台车加速度波形对3岁儿童损伤风险影响的研究*

韩勇，李雄，黄红武，苍安国，水野幸治

(1.厦门理工学院，厦门364024;2.第三军医大学，重庆400038;3.广东检验检疫技术中心，广州510000; 4.名古屋大学，日本464－8603)

台车加速度波形对3岁儿童损伤风险影响的研究*

韩勇1，2，李雄1，黄红武1，苍安国3，水野幸治4

(1.厦门理工学院，厦门364024;2.第三军医大学，重庆400038;3.广东检验检疫技术中心，广州510000; 4.名古屋大学，日本464－8603)

用不同长度的圆形薄壁吸能管和不同质量的台车，采用有限元分析和台车试验进行拟合，获得FMVSS213规定的动态试验台车碰撞加速度波形。将所得的台车加速度波形和已有的ECE R44台车加速度波形，加载到放置有Q3儿童有限元模型的两种(汽车安全带和ISOFIX固定式)背带式前向儿童约束系统碰撞仿真模型中，通过仿真，分析了加速度波形对3岁儿童乘员的运动学响应和损伤参数的影响。结果显示，加载FMVSS213加速度波形的儿童乘员的前向运动学响应比加载ECE R44加速度波形约提前20ms。加载FMVSS213加速度波形的头部前向位移、HIC15和头部与胸部的加速度均大于ECE R44工况。两种工况的上颈部轴向力和胸部压缩量无显著差异，但上颈部轴向力均大于法规限值(1 705N)，而胸部压缩量均小于法规限值(53mm)。研究结果表明，FMVSS213动态加载试验对儿童约束系统的安全性评价要求更高，可为儿童约束系统的设计提供参考依据。

儿童约束系统;薄壁圆管;加速度波形;损伤风险

前言

世界卫生组织研究表明，自从引进儿童约束系统后，儿童乘员的保护得到了明显改善，然而交通事故依然是导致0－14岁儿童死亡的第二大原因［1－2］。我国每年有超过1.85万名14岁以下儿童死于交通安全事故，死亡率是欧洲的2.5倍、美国的2.6倍［3］。

动态性能试验是评价汽车儿童约束系统安全性的重要指标，动态性能的好坏直接决定了整个儿童约束系统的性能优劣［4－5］，进而影响到儿童乘员的乘车安全。大量研究结果表明，采用圆形薄壁吸能管能有效复现儿童约束系统动态试验加速度曲线。文献［6］中利用圆形薄壁吸能管对ECE R44法规要求的曲线进行了模拟;文献［7］中利用圆形薄壁吸能管模拟出满足GB 27887—2011规定的加速度曲线，并采用台车试验方法对某儿童安全座椅进行了Q6假人损伤机理分析。本文中对美国FMVSS213法规［8］动态试验加速度曲线进行拟合设计研究，并与ECE R44法规动态试验加速度曲线进行仿真对比，分析了加速度波形对儿童乘员损伤风险的评价，有利于提高儿童乘员在车辆碰撞过程中的安全性。

1 FMVSS213加速度波形拟合

1.1 台车和吸能管仿真模型的建立

依据实验室试验台车建立碰撞台车有限元模型，台车长2 620mm，宽1 070mm，采用单元为20mm划分网格，网格数为17 210，节点数为19 730，材料为Q235钢，并通过建立MASS质量点来改变台车质量。考虑到试验时圆形吸能管更换的方便，建模时将圆形吸能管套在特制的圆形套筒内(内径与圆形吸能管的外径相同)，套筒采用六面体网格划分，材料为刚体，如图1所示。圆形吸能管网格单元大小为5mm，其输入的材料应力-应变曲线是采用微机控制电子万能试验机和位移引伸计进行材料拉伸试验获得，图2和图3分别为试验样件材料拉伸试验过程和真实应力-应变曲线。

仿真采用LS-DYNA模块中*INITIAL_VELOCITY关键字卡片定义台车运动方向速度，同时采用*BOUNDARY_SPC关键字卡片对刚性套筒施加全自由度约束。给整个工况施加一重力场9.81m/s2，计算时间控制为90ms。文中所建立的台车碰撞吸能管工况涉及到的接触如表1所示。

图1 台车和吸能管碰撞有限元模型

图2 试验样件材料拉伸试验过程

图3 圆形薄壁吸能管真实应力-应变曲线

表1 仿真中的接触

1.2 碰撞加速度曲线的拟合仿真

FMVSS213法规只对正面碰撞提出了要求，且碰撞动态试验中台车制动碰撞速度有48和32km/h两种［9］，模拟选用台车在试验过程中的速度变化"v为48km/h。通过拟合仿真，当台车质量调整到900kg时，最终得到能复现出满足法规碰撞加速度区间要求的组合吸能管的长度、厚度、直径，如表2所示，吸能管的组合形式如图4所示。

