基于E-NCAP的10岁儿童损伤防护研究*

曹立波，林诗远，颜凌波，胡渊，徐哲，石向南，吴淼，毛立

(1.湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙410082;2.汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室，重庆400023; 3.无锡出入境检验检疫局，无锡214101)

基于E-NCAP的10岁儿童损伤防护研究*

曹立波1，2，林诗远1，颜凌波1，胡渊1，徐哲1，石向南2，吴淼3，毛立3

(1.湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙410082;2.汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室，重庆400023; 3.无锡出入境检验检疫局，无锡214101)

最新版欧洲新车评价规程(E-NCAP)使用10岁Q系列儿童假人来评价约束系统对儿童乘员的保护效果。针对某国内量产车型，分别采用MADYMO和Hypermesh软件建立了该车的后排6岁儿童乘员约束系统仿真模型和整车有限元模型，并利用试验数据进行了对比验证。将Q10儿童假人放入已验证的儿童约束系统中，根据E-NCAP规定的正面40%偏置碰撞和侧面碰撞要求进行仿真。在对两种工况下乘员约束系统参数灵敏度分析的基础上，选取对儿童损伤影响显著的参数为优化变量，以综合评价损伤指标WIC最小为优化目标，采用Kriging算法创建响应面模型并结合遗传算法进行参数优化。结果表明:优化后的约束系统参数能有效提高对10岁儿童乘员的保护效果，正面偏置碰撞中得分提高了24.6%，侧面碰撞中得分提高了36.5%。

儿童乘员;E-NCAP;遗传算法;参数优化

前言

儿童作为道路交通事故中的易受伤群体，其道路交通安全问题已不容忽视。据统计，全球每年有超过26万名儿童在汽车碰撞事故中死亡，将近1 000万名儿童在事故中受伤［1］。在我国，据2014年《中华人民共和国道路交通事故统计年报》显示，2013年我国道路交通事故共造成3 994名18岁以下的少年儿童死亡，另有17 995人受伤，分别占交通事故伤亡总数的6.82%和8.40%［2］。随着儿童乘员保护研究的不断深入，儿童乘车的安全性也将越来越受到国家、社会和家庭的重视。

2016版欧洲新车评价规程(E-NCAP)使用Q系列10岁儿童假人来对车辆安全性进行评价，对儿童乘员保护提出了新的要求［3］。本文中针对2016版E-NCAP要求，在已验证的Q6后排儿童约束系统仿真模型和整车有限元模型的基础上，对E-NCAP两种工况下的Q系列10岁儿童假人响应情况进行了仿真分析，并分别对两种工况下的后排约束系统参数进行了优化。

1 后排仿真模型的建立与验证

针对某车型在C-NCAP中的碰撞工况，参照其在C-NCAP正面碰撞试验中的加速度波形曲线，设计并实施了正面碰撞台车试验，台车试验于2015年7月13日在湖南大学汽车碰撞实验室完成［4］，图1为试验台车，图2为此车型在C-NCAP试验中的加速度波形与台车试验加速度波形对比，两者趋势大致相同。表1为台车曲线与实车曲线峰值及峰值时刻对比，由表可知，两者峰值与峰值时刻具有较好的符合度。台车试验中采集到的儿童假人头部和胸部加速度曲线可用于后排儿童约束系统仿真模型的验证。

图1 试验台车

图2 台车曲线与实车曲线对比

表1 台车曲线与实车曲线峰值及峰值时刻对比

根据某车型的实际后排环境，利用MADYMO软件建立的后排Q6儿童约束系统仿真模型主要包括: Q6儿童假人、前后排座椅、增高坐垫和安全带模型。前后排座椅坐垫和靠背的刚度特性曲线、增高坐垫的接触特性曲线和安全带的加卸载参数都通过试验获得。儿童乘员约束系统仿真模型如图3所示。

图3 儿童乘员约束系统仿真模型

建立Q6儿童约束系统仿真模型后，结合上述正面碰撞台车试验结果对所建立的约束系统仿真模型进行验证，主要包括曲线拟合程度的定量评价、误差分析和乘员的动态响应对比3个方面。

