部位［10］。儿童假人在110ms时的运动学响应如图9所示。在无安全带和使用2点式安全带工况中，儿童假人上体部没有约束，头部与前排座椅靠背碰撞。在正确使用3点式和5点式儿童安全带工况中，肩带有效限制儿童的移动，使儿童头部未与前排座椅靠背发生接触。当3点式儿童安全带的肩带穿过腋下时，肩带不能较好地约束儿童身体上部前向运动，头部与前排座椅靠背发生碰撞，腹部受肩带的约束明显，受力增大，头部和腹部存在损伤风险。当误用3点式成人安全带时，肩带通过颈部使对假人的颈部约束过载，导致颈部损伤风险增加。

2.2头部最大位移量

图10为头部的抛射位移曲线。无安全带与2点式儿童安全带工况下的儿童头部最大位移大于3点式和5点式儿童安全带。在无安全带和2点式儿童安全带约束工况下，儿童身体上部由于无安全带约束，头部前向运动并直接碰撞到前排座椅靠背后反弹，并伴随有头部后仰，导致颈部处于伸展状态，颈部损伤风险较大。在3点式和5点式儿童安全带的约束条件下，儿童头部都未与前排座椅靠背发生接触，头部前向位移量小，头颈部损伤风险较小。在3点式儿童安全带肩带跨过腋下的误用工况中，头部抛射特性与2点式儿童安全带的工况相似，肩带对儿童假人上部未起到约束作用，导致头部位移过大。在误用3点式成人安全带工况下，由于肩带穿过颈部，约束了头部的前向位移，然而对头颈部的致伤风险更大。

2.3头部加速度分析

6种工况的假人头部的合成加速度如图11所示。无安全带工况下乘员的加速度在95ms时达到最大值964m/s2，2点式儿童安全带的假人头部加速度在100ms时达到峰值1 380m/s2，明显高于3点式与5点式儿童安全带工况，也大于FMV2213中头部合成加速度规定值80 g，这是由于儿童假人在惯性作用下撞击前排座椅靠背，碰撞冲击力传递到头部导致的。在3点式儿童安全带肩带穿过腋下的误用工况下，在85ms时，由于儿童的上躯干受到一定的约束作用，头部加速度达到小波峰，之后安全带穿过腋下，导致上躯干不受约束；在105 ms时，头部与前排座椅靠背发生碰撞，加速度达到最大值，超过FMVSS213中头部合成加速度的耐限值80 g。在误使用成人安全带的工况中，肩带通过儿童颈部位置，碰撞过程中肩带勒住乘员的颈部，作用力传递到头部。加速度较低但出现多个波峰，可认为肩带持续作用于颈部，儿童颈部肌肉和韧带尚未发育完全，易导致颈部骨折造成致命伤害［10］。

2.4胸部加速度分析

如图12所示，在无安全带工况中，假人胸部在碰撞后的75ms内没有受到约束，在95ms、115ms和125ms达到峰值，分别由于假人头部、手部以及胸部碰撞到前排座椅靠背导致的。2点式儿童安全带工况中，假人胯部受到约束，使约束力传递至胸部。在70ms时，达到峰值。在3点式和5点式儿童安全带工况中，假人胸部加速度峰值在55ms和65ms达到。这是由于安全带肩带约束作用力的结果，且由于5点式儿童安全带的双肩带设计有效地约束了假人的运动。因此，胸部加速度峰值较3点式工况小。在误使用3点式成人安全带的情况下，胸部加速度在68ms时，达到最大波峰后出现了第2波峰，且大于3点式儿童安全带肩带穿过腋下的工况的最大波峰值。这是由于3点式成人安全带的回弹运动，肩带持续加载胸部导致第2次峰值的出现。因此，误用工况降低了儿童约束系统的防护性能，儿童乘员损伤风险增加。正确使用安全带可减少儿童乘员的损伤风险［11-12］。

3　结论

本文建立了校车儿童座椅约束系统模型，分析了无安全带，使用2点式、3点式、5点式儿童安全带和两种误用安全带的乘员损伤参数和约束防护性能。可得出以下结论：

1）不使用安全带与使用2点式儿童安全带情况下，儿童的头部合成加速度大于法规值80 g。使用5点式儿童安全带的儿童头部加速度与胸部加速度分别比使用3点式儿童安全带小6.3%和8.8%。在4种工况下，5点式儿童安全带能够最有效降低儿童假人的伤害指标。在有条件的情况下，建议儿童座椅使用5点式安全带。

