偏置碰撞儿童安全座椅台车试验方法研究＊

朱宜灿 钱宇彬 肖凌云 王琰 刘凯

（1.上海工程技术大学，上海 201620；2.国家质检总局缺陷产品管理中心，北京 100020；3.国家机动车产品质量监督检验中心，上海 201805）

主题词：偏置碰撞 儿童安全座椅 台车试验

1 前言

随着儿童约束系统的日益推广，儿童乘车安全得到很大的改善，但交通事故仍是导致0～14岁儿童死亡的主要原因之一[1-2]。动态试验是评价儿童约束系统安全性能的重要方式，其结果将直接决定约束系统的性能优劣[3-4]。目前，常见的儿童约束系统评价方法主要有 Euro-NCAP、ADAC、J-NCAP 和 C-NACP，Euro-NCAP增加了40%偏置碰撞下的儿童约束系统安全性能的评价，而其它评价方法只关注了全正面碰撞下的保护效果。

文献[5]通过仿真探讨了偏置碰撞工况下儿童约束系统的保护效果，本文基于该文献中仿真方法，从实际事故数据出发，进行了3岁儿童乘员在40%偏置碰撞下的台车试验方法研究，为偏置碰撞状态下儿童约束系统性能评价提供技术基础。

2 儿童交通事故统计分析

儿童交通事故数据样本来自国家车辆事故深度调查体系数据库（NAIS）[5]，共筛选样本62个，涉及乘用车62辆，儿童乘员67名。其中使用儿童约束系统的仅有1例，伤亡总数为33人。以下将从碰撞重叠率、碰撞速度来探讨儿童乘员伤害特征。

2.1 碰撞重叠率及等效壁障速度

2.1.1 碰撞重叠率

参考国际现有正面碰撞形式[6]，将碰撞重叠率分为4大类进行研究，分别为0～25%的小偏置碰撞、25%～50%的偏置碰撞、50%～75%的偏置碰撞及75%～100%的大重叠碰撞。在62辆事故车辆中，4种碰撞重叠率的事故车辆数分别达到16辆、25辆、4辆和17辆，如图1所示。其中占比最高的碰撞重叠率类型为25%～50%，其发生频率达40.3%，即偏置碰撞在实际交通事故中占比非常高；其次为75%～100%，其发生频率达27.4%。

图1 汽车碰撞重叠率分布示意

2.1.2 等效壁障速度

根据正面碰撞相关国家标准，碰撞车速与交通事故中根据车辆变形量计算出的等效壁障速度相当[7]。其中，涉及儿童乘员的交通事故等效壁障速度分布如图2所示。由图2可看出，速度在50 km/h左右的事故最多，共12例，速度在60 km/h以下的事故占54.8%；速度在80 km/h以下的事故占80.6%。

图2 汽车碰撞等效壁障速度分布

2.2 儿童乘员伤害特征

儿童乘员伤亡信息主要包括受伤部位（头部、颈部、胸部、腹部以及下肢等）、受伤程度（按基于人体解剖学的简明伤害评分AIS（Abbreviated Injury Scale）标准分为AIS0～AIS6共6个等级，等级越高伤害越严重）和致死原因（颅脑损伤、呼吸系统衰竭、创伤失血性休克和交通事故复合伤）等[8]。将儿童乘员的伤害特征及致死原因按碰撞类型进行统计，如图3和图4所示。

图3 儿童乘员伤害特征与碰撞类型关系

图4 儿童乘员致死原因与碰撞类型关系

由图3可看出，当碰撞重叠率为25%～50%时，儿童乘员的伤亡人数最多，比例达38.8%，其次为75%～100%的大重叠碰撞，儿童乘员的伤亡比例达28.4%；

由图4可看出，偏置碰撞情况下儿童乘员因交通事故复合伤死亡的事故数量较多，在75%～100%大重叠率碰撞时，儿童乘员因头部或胸部受到致命伤害的事故数量较多；

综上所述，大部分儿童乘员伤害事故重叠率分布在25%～50%以及75%～100%区间，在国际现行的正面碰撞试验方法中，100%刚性固定壁障碰撞试验可有效代替75%～100%重叠率的交通事故，40%偏置可变形壁障碰撞试验可有效代替25%～50%重叠率的交通事故。目前儿童约束系统的研究重点主要在全正面碰撞这一方面，故将对儿童安全座椅在偏置碰撞下的台车试验方法进行研究。