MADYMO软件中的OBJECTIVE RATING模块可以通过综合分析试验曲线和仿真曲线最大峰值、最大峰值时刻、曲线重叠区域和曲线振幅4个方面来对两条曲线的拟合程度进行定量分析，当总评分达到85%时，即认为模型可靠，评分越高，说明两条曲线的拟合程度越好。曲线拟合程度如表2所示，模型的综合评分为89.02%。图4为试验曲线与仿真曲线对比。由图可见，儿童头部和胸部的仿真曲线与试验曲线无论从峰值、脉宽和大体趋势都很好吻合。

表2 曲线拟合程度%

图4 台车试验与仿真曲线对比

表3为仿真与试验中儿童假人头部和胸部加速度峰值的对比。由表可知，仿真数据与台车试验数据各项峰值误差均在10%以内。

表3 仿真与试验结果的对比

仿真动画和台车试验高速摄像中的乘员运动情况对比如图5所示。由图可知，各时刻仿真模型中假人的动态响应与台车试验基本一致。

2 整车侧面碰撞有限元模型的建立与验证

根据研究车型的几何数据，采用Hypermesh软件建立其相应的整车有限元模型。整车模型共有1 165 636个节点，1 173 458个单元，其质量与实车质量相近。该模型包括832个组件，根据组件的材料属性来确定其单元类型。其中，白车身、车门和内饰等用壳单元建模，汽车座椅坐垫采用六面体单元建模，靠背采用四面体单元建模，发动机、变速器、电池等部分简化为刚体，各个运动部件之间通过建立相应的铰链关系来模拟。可变形移动壁障(moving deformablebarrier，MDB)有限元模型是按照侧面碰撞法规要求开发的，整个模型共有9 224个单元，7 864个节点，质量为950kg。

图5 儿童约束系统仿真动画与台车试验对比

为验证整车有限元模型的有效性，按照CNCAP侧面碰撞的要求对其进行了侧面碰撞仿真分析，移动壁障以50km/h的速度与整车有限元模型垂直碰撞，移动壁障中心线与整车模型的R点对齐，整车碰撞有限元模型如图6所示，仿真时间设定为100ms。

图6整车碰撞有限元模型

图7 为仿真得到的车体加速度、B柱侵入速度和侧面侵入量响应曲线与实车C-NCAP试验数据曲线对比。由图可知，仿真得到的车体加速度、B柱侵入速度和侧面侵入量变化趋势与实车碰撞试验中各对应曲线的趋势基本一致。

表4为仿真与试验中车体加速度、B柱侵入速度和侧面侵入量的峰值对比。由表可知，车体加速度、B柱侵入速度和侧面侵入量的峰值误差都在10%以内。综上所述，认为整车侧面碰撞有限元模型可靠，可用于后续研究。

3 动态试验仿真分析

2016版E-NCAP儿童保护的动态试验用Q系列6岁和10岁儿童假人作为评价主体。表5为动态试验中10岁儿童的具体评分。以上述已验证过的儿童约束系统仿真模型和整车侧撞有限元模型为基础，以Q系列10岁儿童假人为研究对象，对ENCAP的两种试验工况进行仿真计算，并根据ENCAP的评分规则进行评分。

3.1 正面40%偏置碰撞工况

根据E-NCAP对动态试验偏置碰撞工况的规定，将Q系列10岁儿童假人置于副驾驶座后面的后排座位上，并将此车型在E-NCAP正面偏置碰撞条件下采集的试验数据作为输入条件进行正面偏置碰撞仿真试验。E-NCAP正面40%偏置碰撞采集的试验数据与仿真模型如图8和图9所示。

图7 仿真与试验数据对比

3.2 侧面碰撞工况

基于前文已验证的整车侧撞有限元模型，结合其在满足E-NCAP试验条件下的仿真结果，采用MADYMO软件中的子结构建立了Q系列10岁儿童的侧面碰撞仿真模型，如图10所示。

表4 试验结果与仿真结果对比

图8E-NCAP动态试验中采集的试验曲线

图9 正面40%偏置碰撞仿真模型

在此模型中，仅考虑了车体质心的Y方向平动自由度，其位移由整车侧撞有限元模型仿真得到，如图11所示。汽车车门的变形情况由子结构法准确模拟，座椅与车体质心之间定义为自由铰，由于从整车有限元模型计算得出座椅质心与车体质心相对位移几乎为0，所以该铰的欧拉参数全都设置为0［5］。

图11 车体与座椅质心的运动参数

尽管Q系列10岁儿童乘员的正面40%偏置碰撞和侧面碰撞仿真模型没有验证，但座椅形状与参数均来自测试数据，整车侧撞有限元模型和儿童乘员约束系统参数在试验中也得到了验证，故认为仿真结果具有一定的可信度。

