侧面碰撞中儿童测试假人与人体模型动态响应差异性研究

张学荣+黄硕+许长龙+周进宝

摘 要：采用计算机仿真和试验相结合的方法，根据ECE R129法规在多刚体动力学分析软件（Mathematical Dynamic Model，MADYMO）中建立Q3儿童测试假人和Facet儿童人体模型的正碰和侧碰仿真模型[1]。通过台车碰撞试验验证所建仿真模型的有效性，研究在侧碰情况下，Q3儿童测试假人和Facet儿童人体模型动态响应的差异性。仿真结果发现，在侧面碰撞时，Q3儿童测试假人回弹过程中侧倾角度明显大于Facet儿童人体模型，二者头部加速度曲线以及伤害值较为吻合，但胸部3 ms合成加速度相差较大。研究结果表明，Q3儿童测试假人胸椎相比Facet人体模型刚度较大，Q3儿童测试假人胸椎、腰椎生物仿真度有待进一步提高。

关键词：侧碰；动态响应；假人；儿童安全；人体模型

中图分类号：U461.91文献标文献标识码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2016.06.11

Abstract：By the method of combining the computer simulation and test， according to the requirements of ECE R129 regulations， for both Q3 dummy and Facet human model， the simulations of frontal and side impacts were conducted in MADYMO and verified by frontal crash tests. The paper studies the difference in dynamic response between the Q3 test dummy and human model under side impact conditions. The results show that the roll angle of Q3 test dummy is greater than that of human model in the process of rebound. The two head acceleration curves and both the damage values are consistent； however， the difference in chest 3 ms synthetic acceleration is large. The study shows that the stiffness of Q3 dummy is greater than that of human model， and the biofidelity of the test dummy should be improved in the thoracic and lumbar regions.

Keywords：side crash； dynamic response； dummy； child safety； human model

随着乘车安全知识的普及，儿童约束系统已被广泛使用。目前，儿童安全座椅的保护性能主要通过儿童测试假人来评价。儿童测试假人与真实人体动态响应的差异性对评价结果有着至关重要的影响[2]。

但是现有的安全座椅在交通事故中的表现却和试验研究中的结果存在一定差异。本文以欧洲某公司的调查报告为背景，该报告指出，在欧洲消费者测试中获得“极好”评价的儿童安全座椅安装在安全星级为顶级的车辆中，儿童安全座椅却没能有效地将儿童测试假人约束住，儿童测试假人被抛出安全座椅；然而在交通事故统计中，使用前置护体型儿童约束系统的儿童乘员并没有被抛出安全座椅[3]。由此可知，现有的儿童测试假人在试验研究中并不能真实地反映人体的动态响应。本课题据此进行相关研究，找出儿童测试假人与真实人体动态响应的差异所在，分析产生差异的根本原因。

1 仿真模型的建立

碰撞台车仿真模型是儿童测试假人与Facet儿童人体模型动态响应差异性研究的关键，本文根据ECE R129法规分别建立正面、侧面碰撞台车仿真模型[4]。在Hypermesh软件中进行有限元网格划分，将有限元模型导入MADYMO软件中模拟碰撞环境。

1.1 儿童安全座椅仿真模型建立

本研究采用的儿童约束系统模型为某公司开发的前置护体型儿童安全座椅，将儿童安全座椅模型导入儿童安全座椅有限元模型，如图1所示。

赋予各个部件相应的材料和属性，对各个部件进行适当配重。有限元模型单元节点信息见表1。

1.2 碰撞台车座椅仿真模型建立

根据ECE R129法规建立碰撞台车座椅模型。台车座椅坐垫和靠背材料为聚氨酯泡沫，密度为43 kg/m3，材料特性通过试验测得。

1.3 侧面碰撞仿真模型的建立

本研究建立的侧面碰撞仿真台车模型为加速型试验台车。根据ECE R129法规，在正面碰撞仿真模型的基础上加入碰撞滑车模型[5-6]，滑车上的门板结构用以模拟车门入侵。

正面碰撞仿真模型建模步骤如下：

（1）将儿童安全座椅和台车座椅有限元模型分别导出为K文件格式，将K文件中网格节点信息分别导入MADYMO软件中。

（2）通过预模拟方法对儿童安全座椅模型和假人模型（本研究采用的是Q系列3岁儿童假人）进行初始定位。

（3）根据ECE R129法规确定安全带D环、带扣以及锚点的位置建立多刚体安全带模型；定义安全带预紧器及卷收器，输出安全带各时刻的拉力及有限元安全带模型的节点信息；将儿童安全座椅模型固定在质心位置，定义安全带模型与儿童安全座椅模型的接触，设置相关参数后提交计算；选取安全带拉力达到60 N时的安全带位置作为仿真初始位置；重新导入安全带有限元模型节点信息。

加速型碰撞台车仿真模型具体建模步骤如下：

（1）在ECE R129法规中，侧面碰撞仿真模型在正面碰撞仿真模型基础上加入侵入门板结构。侵入门板主要由10 mm厚的钢板以及50 mm厚的填充材料组成，对侵入门板结构进行建模。

（2）将侵入门板有限元模型导出后导入Madymo软件中，侧面碰撞仿真模型如图2所示。图2a为Q系列儿童假人侧面碰撞仿真模型，图2b为Facet儿童人体模型侧面碰撞仿真模型。

