侧面碰撞中儿童约束系统的仿真研究

刘军 晏晓娟 贾林夕 王利明 程伟

（江苏大学，镇江 212013）

侧面碰撞中儿童约束系统的仿真研究

刘军 晏晓娟 贾林夕 王利明 程伟

（江苏大学，镇江 212013）

通过MADYMO软件建立了侧面碰撞台车及儿童约束系统的仿真模型，并对所建立的模型进行了有效性验证。在此基础上，分析了侧门不同侵入条件对儿童损伤响应的影响情况。研究结果表明，侧门的侵入速度对儿童假人的各项损伤响应的影响较大，而侵入深度产生的影响较小；门板侵入方式的改变对儿童假人头部的损伤响应影响显著，而对胸部及骨盆的响应影响较小。建立的仿真模型有效可靠。

1 前言

近年来，儿童的乘车安全已经得到了越来越广泛的重视，而侧面碰撞则是造成儿童乘员伤亡的主要原因之一。有关研究报告指出，在侧面碰撞事故中，有1/3的儿童乘员受到AIS3+级的损伤[1]；41%的儿童乘员受到MAIS2+级的损伤[2]；由于侧面碰撞中被撞车门的侵入而产生的直接载荷,使坐在碰撞侧儿童乘员受到严重损伤和致命伤的风险大大提高[3]。

在车辆交通事故中，儿童约束系统（Child Restraint Systems，CRS）对降低儿童死亡或严重受伤发挥着很大作用。目前儿童约束系统的设计和仿真研究有很多，如，A Eman等人[4]基于MADYMO刚体动力学分析软件，对前向四点式约束系统进行建模，并分析了接触表面材料特性对儿童乘员动态响应的影响；Marianne Johansson等人[5]在MADYMO环境下对前向式增高型儿童安全座椅模型进行多刚体模型建模，研究了发生正面碰撞时安全带、安全座椅及儿童假人脚部支持方式等共9个参数对儿童乘员保护性能提升发挥的作用。但这些研究方法主要针对正面碰撞进行仿真及评估安全性能，对侧面碰撞的仿真很少见。为此，本文利用MADYMO软件建立了侧面碰撞台车及儿童约束系统仿真模型，并通过与侧面碰撞台车试验对比分析来验证模型的有效性。在此基础上，研究了不同侵入条件对儿童约束系统中儿童损伤响应的影响。

2 侧面碰撞台车仿真模型的建立

车辆侧面碰撞试验台车与正面碰撞试验台车的最大区别在于需要增加用于侧面侵入的门板结构。国际上对于儿童约束系统侧面碰撞台车试验还没有统一的规定，所使用的试验台车主要分为加速型台车和减速型台车两种。考虑到侧门侵入方式对试验结果的影响，参照ECE R129标准建立了侧门以平行方式侵入的加速型侧面碰撞台车模型，同时参照ISO 29062标准建立了侧门以旋转方式侵入的减速型侧面碰撞台车模型。仿真模型主要包括台车座椅模型和侧面侵入门板结构。

2.1 加速型台车仿真模型的建立

参照ECE R129标准建立了加速型侧面碰撞试验台车仿真模型，标准试验台车的结构如图1所示。在CATIA中对加速型侧面碰撞台车进行实体建模，模型主要包括试验台车骨架、泡沫座垫及靠背、侧面侵入门板等。在不影响台车主体结构的基础上，对其非关键部位进行简化处理，将台车的CATIA模型转换成.IGS类型的文件保存，并导入到Hypermesh中进行网格单元的划分，如图2所示。所建立的加速型侧面碰撞台车仿真模型如图3所示。

图1 标准试验台车结构

图2 加速型侧面碰撞试验台车网格划分

图3 加速型侧面碰撞台车仿真模型

2.2 减速型台车仿真模型的建立

参照ISO 29062标准中用于前向式CRS的试验台车建立了减速型台车仿真模型，ISO 29062标准设计的侵入门结构为可旋转的铰链门，前向式CRS试验台车试验装置如图4所示。