3.3 两种工况的E-NCAP得分

表6为两种工况下10岁儿童假人的得分情况。由表可知，在正面偏置碰撞中，失分部位为胸部和颈部，而在侧面碰撞中，头部失分严重。

表6 E-NCAP后排儿童假人基础模型得分

4 后排乘员约束系统参数优化

4.1 优化参数的选取

为选取对10岁假人损伤影响较大的约束系统参数作为优化参数，本文中分别对E-NCAP规定的两种工况进行了参数灵敏度分析，所选的参数主要为约束系统中与儿童假人动态相关且可调整的参数，分别为后排座椅坐垫刚度、增高坐垫刚度、假人与增高坐垫的摩擦因数、增高坐垫的侧翼刚度、安全带的刚度与限力值和假人与安全带的摩擦因数。通过拉丁超立方试验设计方法在两种工况下分别抽样100组进行仿真，输出头部、颈部和胸部损伤值进行分析得出:正面偏置碰撞的优化参数为安全带限力值、假人与安全带的摩擦因数、后排座椅坐垫刚度，侧面碰撞的优化参数为增高坐垫的侧翼刚度和增高坐垫刚度。

4.2 优化目标的选取

E-NCAP儿童保护部分评分项包含头部、颈部、胸部的多项相应指标，它们互相之间具有一定的关联性。在优化过程中，为达到儿童乘员单项损伤指标不超过法规值和提高总体评分的目的，参考相关文献［6］和文献［7］中提出的综合伤害评价方法，即以E-NCAP损伤指标为限值，将各部位损伤值按E-NCAP分值比例进行加权，定义综合伤害评价值(weighted injury criterion，WIC)作为优化目标。

正面偏置碰撞WIC为

侧面碰撞WIC为

式中:H3ms，T3ms分别为仿真试验中头部3ms、胸部3ms合成加速度，g;FZ，F分别为颈部轴向力和颈部合力。

综合伤害评价值WIC越小，说明约束系统对儿童的保护效果越好。正面偏置碰撞的约束条件为HIC15≤700，H3ms≤100g，C≤550mm，FZ≤2.62kN，T3ms≤55g。侧面碰撞的约束条件为HIC15≤700，H3ms≤88g，F≤2.2kN，T3ms≤67g。

4.3 响应面的构建

针对E-NCAP的两种工况，使用拉丁超立方试验设计方法在所选的优化参数取值范围内均匀取点，生成30组试验数据，利用MADYMO进行仿真计算，得到儿童头部、胸部、颈部的损伤值。并利用Kriging算法构建优化参数与输出的损伤值之间的响应面模型。

4.4 基于遗传算法的参数优化

基于MODE FRONTIER软件使用遗传算法NSGA-II(non-dominated sorting genetic algorithm II)［8］对E-NCAP规定的正面40%偏置碰撞和侧面碰撞两种工况进行优化。每一代进行30次试验设计，经50次遗传迭代分别得到10岁儿童偏置碰撞与侧面碰撞的解集。并把优化目标WIC值最小作为最优设计点，得出:

正面40%偏置碰撞中选取的最优设计点为:安全带限力值为2 000N、假人与安全带的摩擦因数为0.5、后排座椅坐垫刚度为初始刚度的1.3;侧面碰撞选取的最优设计点为:增高坐垫的侧翼刚度为初始刚度的0.7、增高坐垫刚度为初始刚度的0.8。

为验证响应面模型的可靠性，将优化设计点的值代入MADYMO中计算并与响应面模型的计算值比较。表7为侧面碰撞工况下响应面模型与实际仿真模型的误差分析，由于正面40%偏置碰撞中最优组就是试验设计组，故没有进行误差分析。由表可知，各项指标的误差都在可接受范围内。

表7 响应面模型与实际仿真误差分析

图12为优化前后儿童假人各部位损伤曲线对比。由图可知，优化后两种工况下的儿童损伤值都有所降低，正面偏置碰撞尤为显著。

将两种工况下优化后的Q10假人损伤值按ENCAP评分规则进行评分，结果如表8所示。优化后正面偏置碰撞工况中Q10假人总得分为7.58分，比优化前得分增加了24.6%;优化后侧面碰撞工况中Q10假人总得分为满分4分，比优化前得分增加了36.5%。结果表明:优化后，儿童乘员约束系统的保护性能得到了明显改善。

