正面碰撞中座椅对儿童伤害的影响研究

郭庆祥，王楠，董传林，李新，张立玲

（1.北京汽车股份有限公司研究院，北京　100300；2.石家庄铁道大学四方学院，河北　石家庄　051132）

正面碰撞中座椅对儿童伤害的影响研究

郭庆祥1，王楠2，董传林1，李新1，张立玲1

（1.北京汽车股份有限公司研究院，北京100300；2.石家庄铁道大学四方学院，河北石家庄051132）

分析正面碰撞中座椅坐垫对儿童约束系统（CRS）的影响，主要考虑第二排座椅坐垫的倾角及坐垫刚度对儿童伤害的影响，以某轿车为基础，采用MADYMO分析软件建立汽车正面碰撞仿真分析模型，通过改变座椅坐垫倾角及坐垫刚度，探讨对儿童伤害的影响。结果表明，增大座椅坐垫倾角及坐垫刚度可减轻儿童头部和胸部的伤害，但坐垫倾角及座椅刚度增大到一定值以后，头部和胸部的损伤将不会明显改善。

汽车；正面碰撞；座椅；儿童约束系统（CRS）

交通事故是造成中国儿童伤亡的重要原因之一。据统计，2010年中国交通事故造成2 690名儿童（1～15岁）死亡、14 733名儿童受伤。研究结果表明，正确使用儿童约束系统（CRS）可降低儿童71％的致命伤害和67％的严重伤害。中国汽车技术研究中心于2014年4月发布了具有中国特色的CRS评价规则，可见儿童保护越来越被重视。在汽车碰撞事故中，座椅作为减少损伤的安全部件起着决定性保护作用，在事故发生过程中能使乘员保持一定的姿态，以使CRS能充分发挥其保护效能。然而，CRS只有在正确使用的情况下才能充分发挥其保护作用。

该文结合国内外儿童安全座椅的研究现状，通过有限元方法建立儿童乘员正面碰撞仿真模型，基于台车试验结果验证仿真模型的有效性并对乘员损伤进行分析。通过正交试验设计方法，分析座椅坐垫对CRS保护效果的影响。

1　仿真分析模型的建立及验证

为了分析座椅坐垫倾角和刚度对汽车正面碰撞中儿童伤害的影响，以某型轿车儿童区相关参数为依据，采用MADYMO软件建立仿真模型。该模型包括汽车地板、儿童座椅、安全带、内饰及后座椅等车体模型，选用MADYMO分析软件中自带儿童P3岁椭球假人进行定位。将以上模型按实车工况定位，定义各部件的特性、载荷及各部件之间的接触，从而构建完整的汽车正面碰撞儿童约束系统模型（见图1）。

基于某型轿车实车试验结果，对模型进行伤害值对标，结果见表1和图2。从表1可以看出： MADYMO计算出的假人伤害指标与试验值虽然存在一定误差，但从计算与试验的假人头部、胸部加速度结果来看，关键指标的计算误差均在10％之内。因此，可将该仿真模型作为基本模型进行研究。

图1　汽车正面碰撞儿童约束系统仿真模型

表1　模型计算结果与试验结果对比

2　坐垫对儿童保护效果影响分析

2.1评价指标

采用P3岁儿童假人的头部3 ms加速度、头部加速度峰值及胸部3 ms加速度作为评价指标。

在碰撞或回弹过程中，头部接触到车辆的任何部位或峰值合成加速度≥96g不得分，头部没有接触CRS得4分；头部3 ms合成加速度小于87g得满分，大于100g为零分，处于之间时采用线性插值法计算得分；胸部3 ms合成加速度小于50g得满分，大于66g为零分，处于之间时采用线性插值法计算得分。假人正面碰撞评价方法见表2。

图2　仿真对标曲线对比

2.2基础方案参数设定

（1）坐垫刚度α。坐垫刚度α通过座椅Z向最大压缩位移来表示，压缩间隔5 mm，采用8种不同压缩量进行评估：α1=5 mm；α2=10 mm；α3=15 mm；α4=20 mm；α5=25 mm；α6=30 mm；α7=35 mm；α8=40 mm。

（2）坐垫倾角β（坐垫与地面夹角）。利用上述儿童约束系统模型，采用5种不同座椅坐垫倾角进行仿真分析：β1=10°；β2=15°；β3=20°；β4=25°；β5 =30°。

表2　假人正面碰撞评价指标

对α和β采用正交分解法得到5×8仿真分析矩阵，通过计算可得到头部3 ms合成加速度ah、头部峰值加速度amax和胸部3 ms合成加速度ac的儿童伤害值。

2.3保护效果影响分析

根据上述设定进行仿真分析计算，结果见表3。由表3可知：增大座椅坐垫倾角可减轻头部和胸部的损伤值，但座椅坐垫的倾角达到20°以后，头部和胸部的损伤值将不会明显改善；增大坐垫刚度可减轻儿童头部和胸部的伤害，但指标达到25 mm以后，刚度继续增大，头部和胸部的损伤值将不会明显改善。

表3　仿真分析计算结果

3　结论

（1）汽车儿童约束系统中，座椅坐垫倾角及刚度对儿童头部和胸部伤害有影响。

（2）增大座椅坐垫的倾角及刚度可减轻儿童头部和胸部的伤害，但坐垫倾角及刚度达到一定值以后，头部和胸部的损伤值将不会明显改善。

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