UN R129侧碰数值模拟的3岁儿童损伤风险研究

韩 勇 潘 迪 田丰翼 王 方 黄红武,2 水野幸治

1.厦门理工学院机械与汽车工程学院, 厦门,3610242福建省客车及特种车辆研发协同创新中心，厦门，3610243.第三军医大学交通医学研究所,重庆，4000384.名古屋大学机械与情报工程研究科, 名古屋，4648603

UN R129侧碰数值模拟的3岁儿童损伤风险研究

韩 勇1,2,3潘 迪1田丰翼1王 方1黄红武1,2水野幸治4

1.厦门理工学院机械与汽车工程学院, 厦门,3610242福建省客车及特种车辆研发协同创新中心，厦门，3610243.第三军医大学交通医学研究所,重庆，4000384.名古屋大学机械与情报工程研究科, 名古屋，4648603

根据联合国欧洲经济委员会制定的UN R129法规儿童约束系统(CRS)台车侧面碰撞条件，提出了2种台车侧面碰撞仿真试验方法，并验证了其可行性。基于该试验方法，采用Q3儿童假人，建立3种不同CRS(五点式-成人安全带固定(三点式CRS)，五点式-ISOFIX固定，前护板型-成人安全带固定)的侧面碰撞数值分析模型。分析了儿童乘员的运动学响应和头、颈部及胸部的损伤物理参数。结果显示：儿童乘员在不同类型的CRS中的运动学响应不同。ISOFIX固定条件下儿童头部损伤风险较大，除三点式CRS约束条件下的儿童乘员损伤物理参数接近耐受极限值外，其他2种工况下的儿童乘员的胸部合成加速度(3 ms)和上颈部弯矩值均超过儿童乘员耐受极限值，可见在侧面碰撞中儿童乘员的胸部和颈部损伤风险较大。

UN R129；侧面碰撞；仿真试验方法；损伤风险; 儿童约束系统

0 引言

在交通事故中，汽车侧面碰撞事故的发生率仅次于正面碰撞，约占事故总数的26%[1]。侧面碰撞是造成儿童受伤的危险因素之一，16%的儿童乘员交通事故非致命伤由汽车侧面碰撞引起，同时,研究表明儿童乘员在侧面碰撞中的损伤风险高于在正面碰撞中的损伤风险[2-3]。这一方面是由于车辆侧面碰撞事故的特殊性，另一方面是由于儿童约束系统(CRS)在此方面的保护性能不足[4]。在我国，每年有超过1.85万名14岁以下的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[5]。人们对儿童乘员保护的意识相对淡薄，在北京、上海、广州、济南、重庆等5个大城市，CRS的使用率尚不足20%，而全国的平均使用率不足1%[6]。车辆在发生侧面碰撞时，被撞一侧车门的侵入大大增加了坐在碰撞一侧的儿童乘员受到严重损伤和致命伤的风险[7]。侧面碰撞主要会导致儿童乘员头部和颈部的严重损伤, 尤其是靠近碰撞侧位置，较之远离碰撞侧位置,儿童具有更高的死亡风险[8-9]。由此，在前人研究的基础上，欧盟在ECE R44/04 CRS法规的基础上于2013年颁布了UN R129 新法规，新法规中加入了侧面碰撞条件下CRS的测试评价[10-11]。

台车试验能够节约研究成本和缩短周期，对于汽车侧面碰撞中的儿童安全性防护研究具有重要意义。张金换等[12]根据UN R129法规,通过组合后碰撞聚氨酯管、橄榄头，拟合台车速度曲线调试波形建立了侧面碰撞台车试验系统，为我国开展侧面碰撞下的CRS开发试验研究打下了基础。在欧洲、美国、日本等汽车工业发达国家，儿童乘员侧面碰撞安全已被列入法规体系中，而我国对此的研究刚起步，还没有制定正式的法规和试验方法[13]。TAKATA公司开发了门板固定在台车上、CRS可自由滑动的侧面碰撞台车装置[14]。国际标准化组织和英国交通研究实验室共同开发了基于铰链门结构设计的侧撞台车系统[15]。我国的标准与欧洲标准趋向一致，未来我国新的CRS试验也将包含侧面碰撞试验。目前，关于台车的正面碰撞试验有限元仿真方法研究虽然有一定的进展[16-18]，但由于侧面碰撞法规尚未实施，国内对台车侧面碰撞试验的有限元仿真方法的研究还处于摸索阶段。