在CATIA中对减速型台车进行实体建模，模型主要包括试验台车骨架、泡沫座垫及可滑动座椅背、可旋转的铰链门等。为避免门板在侵入过程中与前向式CRS试验台车的座椅靠背相互作用，可将台车座椅的椅背向门板一侧移位100 mm放置。按照与加速型台车同样的方法对减速型试验台车的骨架和泡沫座垫部分划分网格，建立的减速型侧面碰撞台车仿真模型如图5所示。

图4 前向式CRS试验台车试验装置

图5 减速型侧面碰撞台车仿真模型

3 儿童约束系统仿真模型的建立

所建立的儿童约束系统仿真模型包括儿童安全座椅有限元模型、多体与有限元混合的三点式成人安全带模型、多体与有限元混合的儿童安全座椅五点式安全带模型、HybridⅢ型3岁儿童试验假人模型等，根据某儿童汽车安全座椅尺寸建立三维模型。将该模型导入有限元前处理软件Altair HyperMesh中进行网格划分，建立研究所需儿童座椅有限元模型，如图6所示。

图6 儿童安全座椅有限元模型

儿童安全座椅由三点式成人安全带固定，Hybrid III型3岁假人模型则由五点式安全带约束在儿童安全座椅上。通过预模拟方法完成儿童假人在儿童座椅上的定位及儿童座椅在试验台车座椅上的定位，预模拟后假人和安全座椅的位置见图7。

4 试验验证

为检验CRS及侧面碰撞台车仿真模型的有效性，按照儿童约束系统侧面碰撞台车试验方法，给仿真模型施加与台车试验中一样的加速度波形，在相同条件下进行台车仿真试验。图8为模型中输入的门板加速度及滑动座椅加速度波形。

图7 预模拟后假人及安全座椅的位置

图8 加速度脉冲

4.1 仿真模型的动力学响应验证

为验证仿真模型的动力学响应，将试验所得的儿童假人动力学响应特性曲线及各伤害指标与仿真结果进行了对比，根据对比结果来评价仿真模型的准确性[6]。利用所建立的儿童约束系统仿真模型考察了儿童试验假人的头部、胸部、骨盆合成加速度曲线及主要伤害评价指标。表1为HybridⅢ型3岁儿童假人进行台车试验及仿真试验所得各评价指标数值，其误差范围均控制在12%以内。

表1 仿真与台车试验各评价指标对比

图9为试验和仿真所得的动力学响应特性曲线。由图9可看出，仿真模型得出的儿童假人各评价指标的合成加速度曲线与台车试验所得的相应曲线吻合较好，曲线的趋势、脉宽和峰值范围也非常接近，表明该模型对儿童损伤情况的预测基本满足要求，可认为该模型的动力学响应是准确的。

4.2 仿真模型的运动学响应验证

仿真试验中的儿童假人不仅要在动力学响应上与试验假人匹配度较高，在整个碰撞过程中假人各时刻姿态、运动状态也应该与试验假人有比较高的相似度，只有在动力学响应和运动学响应上均保持较高的相似度，才能说明此仿真模型是有效和可靠的。仿真模型中的儿童假人和试验假人在碰撞中各时刻的运动姿态如图10所示。

图9 儿童假人各评价指标的合成加速度曲线

由图10可看出，不同时刻台车试验与仿真试验中的儿童假人运动姿态比较相似，进一步说明了该仿真模型是有效的，可用于后续的儿童损伤响应分析研究。

图10 不同时刻儿童假人试验与仿真运动姿态对比

5 侵入条件对儿童损伤响应影响分析

车辆在发生侧碰时最主要的伤害原因为侧门结构的侵入[7]。通过对实车侧面碰撞事故中碰撞特点的分析，选取侵入速度、侵入深度及门板的侵入方式作为研究对象，将头部质心合成加速度aH、胸部合成加速度aT、骨盆合成加速度aP、头部损伤准则HIC15、胸部损伤评价指标T3ms作为评价儿童乘员损伤的参数，采用经过有效性验证的仿真模型，运用MADYMO多刚体动力学分析软件进行侧面碰撞台车仿真试验，研究侧面碰撞台车试验中各项参数对儿童乘员损伤响应的影响程度。