2）两种误用情况中，3点式儿童安全带肩带穿过腋下的情况下，儿童的头部最大加速度达到了93.8 g，无法达到法规要求。误使用成人安全带情况下，肩带作用于儿童脆弱的颈部，容易造成窒息。儿童安全带的误用可对儿童乘员造成头颈部的重大损伤，使得安全带的保护作用大打折扣。

3）建议适当增加前后排座椅之间的空间，以避免头部与前座椅靠背的碰撞，有效降低头部伤害值。

［1］高伟，陈鹏.汽车正面碰撞中儿童乘员约束系统的仿真研究［J］.湖北汽车工业学院学报，2010，24（4）：16-19.

［2］公安部交通管理局.中华人民共和国道路交通事故统计年报（2008年度）［R］.2009.

［3］马瑞雪，王欣，覃祯员，等.专用小学生校车座椅的CAE仿真分析及试验验证［J］.客车技术与研究，2012，34（1）：5-7.

［4］GB 24407-2012，专用校车安全技术条件［S］.北京：中国标准出版社，2012.

［5］GB 24406-2012，专用校车学生座椅系统及其车辆固定件的强度［S］.北京：中国标准出版社，2012.

［6］胡佳.基于试验和有限元仿真的儿童乘员正面和侧面碰撞安全研究［D］.长沙：湖南大学，2008.

［7］FTSS.LS-DYNA Model of the Hybrid III 6-Year Old Child Dummy UserManual，April2005.

［8］田中良知.幼児専用車の安全に関する研究［M］.东京：交通安全环境研究所，2011.

［9］叶松奎，吴长风，黄登峰.校车座椅动态试验乘员损伤研究与优化［J］.客车技术与研究，2014，36（5）：17-20.

［10］杨杏梅，杨济匡，亓向翠.侧面安全气囊对儿童乘员的损伤防护效率［J］.江苏大学学报，2011，32（4）：379-384.

［11］杨杏梅.轿车碰撞事故中儿童乘员的损伤防护技术研究［D］.长沙：湖南大学，2010.

［12］马伟.车辆正面碰撞中儿童乘员约束系统的仿真研究［D］.武汉：武汉理工大学，2008.

修改稿日期：2015-04-30

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河谷（佛山）汽车润滑系统制造有限公司（后插四）

大连威而装备技术有限公司（后插五）

《客车技术与研究》理事单位名录（后插六）

FEA on Protective Performanceof Child Restraint System in SchoolBus

Han Yong1，2，Xie Jinping1，LiXiong1，Yang Yang1，KojiMiuzno3，Zhuang Shouji4
（1.SchoolofMechanicaland Automobile Engineering，Xiamen Universityof Technology，Xiamen 361024，China；2.Traffic Medical Research Institute，Third MilitaryMedicalUniversity，Chongqing 400042，China；3.DepartmentofMechanicalScienceand Engineering，Nagoya University，Nagoya 464-8601，Japan；4.Xiamen Golden Dragon Van Co.，Ltd，Xiamen 361006，China）

The dynamic response and injury physical parameters of child'shead and chestare analyzed in school bus front impact conditions，including no safety belt，2-point child safety belt，3-point child safety belt and 5-point child safety belt.Moreover，the injury parameters of child dummy are analyzed in two types ofmisuse of 3-point safety belts.The results show that in the front impact accidents，the 5-point child safety belt can supply better protection for children，and the injury risk of the head and chest can be reduced by using 3-point safety belt correctly.

schoolbus；child restraintsystem；frontal impact；protectiveperformance

U467.1+4；U461.91

A

1006-3331（2015）05-0001-05

国家自然科学基金（31300784）；厦门市科技计划项目（3502Z20153023）；国家外国专家局高端外国专家团队项目（GDT20143600027）

韩勇（1984-），男，副教授；博士；研究方向：汽车碰撞安全关键技术及人体损伤防护等。