本文基于UN R129法规台车试验要求，建立了2种台车侧面碰撞仿真试验模型，并验证了其可行性。基于该试验方法，采用3种不同结构的CRS对侧面碰撞儿童乘员的运动学响应及损伤结果进行分析。研究结果为我国侧面碰撞法规的完善和儿童乘员保护及CRS的设计提供参考。

1 方法与材料

1.1 材料拉伸试验

CRS主要材料为PP塑料,其应力应变曲线通过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得到，图1为真实应力-应变曲线。

图1 PP塑料真应力-应变曲线Fig.1 The true strain-stress curve of the polypropylene

1.2 CRS模型验证

采用3种不同结构的CRS有限元模型分析侧面碰撞中儿童乘员运动学响应及损伤风险，分别为汽车三点式安全带固定的五点式背带型CRS(三点式CRS)、ISOFIX硬接口固定的五点式背带型CRS(ISOFIX CRS)、汽车安全带固定的护板型CRS(护板型CRS)。假人有限元模型采用欧洲 UN R129法规中最新的代表3岁儿童的Q3儿童假人有限元模型，根据UN R129 试验法规中前碰撞动态试验方法，建立CRS台车碰撞仿真模型，如图2所示。

图2 CRS台车碰撞有限元模型Fig.2 The FE model of the CRS sled

图3为有限元仿真与真实CRS试验中儿童乘员在90 ms时的运动学响应对比图，Q3儿童假人的运动学响应与试验中的机械假人基本一致。图4为仿真和试验中儿童乘员的胸部加速度-时间曲线对比，有限元分析得到的胸部加速度曲线和对应的试验结果在脉冲宽度、走向、切线斜率、峰值基本吻合。表1所示为3种CRS中儿童乘员的头部最大前倾位移量、胸部合成及垂直加速度等损伤参数的对比，仿真分析结果和试验结果之间的误差均小于10%。由此，可以认为3种CRS的有限元模型是正确有效的，可以作为基础模型用于后续儿童乘员安全防护研究。

(a)三点式CRS (b)ISOFIX CRS (c)护板型CRS图3 3种CRS的试验验证Fig.3 The validation of the CRS model

(a)三点式CRS

(b)ISOFIX CRS

(c)护板型CRS图4 有限元仿真与试验中儿童乘员胸部加速度对比Fig.4 The comparison of the chest acceleration of dummy in FE simulation and test

表1 仿真与试验中假人损伤参数Tab.1 The injury parameters of the dummy in FE simulation and test

1.3 门板有限元模型验证

基于UN R129法规对仿真中的门板有限元模型进行验证性分析。建立门板厚度为55 mm、头槌直径为150 mm、头槌质量为6 kg的头槌试验仿真模型。头槌以4 m/s的速度撞击门板。输出的头槌加速度-时间曲线落在UN R129法规要求通道内，如图5所示。这表明门板有限元模型材料有效性得到验证，可用于后续侧面碰撞仿真研究中。

1.上限值58g 2.最大值的下限值53g(11～12 ms)3.下降加速度的上限值(20.5～21.5 ms)4.下降加速度的下限值 (20～21 ms)图5 头槌加速度-时间曲线Fig.5 The acceleration of the headform

