1.5岁儿童假人颈部伤害预测分析

娄磊杜北华徐哲

（1.中国汽车技术研究中心，天津300300；2.长春富维安道拓汽车饰件系统有限公司，长春 130033）

主题词：儿童假人 儿童约束系统 碰撞试验 颈部伤害

1 前言

研究表明，在正面碰撞事故中，儿童颈部受伤极为严重，约60%～80%的儿童脊椎损伤发生在颈部[1-2]。儿童假人是儿童约束系统(CRS)测试中非常重要的试验设备,现行的国家标准GB 27887—2011与欧标ECE R44均采用P假人进行碰撞试验，但是由于P系列儿童假人受制于测试设备的限制，这些标准中都没有颈部载荷限值要求[3-4]，这也导致了目前试验数据库中普遍缺失儿童颈部伤害数据。

Q系列儿童假人结构更为复杂，具有更好的重复性、稳定性和仿生度，且能够直接测量颈部受力情况。但是目前Q假人仅在欧标ECE R129中应用，并且由于颈部伤害数据的匮乏，并没有提出颈部载荷相关限值要求[5-6]。在国标与CNCAP的升级改版中，同样由于颈部伤害数据的匮乏影响了Q假人的导入和颈部伤害限值的提出。

针对上述问题，本文分析了P1.5假人与Q1.5假人头、颈部的伤害规律，得出了利用头部加速度估算颈部伤害的方法，该方法可补充P1.5假人试验中颈部伤害数据的空白。

2 试验条件

2.1 试验方法

参考CNCAP车用儿童约束系统评价规程中婴儿组正面碰撞测试方法,利用加速式台车设备进行P1.5假人与Q1.5假人对比试验，试验波形应位于图1中阴影区域，试验速度变化量应控制在]。为避免试验中出现不可预计的异常数据，同一型号样品、同一试验工况下分别进行两次试验。

儿童约束系统后向安装于试验车后排座椅，采用ISOFIX下固定点系统固定儿童约束系统，支撑腿作为附加抗反转装置，如图2所示。

图1 试验加速度波形要求

图2 儿童座椅及试验假人安装方式

2.2 P1.5假人与Q1.5假人结构差异

表1为P1.5假人和Q1.5假人尺寸及质量对比，由表1可知，Q1.5假人坐高与P1.5假人只相差4 mm，因此头部与儿童约束系统接触位置基本一致。两种假人的肩宽相近，臀宽相差20 mm。两种假人的头部、大腿、总体重均相差较小，只是Q1.5假人降低了躯干质量，该部分质量转移到手臂部分。由此看见，P1.5假人与Q1.5假人的各部位尺寸、质量差异并不显著，因此两种假人的试验数据具有一定可比性。

表1 P1.5假人与Q1.5假人尺寸及质量对比

Q系列儿童假人的头部加速度传感器与颈部载荷传感器均固定连接在同一刚体上，如图3所示。因此在碰撞过程中，头部与颈部测量坐标系始终保持方向平行。

图3 Q系列儿童假人假人头颈部安装示意

3 试验结果及分析

3.1 试验波形输入对比

4次试验的速度变化量分别为52.11 km/h、52.28 km/h、52.22 km/h和52.38 km/h。试验加速度波形如图4所示，由图4可看出，加速度波形均在上、下限范围内，满足预设试验方法的要求。利用量化重复性指标“相关系数C.V值”评价试验重复性，4次试验的速度变化量的C.V值为0.19%，加速度峰值的C.V值为0.15%，表明试验输入一致性较好，为假人伤害分析提供了可比性前提条件。

图4 试验波形结果

3.2 假人伤害对比分析

试验测试通道中，与颈部伤害相关的通道包括头部加速度和颈部载荷，其信号方向符合SAE J211标准定义。主要伤害指标见表2。

由于头部Y向加速度测量方向垂直于碰撞方向，所以其测量值很小，导致同一假人的两次试验的头部Y向加速度相关系数C.V值较大，重复性很差，但由于其不在主碰撞方向，所以对整体试验结果影响不大。除此之外，其它伤害指标的重复性很好，重复性相关系数C.V值均在4%以下。以下均采用同一假人的两次重复试验的平均结果进行对比分析。

3.2.1 头部加速度

图5为两种假人头部合成加速度曲线。与P1.5假人相比，Q1.5假人的头部加速度响应较快，主波形峰值较低，脉宽更宽，这主要是由于两种假人结构不同造成的，P1.5假人整体更为柔性，因此其响应滞后且集中。

表2 主要伤害指标试验结果

图5 两种假人头部合成加速度对比曲线

3.2.2 颈部载荷

在CNCAP车用儿童约束系统评价方法中，颈部张力使用头部Z向加速度表征，但是表征精度并不理想，如图6所示，在相同试验输入条件下，P1.5假人头部Z向加速度乘以头部质量所得的Z向惯性力与Q1.5假人颈部传感器直接测量的张力Fz差异巨大，甚至Q1.5假人自身的头部Z向惯性力与颈部张力Fz都有很大差异。