表2 碰撞组合吸能管参数mm

图4 碰撞加速拟合吸能管组合模式

1.3 拟合加速度波形的台车试验验证

根据仿真所确定的碰撞吸能管组合参数，将确定的组合吸能管套在特制的圆形套筒内，圆形套筒固定在刚性墙上，并将试验台车质量调整到900kg，如图5所示。

图5 台车碰撞吸能管试验

该试验是在广东检验检疫技术中心的交通安全儿童座椅实验室完成的，实际碰撞速度为46.5km/h，在法规要求范围内，与仿真设置速度48km/h相比，误差为3%。碰撞试验后吸能管变形长度如表3所示。可以看出，试验和仿真中碰撞后的吸能管长度相差约9mm，误差为2.7%。

表3 碰撞后吸能管长度对比

图6所示为碰撞中台车的仿真和试验得到的加速度曲线对比。从图中可以看出，台车加速度曲线在后段有微小超出了加速度区间上限外，其他都处于法规所要求的范围内。同时，试验加速度曲线与仿真加速度曲线具有较好的一致性，二者的峰值及其出现时刻符合较好，所得到的碰撞加速曲线基本满足要求，验证了碰撞加速度曲线和仿真模型的有效性。

图6 碰撞中台车的加速度曲线对比

2 儿童约束系统仿真有限元模型

2.1 儿童约束系统—台车模型的建立

基于欧洲儿童安全法规ECE R44建立CRS台车碰撞仿真模型，主要包括汽车ECE R44试验座椅、CRS和Q3儿童假人有限元模型［10］，如图7所示。汽车试验座椅模型由座垫和靠垫组成，均采用六面体单元划分。儿童假人约束方式均采用五点式安全带固定，儿童座椅分别为汽车安全带和ISOFIX固定方式的两款CRS座椅进行仿真，其中汽车安全带固定CRS已得到验证［11］。加载的ECE R44法规曲线通过PU管台车试验方法获得［12］，如图8所示。

图7CRS台车碰撞仿真模型

2.2 儿童假人运动响应对比分析

图8ECE R44法规要求的加速度曲线

图9 为ECE R44和FMVSS213加速度工况下汽车安全带固定和ISOFIX固定CRS的Q3儿童假人的运动学响应。汽车安全带固定的CRS，在加载ECE R44加速度曲线仿真中儿童假人约束系统在前60ms内运动并不明显，Q3假人在106ms时刻头部位移达到最大值478mm;在加载FMVSS213加速度曲线仿真中儿童假人约束系统在前30ms内运动并不明显，Q3假人在88ms时刻头部位移达到最大值489mm。ISOFIX固定的CRS，在加载ECE R44加速度曲线仿真中儿童假人约束系统在前40ms内运动并不明显，Q3假人在108ms时刻头部位移达到最大值526mm;在加载FMVSS213加速度曲线仿真中儿童假人约束系统在前20ms内运动并不明显，Q3假人在90ms时刻头部位移达到了最大值536mm。

图9 两种工况下CRS不同时刻动态响应对比

仿真结果表明，汽车安全带固定的CRS在正撞加速度加载过程中，Q3假人随着CRS向前运动，之后在五点式背带的作用下，头部向前弯曲，达到最大位移后开始反弹向后运动。ISOFIX固定的CRS在正撞加速度加载过程中，Q3假人随着CRS绕着ISOFIX接口转动，之后在五点式背带的作用下，头部向前弯曲运动，达到最大位移后开始反弹向后运动。Q3假人在汽车安全带固定和ISOFIX固定的CRS中头部、胸部和盆骨在X－Z轴平面里的运动轨迹分别如图10和图11所示。分析运动轨迹可知，不论是汽车安全带固定还是ISOFIX固定的CRS，在FMVSS213加速度加载工况下，假人头部最大位移均比ECE R44加速度加载工况下要大，且假人在运动后期反弹更为明显。

图10 汽车安全带固定CRS Q3假人头部质心、胸部质心和盆骨质心在X－Z平面内的轨迹

图11ISOFIX固定CRS Q3假人头部质心、胸部质心和盆骨质心在X－Z平面内的轨迹

2.3 儿童假人损伤参数对比分析

ECE R44和FMVSS213加速度曲线对Q3儿童假人的损伤参数如表4所示。根据ECE R129法规，儿童乘员颈部损伤没有明确规定损伤指标，仅仅作为监控项［13］，但文献［14］中的研究表明:儿童乘员颈部和胸部是容易受伤部位，并对上颈部轴向力和胸部压缩量的损伤极限值进行了设定。

在汽车安全带和ISOFIX固定的五点式背带CRS约束下，FMVSS213加速度工况下的头部位移、HIC15、头部加速度和胸部合成3ms持续加速度均比加载ECE R44加速度的工况高，但都在法规要求的极限值以下。两种工况下的儿童假人的上颈部轴向力均超过损伤极限值1 705N，胸部压缩量均低于损伤极限值53mm，且在同一CRS约束下两种工况对儿童假人造成的上颈部轴向力和胸部压缩量损伤值无明显差异。