2 侧面碰撞模型的建立及可行性分析

本文建立了2种台车侧面碰撞仿真试验模型，对比分析侧面碰撞中CRS防护性能的可行性。

2.1 采用吸能管装置的台车侧面碰撞仿真模型

建立图6所示的采用吸能管装置的台车侧面碰撞试验仿真模型(方法1)。其中，台车、CRS和Q3儿童假人有限元模型的总质量为760 kg。根据UN R129侧面碰撞试验方法定义台车、CRS、假人以7 m/s的初始速度一起运动，并撞击吸能管装置。其中门板通过钢性梁和刚性墙固定不动。

图6 采用吸能管装置的台车侧面碰撞仿真模型Fig.6 The FE model of the side sled test system using energy-absorbing tube

上述参数条件下，输出台车与门板的相对速度曲线显示，速度-时间变化曲线未完全符合法规速度通道的要求。通过分析发现，台车质量过小，导致碰撞动能不足，速度下降较快。配置一个质点增加台车的质量，将台车、CRS、Q3儿童假人的总质量分别设置为780 kg、800 kg、850 kg、900 kg进行有限元分析，得到不同的台车与门板的相对碰撞中速度-时间变化曲线，如图7所示。由图7可知，850 kg和900 kg的有限元仿真分析模型中，台车速度变化均在法规要求的速度通道内。由此可以确定，通过调节台车碰撞质量的方法，采用吸能管装置的台车侧面碰撞仿真模型是可行的。

图7 车与门板的相对速度曲线Fig.7 The relative velocity of the sled and door

2.2 采用速度曲线的台车侧面碰撞仿真模型

采用方法1对不同质量的CRS进行分析，重复性较差，需要不断调试模型的总质量，对控制速度曲线落在通道内有一定的缺陷性，因此，建立图8所示的采用速度曲线的侧面碰撞台车试验仿真模型(方法2)。采用方法1中850 kg模型得到的台车与门板的相对速度曲线，使得CRS和假人以7 m/s的初始速度运动并防止其和台车发生相对滑动，保证Q3儿童假人模型与实际试验中的假人运动一致。门板保持固定，将方法1中的吸能管装置取消，模型总质量与方法1保持一致，为850 kg。

图8 采用速度曲线的台车侧面碰撞仿真模型Fig.8 The side sled test FE model using the velocity curve

0 30 ms 60 ms

90 ms 120 ms 150 ms图9 两种方法中Q3儿童假人运动学响应对比Fig.9 The kinematic of the Q3 dummy in the two simulation method

为验证方法2的可行性，对两种方法中CRS和Q3儿童假人的运动学响应，以及Q3儿童假人的损伤进行对比,如图9所示。图9中，左边为方法1的结果，右边为采用方法2的结果。从图9中可以看出，两种方法中Q3儿童假人的运动学响应基本保持一致。

在CRS上选取图10所示的2个位置，分别输出速度曲线进行对比。对比曲线如图11所示。从图11可以看出，两种方法的速度曲线在脉冲宽度、走向、切线斜率、峰值基本一致。

图10 输出速度曲线的位置示意图Fig.10 The point for output the velocity curve

(a)位置1

(b)位置2图11 位置1、2速度-时间曲线对比Fig.11 The velocity-time curve at the location 1 and 2

选取假人头部、颈部、胸部的损伤值进行对比，得到曲线如图12所示。从图12可以看出，两种方法中儿童假人的损伤曲线的脉冲宽度、走向、切线斜率、峰值基本保持一致。

表2所示为两种方法中Q3儿童假人的损伤值对比,其中，HPC15为头部响应指标，从表2中可以看出，两种方法中Q3儿童假人有限元模型的损伤参数误差均在6%以内。可认为两种方法得到的损伤物理参数具有良好的一致性，且两种方法均是可行的。