5.1 门板侵入速度对儿童乘员损伤的影响

门板的侵入速度大小直接影响到门板传递给儿童安全座椅的能量，从而对儿童乘员的运动状态及损伤响应造成一定影响。仿真试验所得儿童假人各损伤参数曲线及损伤参数值如图11和表2所示。

由图11和表2可知，在碰撞速度为6.6 m/s时，头部质心合成加速度峰值、胸部合成加速度峰值、骨盆合成加速度峰值、HIC15及T3ms的数值均最大，碰撞速度为6.0 m/s时次之，碰撞速度为5.3 m/s时各损伤参数值最小。造成这种情况的原因是：在台车试验环境条件相同的前提下，侧面侵入门板以不同的速度撞击儿童安全座椅，因为儿童假人需要足够的能量才能与门板以相同的速度共同运动，所以当台车门板的侵入速度增大时，作用在儿童假人上的能量及假人的最终速度也相应增大。由此可知，侧面门板的侵入速度对儿童假人的各项损伤响应有较大影响。

5.2 门板侵入深度对儿童乘员损伤的影响

在实车侧面碰撞中，侧面结构进入乘员舱的位移量（侵入深度）也会直接影响儿童乘员的伤害程度。为研究侵入深度对儿童假人损伤的影响，分别进行了两组仿真试验，两组试验的门板侵入速度均为6.6 m/s，门板侵入深度分别为250 mm和200 mm。仿真试验所得儿童假人各项损伤参数曲线及损伤参数值如图12和表3所示。

图11 不同门板侵入速度下儿童假人各损伤参数曲线

表2 不同门板侵入速度下儿童假人各损伤参数值

图12 不同门板侵入深度下儿童假人各损伤指标值输出曲线

表3 不同门板侵入深度下儿童假人各损伤参数值

由图12和表3可看出，儿童假人的头部质心合成加速度、胸部合成加速度、骨盆合成加速度峰值均有一定的增加，HIC15及T3ms值有所下降。这是因为两种仿真试验的初始侵入速度均为6.6 m/s，当侵入深度由250 mm减小到200 mm时，台车的座椅系统需要获得更大的加速度以达到门板的速度，因而假人身体各部位的加速度值均有所增大，而假人头部的侧向甩动、胸部的侧向位移量和受力却随着侵入距离的减小而变小，因此头部HIC15及胸部T3ms的数值降低。因为各项损伤参数的差异值均小于7%，由此可知侧面门板的侵入深度对儿童假人损伤响应的影响较小。

5.3 门板侵入方式对儿童乘员损伤的影响

所建立的加速型台车门板结构采用平行方式进行侵入，而减速型台车的铰链门结构采用旋转方式进行侵入。对于同一个侧面碰撞台车装置，采用加速型或减速型原理进行侧碰试验所得结果基本一致。因此，仅研究侧面门板侵入形式的差异对儿童乘员损伤响应的影响。对于加速型台车需要对门板的侵入速度和座椅的滑动速度分别进行控制来确定门板相对于儿童约束系统的侵入速度，而对于减速型台车铰链门旋转的角速度即为门板相对于儿童约束系统的侵入速度。侧面碰撞仿真试验中加速型台车的碰撞速度为6.6 m/s，减速型台车铰链门的旋转角速度为12.3（°）/s，两种试验台车的侵入深度均为250 mm。仿真试验得到的儿童假人各项损伤参数曲线、损伤参数值如图13及表4所示。