图12 优化前后假人损伤响应对比

表8 优化后的儿童假人得分

5 结论

(1)通过灵敏度分析结果显示，在正面偏置碰撞中，安全带限力值、假人与安全带的摩擦因数、后排座椅坐垫刚度对儿童乘员各部位损伤影响显著;而在侧面碰撞中，增高坐垫的侧翼刚度、增高坐垫刚度对儿童乘员损伤影响较大。

(2)通过以两种工况的WIC最小为优化目标分别选取最优解:在正面偏置碰撞中，安全带限力值为2 000N、假人与安全带的摩擦因数为0.5、后排座椅坐垫刚度为初始刚度的1.3，此时，儿童头部3ms加速度、颈部轴向力以及胸部3ms加速度下降幅度分别为38.1%，22.5%，18.1%，E-NCAP得分增加了24.6%;而在侧面碰撞中，增高坐垫的侧翼刚度为初始刚度的0.7、增高坐垫刚度为初始刚度的0.8，此时，侧面碰撞中儿童头部3ms加速度下降幅度为13.4%，颈部合力和胸部3ms加速度略有减小，ENCAP得分为满分，增加了36.5%。

参考文献

［1］PEDEN M，OYEGBITE K，OZANNE-SMITH J，et al．World report on child injury prevention［M］．Geneva:World Health Organization，2008．

［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(2014年度)［R］．北京:公安部交通管理局，2014．

［3］Euro-NCAP．Assessment protocol-child occupant protection，version7.0.1［EB/OL］．［2016－01－01］．http://www．euroncap．com．

［4］曹立波，颜培岗．利用薄壁圆形吸能管模拟实车正面碰撞波形的研究［C］．国际汽车交通安全学术会议，2010．

［5］杨杏梅，杨济匡，任立海．基于儿童与成人损伤防护的侧面气囊参数优化［J］．中国机械工程，2011(7):1748－1753．

［6］白中浩，颜强，龙瑶，等．基于独立碰撞工况的儿童约束参数优化［J］．湖南大学学报，2012(11):47－51．

［7］白中浩，陈亚枫，程胜华，等．基于不同年龄的自适应儿童乘员约束系统参数优化研究［J］．机械工程学报，2015(3):119－125．

［8］DEB K，PRATAP A，AGARWAL S，et al．A fast and elitist multiobjective genetic algorithm:NSGA-II［J］．IEEE Transactions on Evolutionary Computation，2002，6(2):182－197．

A Study on the Injury Protection of 10-year-old Child Based on E-NCAP

Cao Libo1，2，Lin Shiyuan1，Yan Lingbo1，Hu Yuan1，Xu Zhe1，Shi Xiangnan2，Wu Miao3＆Mao Li3
1.Hunan University，State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body，Changsha410082; 2.State Key Laboratory of Automotive Noise Vibration and Safety Technology，Chongqing400023; 3.Wuxi Entry-Exit Inspection＆Quarantine Bureau，Wuxi214101

The latest European New Car Assessment Program(E-NCAP)uses Q series 10-year-old dummy to evaluate the protection effects of restraint system on child occupant．Aiming at a domestically mass-produced car make，a simulation model for occupant restraint system for 6-year-old child and a FE model for vehicle are established with MADYMO and Hypermesh respectively，which are comparatively verified based on test data．Q10 child dummy is put into the verified child restraint system and a simulation is conducted according to the requirements of 40%overlap frontal offset impact and side impact specified in E-NCAP．On the basis of sensitivity analysis on occupant restraint system parameters under two working conditions，the parameters significantly affecting child occupant injury are selected as optimization variables，with minimizing weighted injury criterion(WIC)as optimization objective，an optimization is performed with genetic algorithm and Kriging response surface model．The result indicate that the optimized parameters effectively enahnce the protection effects of restraint system for 10-year-old child occupant，with the score increases by 24.6%for frontal offset impact，while by 36.5%for side impact．

child occupant;E-NCAP;genetic algorithm;parameter optimization

10．19562/j．chinasae．qcgc．2017．06．008

*汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室开放基金(5608)和国家质检总局科研基金(2016IK143)资助。

原稿收到日期为2016年6月8日，修改稿收到日期为2016年8月18日。

颜凌波，助理研究员，博士，E-mail:milanylb@hotmail．com。