(a)头部合成加速度

(b)胸部合成加速度

(c)颈部弯矩图12 头部、胸部、颈部参数对比Fig.12 The comparison of the injury parameters

表2 Q3儿童假人损伤参数对比Tab.2 The injury parameters of the Q3 dummy

3 不同约束条件下儿童假人损伤分析

采用经过有效性验证的三种不同结构的CRS，使用方法1分析侧面碰撞中不同约束条件下儿童假人的运动学响应及损伤风险。

3.1 运动学响应分析

由图9可知，在三点式CRS约束条件下，儿童假人随CRS和台车一起向左运动。在30 ms左右，随着车门与CRS开始接触，在惯性作用力下儿童躯干和四肢受到CRS侧翼力的作用，儿童的头部开始向左侧屈，而后头部随上身向右侧运动。由于门板传递的力主要作用在CRS的底座部分，儿童髋部最先达到最大位置，与CRS接触并做回弹运动，躯干和四肢由于惯性绕髋部做旋转运动。安全带约束了CRS的底部和上部，使CRS的横向位移较小，同时五点式背带约束儿童肩部使头部约束在CRS的侧翼内。儿童的头部的最大位移为153.5 mm，髋部最大位移为107.5 mm。

图13为ISOFIX CRS约束条件下儿童假人的运动学响应。开始时刻，儿童假人随CRS和台车一起向左运动。30 ms时随着车门与CRS接触后，CRS随儿童假人一起向右侧移动，CRS与儿童假人的相对位移较小。由于车门与CRS底部开始接触，儿童髋部和躯干受到CRS力的作用开始向右运动。头部和四肢由于惯性，分别绕躯干和髋部作旋转运动。60 ms时刻，头部向左发生侧屈的同时还发生一定的扭转。之后头部随躯干向右侧运动。CRS受力点集中于CRS底部的ISOFIX上，整个CRS上部运动惯性大，儿童假人的头部最大位移为177.1 mm，髋部最大位移为117.8 mm。

0 30 ms 60 ms

90 ms 120 ms 150 ms图13 ISOFIX CRS儿童假人运动学响应分析Fig.13 The kinematic of the Q3 dummy in ISOFIX CRS

在护板型CRS约束条件下，儿童运动学响应与三点式CRS约束条件下类似，如图14所示。由于没有使用五点式背带，在运动过程中，儿童未受到二次约束作用，且门板作用于CRS的力集中在CRS侧翼中部位置，躯干和四肢绕髋部的旋转运动不如其他两种约束条件下剧烈。护板型CRS尺寸和质量较小，运动惯性小，使儿童假人头部位移相对较小。护板型CRS中,儿童假人的头部最大位移为148.5 mm，髋部最大位移为62.21 mm。

3.2 损伤物理参数分析

0 30 ms 60 ms

90 ms 120 ms 150 ms图14 护板型CRS儿童假人运动学响应分析Fig.14 The kinematic of the Q3 dummy in impact shield CRS

图15所示为3种不同约束条件下儿童假人的头部合成加速度曲线。可知，3种工况下儿童假人的头部合成加速度峰值出现的时间集中在0.03～0.05 s之间，此时CRS刚与门板接触。三点式CRS由于使用汽车安全带对CRS进行柔性固定，在运动过程中安全带吸收了一定的能量，且固定点同时作用于CRS底部和上部，使之运动平缓，同时CRS侧翼产生变形也吸收了一定的能量，所以头部加速度峰值较小。ISOFIX CRS由于使用了滑移装置，使之在与门板发生碰撞之后，能量全部由CRS和儿童假人承载，导致儿童头部合成加速度峰值较大，同时，ISOFIX CRS采用硬接口连接台车上CRS，受力集中于CRS底部，导致CRS上部惯性大，从运动学响应也可看出，头部发生侧屈的同时，还发生了一定的扭转运动。在护板型CRS中，由于CRS采用了较多的泡沫吸能部件，而且CRS质量轻、惯性小，因而传递到儿童假人的能量较小，同时由于没有采用五点式背带对儿童假人进行约束，儿童假人头部侧屈运动较小，从而头部合成加速度峰值相比于其他两种工况较小。