3 儿童安全座椅40%偏置碰撞实车试验

为获取儿童乘员在偏置碰撞下的运动特点及伤害特征，选取国内某一车型作为实车试验车辆，参考GB 27887-2011《机动车儿童乘员用约束系统》及参考文献[9]，配置儿童安全座椅与假人模型，据此在试验车辆上安装安全座椅与Q3儿童假人，如图5所示。参考C-NCAP偏置碰撞具体试验过程[10]，在64 km/h、40%偏置碰撞试验工况下进行试验，试验主要采集Q3儿童假人各部位具体伤害值以及假人的运动过程。

4 儿童安全座椅40%偏置碰撞台车试验

4.1 仿真模型建立及验证

对实车试验所用儿童安全座椅进行三维扫描，建立了儿童约束系统台车试验CAE模型，如图6所示。

图5 实车试验儿童安全座椅和假人安装位置

图6 儿童约束系统台车试验CAE模型

该模型主要包括标准座椅模型、儿童安全座椅有限元模型及5点式安全带模型，并采用MADYMO假人库中的Q3儿童假人进行仿真过程中损伤指标的测量。

运用该模型进行标准符合性测试仿真，并将儿童假人头部位移情况和关键部位动力学曲线与实车试验结果进行对标，仿真和试验的头部位移Dh变化对比如图7所示，头部3ms合成加速度ah、胸部3ms合成加速度ac曲线对比如图8所示。

图7 头部位移变化对比

图8 关键部位动力学响应曲线对比

由图7可看出，仿真过程中假人头部最大位移量与试验相比相对滞后，但总体变化趋势一致，故认为仿真过程中头部前向位移量与试验的一致性较高。

由图8可看出，仿真与试验的峰值及曲线走势较为一致，误差均在10%内，表明台车试验CAE模型可有效模拟台车试验。

4.2 仿真参数确定

以对标后的台车试验CAE模型为基础，将标准座椅正下方的中心点作为旋转中心，绕Z轴旋转γ（取值8°、10°、12°）角度，以驾驶员侧B柱与C柱之间门槛梁中心点处X方向的加速度波形为基础，取其绝对值，将缩放比例值记为β，按β取值（85%、80%、75%、70%）的不同进行缩放，具体仿真加速度波形如图9所示，共设计了12种仿真方案，具体仿真序列如表1所列。对试验用加速度波形幅值进行缩放，仿真初速度与台车试验初速度相同，均为64km/h。

图9 仿真加速度波形

表1 仿真方案

4.3 仿真结果

12种方案Q3假人关键部位仿真结果与实车试验结果如表2所示，包括儿童假人的头部3ms合成加速度ah、胸部3ms合成加速度ac、颈部弯矩My、头部伤害指标HIC （Head Injury Criterion）。由表2可知，方案5与实车试验假人伤害情况更接近，头部HIC相差0.3%，头部ah相差4.9%，胸部ac相差4.8%，颈部My相差7.2%，拟合度较高。

表2 实车试验及各方案仿真结果

儿童假人关键部位动力学响应曲线对比如图10所示，由图10可看出，仿真结果与实车试验结果吻合度较高，在峰值、走势、脉宽各方面都有较好的一致性，故将偏置碰撞台车试验条件定为：标准试验座椅旋转10°，加速度波形取假人侧B柱与C柱门槛梁X向加速度的80%。

4.4 台车试验结果

重新使用同款儿童安全座椅，按照台车试验边界条件进行台车试验，台车加速度波形及速度波形如图11所示。

图10 儿童假人关键部位动力学响应曲线对比

图11 台车加速度波形及速度波形

对实车试验及台车试验中假人关键部位的伤害值进行对比分析，如表3所示，台车试验结果与实车试验结果具有较好的一致性，Q3儿童假人关键部位伤害值相差不大，误差在11%以内。

表3 实车试验与台车试验结果对比

台车试验与实车试验中假人运动过程对比如图12所示，由图12可看出，台车试验中假人的运动过程与实车试验具有较高的一致性。

图12 台车试验与实车试验中假人运动过程对比

儿童假人关键部位动力学响应对比如图13所示，由图13可看出，台车试验结果与实车试验结果吻合度较高，在峰值、走势、脉宽各方面都有较好的一致性，故此台车试验方法可有效复现偏置碰撞实车试验。

图13 儿童假人关键部位动力学曲线对比

5 结束语

在偏置碰撞时，根据儿童安全座椅实车碰撞和仿真试验结果，探讨了其台车试验可行性，在选定的台车试验条件下，台车试验结果与实车试试验结果具有较好的一致性，Q3儿童假人关键部位伤害值相差不大，误差在10%以内。从台车试验与实车试验的结果对比来看，此台车试验方法可有效复现偏置碰撞实车试验。