不同类型约束系统对6岁儿童胸腹部损伤防护效果研究

李海岩，周兵兵，阮世捷，娄 磊，贺丽娟，崔世海

（1.天津科技大学 现代汽车安全技术国际联合研究中心，天津 300222；2.中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300）

如今，汽车走进了千千万万个家庭，儿童安全座椅的使用逐渐得到年轻父母的重视，人们对安全座椅的质量和保护效果也有了更高的需求。近年来，国内外学者对儿童安全座椅性能进行了广泛研究，清华大学[1]、湖南大学[2-3]和上海交通大学[4]利用碰撞软件对汽车正面碰撞和侧面碰撞中的儿童约束系统对儿童乘员保护效果进行了分析。儿童安全座椅的质量是通过测试滑车试验中儿童假人的相关参数来评价的。白中浩等[5]通过对台车试验进行设计，并分析Q6假人在碰撞过程中胸部的损伤情况，对儿童约束系统进行改进。欧美等发达国家对儿童安全座椅的研究较早，技术也较国内更成熟。EGGERS等[6]通过对Q6和Q10假人来评估车辆后排座椅中儿童乘员的安全性，得出Q6假人的胸部受安全带等几何参数影响较大，Q6假人更能真实地反映胸部的损伤机理。BEILLAS等[7]通过对Q6假人和有限元模型损伤的对比，可知上部偏转传感器可以更好地评估Q6假人的胸部损伤情况。

关于儿童胸部损伤的研究，OUYANG Jun等[8]通过对不同年龄组的儿童尸体胸部进行正面碰撞来研究儿童胸部的损伤。但由于尸体试验的有限性，研究者通过构建有限元模型来进行研究。所应用的儿童有限元模型中，一种是基于成人缩放得到的儿童有限元模型，如MIZUNO等[9]通过缩放成人有限元模型，并根据测量学和统计学构建了3岁儿童胸腹部有限元模型进行损伤研究。另一种是基于人体CT图像构建具有真实人体解剖学结构的胸腹部有限元模型，蒋彬辉等[10]构建了具有详细解剖学结构的10岁儿童胸部有限元模型，并对其进行静态加载试验分析其有效性；天津科技大学崔世海等[11]通过建立完整的3岁和6岁儿童有限元模型，并进行试验碰撞验证，为后续儿童安全座椅的研究奠定基础。

采用有限元模型进行仿真分析，一方面可以循环使用节省运算成本，另一方面还可以比假人输出更多的内部器官参数，对儿童安全座椅新产品的前期开发和产品后期的碰撞验证具有更大的指导作用，可以更细致地从人体各个器官的损伤情况来分析儿童安全座椅的性能，以及具体从哪一块来对产品进行改进。本研究应用6岁儿童乘员有限元模型进行正面碰撞仿真分析，通过对比3种常用儿童安全座椅对儿童胸腹部损伤防护的影响研究，进一步讨论不同的安全带材料对儿童胸腹部防护的效果，以期对儿童约束系统的研发及消费者选择产品起到参考作用。

1 有限元仿真模型

1.1 仿真模型介绍

本文采用前处理软件Hypermesh建立汽车座椅和儿童安全座椅有限元模型，并对儿童安全座椅模型建立车用三点式安全带，安全带材料为弹性各向同性材料，模型共计1231296个单元，其中壳单元32570个，实体单元1198726个，安全座椅靠背高为682 mm，坐垫长为393 mm，宽为425 mm，厚度为56 mm，其中安全座椅中靠垫为泡沫，靠垫高为470 mm，厚度为36 mm。

仿真所用儿童有限元模型是本中心采用6岁儿童志愿者进行CT扫描图像，并通过软件Mimics对CT图像进行处理，再进一步用逆向工程软件Geomagic生成光滑度较高的模型，最后用软件Hypermesh进行网格划分获取6岁儿童有限元模型。该模型所有单元均采用共节点进行连接，共计751510个节点和737729个单元，其中包含540508个体单元和197221个壳单元，该模型身高为113.5 cm，坐高为671 mm，体重为23.9 kg，胸宽为207.4 mm，胸厚为130.7 mm，胸围为573.8 mm，其中6岁儿童有限元模型胸腹部单元数目为236507个，胸腔厚度为172 mm，胸腔宽度为210 mm，模型具有较为完整的内脏器官、骨骼组织、肌肉组织、韧带、皮肤和脂肪等。

1.2 仿真试验设置

仿真选用如今市场上比较流行的儿童安全座椅及安装方式，即自带五点式安全带儿童安全座椅 （图1a），车用三点式安全带有靠背增高垫安全座椅（图1b）和车用三点式安全带无靠背增高垫安全座椅（图1c），在研究中分别被定义为仿真1、仿真2和仿真3，将不同安全带材料的自带五点式安全带织带儿童安全座椅定义为仿真4。仿真模型组成如图2a所示，包括汽车座椅、安全座椅、泡沫垫和安全带。仿真类型简介见表1。

图1 仿真模型

表1 仿真类型简介

依据欧洲ECE R129法规，该仿真设置为正面碰撞试验，仿真模型为6岁儿童有限元模型、4种儿童安全座椅和汽车座椅，仿真初速度为50 km/h，竖直方向加载9.8 m/s²的重力加速度，加速度曲线为某款车型台车试验碰撞（图2b）获取的后排座椅加速度曲线（图3）。将初速度和台车试验获取的加速度曲线施加到汽车座椅及儿童安全座椅上，加速度方向与实车碰撞速度方向相反，所有模型均加载竖直方向的重力加速度。