图15 头部合成加速度曲线Fig.15 Head resultant acceleration

图16所示为3种不同约束条件下儿童假人的胸部合成加速度曲线。可知，和头部合成加速峰值发生的时间类似，3种工况下儿童假人的胸部合成加速度峰值出现的时间集中在CRS与门板开始发生接触的时候。三点式CRS由于柔性的固定方式，及CRS侧翼变形吸收了一定的能量，从而胸部加速度较小。ISOFIX CRS采用刚性连接装置，儿童假人在运动过程中上半身惯性大，在运动过程中受到五点式背带的作用力较大，从而导致胸部加速度较大。护板型CRS虽然质量轻惯性小，但是儿童假人与CRS的护板发生了碰撞，导致了二次伤害，从而增加了胸部加速度。从图16中可以看出，ISOFIX CRS与护板型CRS中的儿童假人胸部合成加速度峰值要明显大于三点式CRS。

图16 胸部合成加速度曲线Fig.16 Chest resultant acceleration

(a)颈部拉力

(b)颈部弯矩图17 颈部拉力和弯矩Fig.17 Neck force and bending moment

图17所示为3种不同约束条件下儿童假人的颈部拉力和颈部弯矩曲线。观察可知，三点式CRS约束条件下的儿童假人颈部拉力峰值最大，但是颈部弯曲峰值最小。因为三点式CRS上下部受力均匀，儿童假人躯干和髋部一起运动，头部的侧屈运动较大，从而导致颈部拉伸力较大，但头部绕躯干的扭转较小，从而颈部弯曲较小。ISOFIX CRS约束条件下的儿童假人，躯干和头部相对运动较小，因此颈部拉伸力较小，但是由于头部绕躯干的扭转较大，从而导致颈部弯曲值较大。护板型CRS约束条件下的儿童假人，颈部损伤情况和ISOFIX CRS约束条件下的儿童假人类似。

对3种工况下儿童假人的头部合成加速度曲线、颈部拉力曲线、颈部弯矩曲线和胸部加速度曲线进行分析，得出表3所示的损伤参数，ISOFIX CRS约束条件下的儿童假人头部损伤值较大，均超过儿童乘员损伤耐受极限。侧面碰撞中，除三点式CRS约束条件下的儿童乘员接近损伤耐受极限外，其他两种工况下的儿童乘员的胸部合成加速度(3 ms)和颈部弯矩值均大大超过儿童乘员耐受极限值，可见侧面碰撞中儿童乘员的胸部和颈部易受到严重损伤。

表3 Q3儿童假人损伤值对标[18]Tab.3 The injury parameters of the Q3 dummy

4 讨论

本文建立了两种侧面碰撞有限元数值分析方法，并进行了有效验证。方法1是根据UN R129侧面碰撞确定的减速测试系统的试验方法，这种方法相对加速碰撞台车具有费用低、安装便捷的特点，但是针对不同系列的CRS存在重复性差、速度变化较难调试的缺点，而应用有限元分析可以提高仿真效率，指导CRS的侧面碰撞安全性结构设计。方法2可便捷地模拟CRS的侧面碰撞的防护性能，但比较局限于对CRS本身结构的评价，不如方法1可对整体试验性能进行分析，根据方法1可以进一步分析试验中产生的台车加速度对儿童乘员颈部拉力及胸部加速度的影响，确定台车加速度对儿童乘员损伤参数的贡献度，具有更加广泛的研究价值。

头部加速度、颈部弯矩和胸部加速度都是非常重要的控制指标。在汽车侧面碰撞交通事故中，侧面碰撞导致头颈部的相对运动可产生较大的弯曲，使儿童乘员的颈部风险增加。由此在CRS的侧翼结构的设计中，应考虑头颈部的限位结构设计，如置入具有限制运动的柔软质的内凹形头枕和具有吸能特性的侧翼结构设计，增加侧面吸能特性，使头颈部的相对运动减小。在ISOFIX CRS中，头部和胸部加速度相对较高，除了上述的吸能方法，应优化ISOFIX结构件与CRS底座的连接关系和力的传递路径，使ISOFIX受到的侧面碰撞力可以向底座和上部本体传递，让CRS整体均匀承载作用力，减小儿童乘员受到的力，降低损伤风险。