图13 门板侵入方式下儿童假人各损伤指标值输出曲线

表4 不同门板侵入方式下儿童假人各损伤参数值

通过观察仿真试验输出的动画可看出，在铰链门旋转侵入的过程中，由于儿童假人身体向前运动并伴随着侧向甩动，其骨盆与儿童安全座椅座垫部分的接触面积变小，由此可知儿童假人与座椅之间的摩擦力变小，假人骨盆运动的加速度相应的增大。同时，旋转的侵入方式会导致儿童约束系统产生额外的转动，致使假人头部与儿童安全座椅头枕侧翼接触后沿着侧翼的边向外旋转，使头部的旋转和偏移更加明显，因此儿童假人头部的加速度及HIC15的数值均有所增大。由差异值分析可知，门板侵入方式的改变对儿童假人头部的损伤响应影响显著，而对胸部及骨盆的响应影响较小。

6 结束语

利用MADYMO软件建立了儿童约束系统仿真模型，利用该模型进行了与侧面碰撞台车试验条件一致的仿真，验证了该仿真模型的有效性。在此基础上，选取门板的侵入速度、侵入深度以及侵入方式作为侧面碰撞台车试验中的影响参数进行了台车仿真试验对比分析，研究侧门不同的侵入条件对儿童损伤响应的影响。结果表明，侧面门板的侵入速度对儿童假人的各项损伤响应有较大影响；侧面门板的侵入深度对儿童假人损伤响应影响较小；门板侵入方式的改变对儿童假人头部的损伤响应影响显著，而对胸部及骨盆的响应影响较小。

1 Langwieder K,Hummel T,Lowne R,et al.Side Impact to Chil⁃dren in Cars.Experience from International Accident Analy⁃sis and Safety Tests//15th ESV Conference.Melboume(Aus⁃tralia),1996.

2 Agran P,WinnD,Dunkle D.Injuries among 4 to 9 Year Old Restrained Motor Vehicle Occupants by Seat Location and Crash Impact.Monclus-Gonzalez 11 American Journal of Disability of Children,1989,143:1317～1321.

3 张超尘，杨济匡.汽车侧碰撞中儿童约束系统的仿真研究.微计算机信息，2010,26：（2）158～159.

4 Emam A,Sennah K,Howard A,et al.Influence of crash se⁃verity and contact surfaces characteristics on the dynamic ehavior of forward facing child ccupants.International Jour⁃nal of Crash worthiness,2003,8（6）:619～627.

5 Marianne Johansson,Bengt Pipkorn,Per Lövsund.Child Safety in Vehicles:Validation of a Mathematical Model and Development of Restraint System Design Guidelines for 3-Year-Olds through Mathematical Simulations.Traffic Injury Prevention,2009,10:467～478.

6 朱赟.汽车正面碰撞儿童约束系统参数灵敏度分析：[学位论文].上海:同济大学,2009.

7 陈超，魏明江，刘志新，等.儿童约束系统侧面碰撞台车试验方法对比分析.拖拉机与农用运输车，2013，40（5）:30～34.

（责任编辑 文 楫）

修改稿收到日期为2016年6月1日。

Simulation Research on Child Restraint System in Side Impact

Liu Jun,Yan Xiaojuan,Jia Linxi,Wang Liming Cheng Wei
（Jiangsu University,Zhenjiang 212013）

In this research,a simulation model of side impact sled and child restraint system was established in software MADYMO,and was verified in a simulation experiment.Then we analyzed the effects of different intrusion conditions of side door on child injury responses.The results showed that the intrusion velocity of side door had a great impact on injury responses of child dummy,whereas the intrusion depth had a little impact on them.The change of intrusion mode of door had significant impact on head injury response of child dummy,but it had a little impact on injury responses of chest and pelvis.The established simulation model is effective and trustworthy.

Side impact,Child restraint system,Injury response

侧面碰撞 儿童约束系统 损伤响应

U471.15

A

1000-3703（2017）01-0052-05