2 碰撞仿真模型有效性验证

2.1 碰撞仿真环境设定

按照正面碰撞台车试验方法进行相应的仿真，正面碰撞台车试验如图3所示。给正面碰撞仿真模型施加与台车试验中相同的加速度波形，加速度波形如图4所示。

ECE R129法规中对碰撞台车试验加速度波形有明确规定，加速度波形须处于规定波形区间，具体波形区间如图5所示。

2.2 碰撞仿真模型有效性验证

仿真模型有效性验证主要包括运动学响应验证和动力学响应验证。运动学响应主要包括儿童安全座椅模型的变形情况以及儿童假人的运动姿态等；动力学响应主要包括儿童假人的头部、胸部、髋部加速度响应时间历程曲线以及儿童假人的伤害指标等[7]。

2.2.1 运动学响应有效性验证

对比仿真动画以及台车试验录像，对仿真模型运动学响应进行验证[5]，图6所示为仿真与试验中儿童假人运动学响应对比。

由图6可知，不同时刻仿真模型中儿童假人的运动姿态与碰撞台车试验中儿童测试假人的运动姿态基本一致，儿童安全座椅模型变形程度与试验基本吻合，认为该仿真模型运动学响应准确。

2.2.2 动力学响应有效性验证

图7～9为仿真与试验中儿童假人动力学响应特性曲线对比，表2为仿真与试验儿童假人主要伤害指标具体数值对比。

由表2可知，仿真与试验中儿童损伤评价指标数值误差范围控制在12%内，头部、胸部、髋部加速度曲线基本吻合，说明该仿真模型对儿童损伤情况的预测基本满足要求，认为该模型的动力学响应准确。

Q3儿童测试假人与Facet儿童人体模型动态

响应差异性研究

3.1 Q3儿童测试假人与Facet儿童人体模型动态响应的差异性

3.1.1 运动学响应的差异性

假人肩部与侧碰保护装置接触后，两者头部运动轨迹有较大不同，具体如图10所示。Q3儿童测试假人头部y向运动150 mm开始回弹，Facet儿童人体模型头部y向运动167 mm开始回弹，仿真终止时刻两者头部质心z向高度差达到17 mm。

Q3儿童测试假人与Facet儿童人体模型双臂运动姿态亦有较大差异。假人与安全座椅接触后，假人四肢继续向前运动，此时假人绕着z轴发生细微转动，假人髋部在xy面的运动轨迹如图11所示。Facet儿童人体模型双臂发生接触，Q3儿童测试假人双臂并没有互相接触，右臂向上甩动几乎与头部发生接触。两者髋部在yz面内的运动轨迹如图12所示。Q3儿童测试假人与安全座椅接触后，在回弹过程中，髋部抬起高度明显高于Facet儿童人体模型。Q3儿童测试假人髋部抬起高度为37 mm，Facet儿童人体模型髋部抬起高度为13 mm。50 ms时刻两者运动姿态如图13所示，从图中可以明显看出，Q3儿童测试假人与安全座椅接触后，假人上肢向反方向偏转幅度大于Facet儿童人体模型；颈椎弯曲程度亦有所不同，Facet儿童人体模型颈部除弯曲外还发生一定程度的扭转，头部向左侧转动；Q3儿童测试假人头部并没有发生明显转动。

3.1.2 动力学响应的差异性

图14和图16分别为Q3儿童测试假人与Facet儿童人体模型头部、胸部以及盆骨的y向加速度时间历程曲线。由图可知，两者头部以及盆骨y向加速度时间历程曲线吻合度较好，胸部y向加速度时间历程曲线差异较大。Q3儿童测试假人与Facet儿童人体模型主要损伤指标伤害值对比见表3。选取HIC36、头部3 ms合成加速度以及胸部3 ms合成加速度3项损伤指标做出对比，明显可以看出两者HIC36以及头部3 ms合成加速度较为近似，胸部3 ms合成加速度相差较大。Facet儿童人体模型胸部3 ms合成加速度小于ECE R129法规规定的539 m/s2，Q3儿童测试假人胸部3 ms合成加速度远大于法规规定的阀值，说明Q3儿童测试假人胸部侧面仿真度与真实人体存在较大差异。

4 儿童测试假人改进建议

4.1 儿童测试假人的脊椎结构

儿童测试假人胸椎、腰椎刚度较大，不能像真实人体那样弯曲。通过优化儿童测试假人的脊椎结构，尤其是胸椎、腰椎部分，提高脊椎的柔韧度，进一步提高儿童测试假人脊椎的生物仿真度。

4.2 提高儿童测试假人四肢的生物仿真度

儿童测试假人四肢的生物仿真度相对较低，肘关节以及膝关节仅有一个自由度，需要增加自由度来提高测试假人四肢的生物仿真度。在碰撞试验中，儿童测试假人四肢的甩动与人体发生接触常常造成二次伤害，因此提高当前儿童测试假人四肢的生物仿真度十分必要。

5 结论

（1）基于ECE R129法规在MADYMO中建立碰撞仿真模型，通过试验验证所建仿真模型的有效性。

（2）在侧面碰撞中，Q3儿童测试假人与Facet儿童人体模型运动学响应存在较大差异。在回弹过程中，Q3儿童测试假人侧倾角度明显大于Facet儿童人体模型，该差异主要是由Q3儿童测试假人胸椎刚度较大造成的。

在动力学响应中，Q3儿童测试假人与Facet儿童人体模型的头部加速度曲线以及伤害值较为吻合，胸部动力学响应差异较大。除了胸椎刚度的影响，碰撞过程中儿童测试假人双臂的甩动也对测试结果影响较大。

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