表4 两种工况下Q3假人损伤值

图12 头部合成加速度曲线对比

在ECE R44和FMVSS213两种工况下不同CRS约束时Q3假人的头部、胸部和盆骨加速度—时间曲线如图12～图14所示。在汽车安全带固定的CRS中，加载ECE R44加速度曲线的Q3儿童假人头部加速度在101ms时刻达到峰值66.9g，胸部合成3ms持续加速度为41.4g;加载FMVSS213加速度曲线的Q3儿童假人头部加速度在81ms时刻达到峰值74.2g，胸部合成3ms持续加速度为41.9g。在ISOFIX固定的CRS中，采用ECE R44加速度曲线加载的Q3儿童假人头部加速度在106ms时刻达到峰值50.7g，胸部合成3ms持续加速度为30.9g;采用FMVSS213加速度曲线加载的Q3儿童假人头部加速度在80ms时刻达到峰值57.2g，胸部合成3ms持续加速度为39.3g。在运动后期，由于假人的头部与胸部撞击，使胸部加速度曲线均出现了副波峰。不论是头部、胸部还是盆骨的加速度，ECE R44与FMVSS213工况的曲线趋势都比较相似，只不过FMVSS213加速度工况比ECE R44加速度工况提前发生大约20ms。

图13 胸部合成加速度曲线对比

图14 盆骨合成加速度曲线对比

3 结论

基于有限元方法，首先采用薄壁圆形吸能管拟合FMVSS213法规规定的试验台车加载的加速度曲线，接着采用Q3假人和两款CRS(汽车安全带固定和ISOFIX固定)有限元模型，根据ECE R44和FMVSS213加速度工况作为边界条件对3岁儿童乘员的损伤风险进行分析，得出以下结论。

(1)ECE R44与FMVSS213加速度曲线具有较大的差异，但是在同一CRS约束下儿童乘员的动态响应以及头部、胸部和盆骨的加速度—时间曲线具有较好的一致性，FMVSS213加速度工况明显比ECE R44加速度工况提前发生约20ms。

(2)通过对比3岁儿童假人损伤参数可知，FMVSS213加速度曲线对儿童乘员造成的伤害明显比ECE R44的伤害大，因此在儿童约束系统安全性评估上FMVSS213法规表现得更为严格。

(3)经过有限元分析和台车试验验证，当台车质量为900kg时，用壁厚为1.5mm，直径为76mm，长度分别为790，730和690mm的3根圆形薄壁吸能管可拟合出满足FMVSS213法规要求区间的碰撞波形。且针对将圆形薄壁吸能管直接焊接在台车上的传统方法不利于更换的缺点，采用圆形薄壁吸能管固定在套筒内，实现了圆形薄壁吸能管的简单更换。

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A Study on the Effects of Sled Acceleration Waveform on the Injury Risk of 3-year-old Child Occupant

Han Yong1，2，Li Xiong1，Huang Hongwu1，Cang Anguo3＆Koji Mizuno4
1.Xiamen University of Technology，Xiamen364024;2.Third Military Medical University，Chongqing400038; 3.Guangdong Inspection and Quarantine Technology Center，Guangzhou510000; 4.Department of Mechanical Science and Engineering，Nagoya University，Japan464－8603

Different lengths of thin-walled energy-absorbing round tube and different masses of sled are used to conduct a fitting with finite element analysis and sled test to obtain the sled crash acceleration waveform of dynamic test provisioned in FMVSS213 regulation．The acceleration waveform obtained and existing one with ECE R44 are applied to two crash simulation models for forward child restraint system(CRS)with Q3 child seatbelt and ISOFIX FE models incorporated respectively，and a simulation is performed to analyze the influences of acceleration waveform on the kinematic response and injury parameters of 3-year-old child occupant．The results show that the forward kinematic response of child occupant with FMVSS213 acceleration waveform is 20 ms earlier than that with ECE R44 one，and the head forward displacement，HIC15，head acceleration and chest acceleration with FMVSS213 acceleration waveform are all larger than those with ECE R44 one．Upper neck axial force and chest deflection in both FMVSS213 and ECE R44 conditions have no apparent difference，but upper neck axial forces in both conditions all exceed regulation limit(1705 N)，while chest deflections are all smaller than regulation limit(53mm)．The results of study demonstrate that the FMVSS 213 dynamic loading test has higher requirements in safety evaluation of CRS，so can provide reference basis for CRS design．

child restraint system;thin-walled round tube;acceleration waveform;injury risk

10．19562/j．chinasae．qcgc．2017．06．009

*国家自然科学青年基金(31300784)、福建省自然科学基金面上项目(2016J01748)、2015年“福建省高校杰出青年科研人才培育计划”和国家外专局高端外国专家团队项目(GDT20143600027)资助。

原稿收到日期为2016年7月7日，修改稿收到日期为2016年8月16日。

韩勇，副教授，E-mail:yonghan@xmut．edu．cn。