本文中采用的CRS模型是较早期开发的，存在一定的局限性，不能完全反映现代CRS的设计趋势，现代CRS应在满足法规的要求下质量更小，重要承载力的结构部件可采用高强度钢或经过表面处理的碳钢，本体的塑性材料可采用加入玻璃纤维的强化塑性，在提高强度的同时，减小CRS的质量，同时这也有助于假人损伤指标的控制。

5 结论

(1)本文采用的3种CRS均通过法规认证，在正面碰撞中儿童乘员损伤值均在参考值内，但在侧面碰撞中，儿童乘员受伤风险较高。同时，在侧面碰撞中，不同CRS中的儿童运动学响应不同。

(2)侧面碰撞中，ISOFIX CRS约束条件下的儿童乘员头部、颈部、胸部受到损伤风险均较高。

(3)侧面碰撞中，儿童乘员胸部损伤值和颈部损伤值都超过儿童乘员耐受极限值，说明儿童乘员在侧面碰撞中颈部和胸部易受到严重损伤。在CRS设计中应更多考虑侧面碰撞安全性的结构设计。

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ResearchonInjuryRisksof3Year-oldChildrenUsingNumericalSimulationsofSideImpactsinUNR129

HAN Yong1,2,3PAN Di1TIAN Fengyi1WANG Fan1,2HUANG Hongwu1,2MIZUNO Koji4

1.School of Mechanical and Automobile Engineering, Xiamen University of Technology，Xiamen，Fujian，361024 2.Fujian Collaborative Innovation Center for R&D of Coach and Special Vehicle， Xiamen，Fujian，361024 3.Third Military Medical University, Chongqing，400038 4.Department of Mechanical Science and Engineering，Nagoya University, Nagoya，4648603

According to the side impact conditions of UN R129 children restraint system, 2 kinds of simulation test methods were developed and the feasibility was verified. Based on the validated test method, the numerical simulation of side impacts in 3 different restraint systems (five-point-car seat belt, five-point-ISOFIX and shield-car seat belt) with Q3 child FE dummy model was adopted. The kinematic response of the child occupants and the physical parameters of head, neck and thorax were analyzed. The results show that the child occupant kinematics is different in various types of CRS. The injury physical parameters of child head in the ISOFIX CRS are the highest. Chest acceleration (3 ms) and neck bending moment value of child occupants in the ISOFIX CRS and shield CRS are much higher than children’s injury tolerance limit. The chest and neck of a child occupant in a side impact are subjects to high injury risks.

UN R129；side impact；test simulation method; injury risk； child restraint system(CRS)

U463.212

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.23.008

2016-11-14

国家自然科学基金资助项目(51675454);福建省自然科学基金资助项目(2016J01748);2015年“福建省高校杰出青年科研人才培育计划”(闽教科[2015]54号);国家外专局高端外国专家团队资助项目(GDT20143600027)

(编辑袁兴玲)

韩勇，男，1984年生。厦门理工学院机械与汽车工程学院副教授。主要研究方向为汽车碰撞安全、儿童乘员保护、人体损伤生物力学等。E-mail:yonghan@xmut.edu.cn。潘迪，男，1992年生。厦门理工学院机械与汽车工程学院硕士研究生。田丰翼，男，1993年生。厦门理工学院机械与汽车工程学院硕士研究生。王方，男，1983年生。厦门理工学院机械与汽车工程学院讲师。黄红武，男， 1959年生。厦门理工学院机械与汽车工程学院教授、博士研究生导师。水野幸治，男，1963年生。日本名古屋大学机械与情报工程研究科教授、博士研究生导师。