图6 两种假人颈部张力Fz和惯性力

惯性力与颈部力的差异不仅存在于Z向，X向的惯性力与颈部力差异更为明显，如图7所示，两假人头部X向惯性力相仿，但是其与颈部剪切力Fx完全不相关，甚至方向相反。

图7 颈部张力Fx和惯性力

由此可见，头部惯性力不能直接表征颈部伤害严重程度。为此构建力学模型来分析头部惯性力与颈部伤害差异的原因。

4 模型计算分析

4.1 建立力学模型

1.5岁假人作为婴儿组、0+组儿童约束系统所能承载的最大假人进行测试使用，法规规定该组别儿童约束系统必须后向安装，所以在前碰撞中，假人头部与儿童座椅头枕和靠背的相互作用很大。因此，头部惯性力与颈部力差异明显的原因在于头部的受力不只来自于颈部，还有儿童座椅对头部的支撑和摩擦。依此建立头颈部受力模型，如图8所示。

图8 头颈部受力模型

忽略头枕对头部的支撑力Fn与摩擦力Ft的实际角度偏差，近似认为Fn平行于X方向，向假人前方为正；Ft平行于Z方向，向假人下方为正。头部加速度及颈部力的方向均依据SAE J211汽车碰撞试验设备标准中对正负符号的方向定义。

应用建立的模型，将Ax和Az作为系统输入、Fn和Ft作为过程量、Fx和Fz作为系统输出，由此可利用头部加速度Ax和Az预测颈部力Fx和Fz。

由受力关系可得：

式中，Ax(t)和Az(t)是头部X向和Z向加速度关于时间的函数；Fx(t)和Fz(t)是颈部剪切力和张力关于时间的函数；Fn(t)和Ft(t)是头部与儿童座椅靠背和头枕的相互作用力的时间函数；m为假人头部质量。

在碰撞过程中，头部相对头枕向上运动，由于碰撞过程短促猛烈，头部与头枕相对运动快速，因此忽略静摩擦，可近似认为：

式中，μ为动摩擦因数，通过试验实测得假人头部与儿童座椅靠背、头枕之间的动摩擦因数约为0.2。

式(1)～式(3)中，对于P1.5假人，存在Fx、Fz、Fn、Ft等4个未知量，因此还需要一个方程才可求解。而对于Q1.5假人，因为该假人装有颈部载荷传感器，所以只有Fn和Ft两个未知量，因此可利用Q1.5假人数据寻找一个附加规律，再将此规律应用于P1.5假人，使其得到4个方程用于求解。

试验数据分析发现，头部X向惯性力与支撑力Fn具有高度相关性，二者形状相同，如图9a所示。支撑力曲线的积分面积约为X向惯性力曲线积分面积的1.3倍。将惯性力曲线乘以系数1.3，得到的曲线与支撑力曲线几乎完全重合。由于该倍率关系是基于一款产品（型号A）的试验结果得出，可能存在偶然性，因此进行了另一款儿童座椅（型号B）的碰撞试验。采用相同的方法进行数据计算处理，结果如图9b所示，其惯性力与1.3倍的惯性力重合度很高。由此可知，X向惯性力与支撑力线性相关，可得经验关系式为：

求解方程（1）～（4），可得：

4.2 模型验证

Q1.5假人装有颈部载荷传感器，可直接测量颈部剪切力Fx和张力Fz，因此将传感器直接测量结果作为对标值，计为Q-Fx和Q-Fz；式(5)和式(6)的计算结果作为验证值，计为Q-Fx-cal和Q-Fz-cal，通过对比验证值与对标值的差异来验证所建模型。

图10为Q假人颈部力的计算值与实测值对比，由图10可看出，计算与实测曲线较吻合。通过计算，颈部Fx偏差C.V为3.95%；颈部Fz偏差C.V为4.47%，计算值与实测值拟合度很高，表明该计算模型精度较高，可以用于预测计算。

图9 头枕支撑力和惯性力曲线

图10 Q假人颈部力的计算值与实测值对比

4.3 应用模型估算P1.5假人颈部伤害

利用式(5)和式(6)计算P1.5假人颈部P-Fx-cal和PFz-cal，与Q假人实测值对比结果如图11所示，由图11可看出，两种假人曲线走势相似，P1.5假人响应稍慢，曲线峰值较高，脉宽较窄，这与P1.5假人刚度略低于Q1.5假人刚度的性能差异符合，表明了试验结果的合理性。

由上述可知，应用所建立模型可以估算颈部损伤水平，补全缺失数据，利用模型计算数据表征颈部伤害的有效性高于头部加速度直接替代的方法。

图11 P假人颈部Fx和Fz值预测结果

5 结束语

在碰撞事故中，儿童颈部伤害严重，但是受制于P系列试验假人的限制，相关标准法规中并没有对颈部伤害限值提出要求，这导致了在现有试验结果数据库中儿童假人颈部伤害数据匮乏。针对此问题，本文进行了P1.5假人和Q1.5假人对比试验，建立假人头颈部受力分析模型，分析假人颈部受力情况，并利用Q1.5假人试验数据验证了模型，应用模型预测了P1.5假人颈部伤害，从而可以填补现有数据库中P1.5假人颈部伤害的空白，增加儿童颈部伤害可用数据量。