图2 仿真与台车试验装置

图3 台车输入的加速度曲线波形

4组仿真试验中汽车座椅定义为刚体，儿童安全座椅材料为一体式塑料，约束系统材料均是参考KAPOOR等[12-13]的试验所得，见表2。汽车座椅本身、汽车座椅与约束系统之间通过固连连接，儿童与安全座椅之间接触定义为面面接触，摩擦因数为0.3。仿真中所用人体有限元模型为卫志强等[14]建立的具有详细解剖学结构的6岁儿童有限元模型。

表2 安全座椅和安全带材料参数

2 仿真结果

2.1 仿真试验结果

在Pam-Crash软件中提取人体躯干角度值，如图4所示，图5和图6分别为胸腹部安全带侵入量，图7和图8分别为胸腹部粘性准则VC值，图9和图10分别为胸腹部各个器官的最大第一主应变值及云图，有限元模型伤害值见表3。

图4 六岁儿童有限元模型躯干角度曲线

图5 六岁儿童有限元模型胸部安全带侵入量

图6 六岁儿童有限元模型腹部压缩量曲线

图7 六岁儿童有限元模型胸部粘性准则VC值的时间历程曲线

图8 六岁儿童有限元模型腹部粘性准则VC值的时间历程曲线

图9 六岁儿童有限元模型胸部实体器官最大第一主应变值

图10 六岁儿童有限元模型腹部实体器官最大第一主应变值

表3 有限元模型伤害值

2.2 仿真试验结果分析

2.2.1 不同类型儿童安全座椅的结果分析

躯干角度的定义为臀部关节和肩部关节连线与垂直方向之间的夹角，用来表述人体的运动学特征。由躯干角度的定义可知躯干角度越大，身体下潜趋势越明显，损伤的风险越高。由图4可知，6岁儿童有限元模型的初始躯干角度为20.32°，仿真1中6岁儿童有限元模型最大躯干角度为21.51°，仿真2最大躯干角度为20.66°，所以仿真1躯干角度较大；从图4可以看出仿真1和2躯干角度变化趋势，可知仿真1下潜趋势较为明显。

胸部损伤指标有粘性准则VC值和简明损伤定级标准（Abbreviated Injury Scale，AIS），粘性准则VC值表示胸部变形量相对于时间的变化率，用于评价胸部软组织的损伤情况。

式中：D(t)为胸部压缩量时间函数，mm；b为胸部初始厚度，mm。

由表3可知，仿真1的胸部和腹部最大压缩量分别为18.5 mm和15.7 mm，而仿真2的胸部和腹部最大压缩量分别为22.5 mm和15.8 mm，仿真1的胸部和腹部最大压缩比为23%和18.66%，仿真2的胸部和腹部最大压缩率分别为28%和18.81%，由于仿真2胸部压缩量比仿真1大5%，所以仿真1对胸部保护更好。由图5胸部压缩量曲线可知，仿真1和仿真2出现3个波峰，此时会对胸部造成损伤，在66 ms时，胸部压缩量达到最大值，极易对儿童造成伤害。

AIS公式是VIANO等[15]获得的AIS与胸腹部压缩比的关系式。

式中：C为压缩准则，即胸部挤压指标，是指胸部压缩量与厚度的比值。

根据儿童与成人之间的身高比例进而缩放得到6岁儿童有限元模型AIS和胸腹部压缩量之间的公式为：

根据式（2）和式（3）可以计算得出6岁儿童有限元模型在仿真1和仿真2的胸部损伤AIS级别分别为0.44级和1.09级，腹部损伤AIS级别分别为0.72级和0.35级。根据式（3）得出的结果为仿真1的胸部损伤低于仿真2，腹部损伤仿真1高于仿真2，此结果与胸腹部压缩量结果一致。

根据VIANO等[15]得出的AIS，即当粘性准则VC值大于1 m/s时，人体发生AIS≥4的可能性为25%。由图7和图8可知，6岁儿童有限元模型仿真1和仿真2胸部最大VC值分别为0.12 m/s和0.16 m/s，6岁儿童有限元模型仿真1和仿真2腹部最大VC值分别为0.11 m/s和0.20 m/s。因此，可以得出6岁儿童有限元模型胸腹部发生轻度损伤或者不损伤的可能性较大，仿真1胸腹部VC值均小于仿真2。另一方面，由图7胸部VC图像可知，有3个明显的波峰和波谷，3个波峰时刻会对儿童造成不同程度的损伤，在时刻58 ms时对儿童伤害最大；由图8腹部VC图像可知，仿真2在120 ms时，腰带对儿童腹部损伤参数激增，这是由于腰带与腹部接触力过大，并且在碰撞过程中腹部挤压造成的。

由图9和图10可知，仿真1和仿真2中6岁儿童有限元模型胸腹部各个实体器官最大第一主应变值，仿真1和仿真2肺脏的最大第一主应变值分别为15%和16%，心脏最大第一主应变值分别为5%和10%。仿真1和仿真2肝脏的最大第一主应变值分别为17%和10%，肾脏的最大第一主应变值分别为24%和29%，脾脏的最大第一主应变值分别为19.0%和19.6%。仿真1相比于仿真2的胸腹部实体器官的损伤程度较小，仅有肝脏最大第一主应变值仿真2小于仿真1，从实体器官整体损伤程度可知，仿真1优于仿真2的试验结果。此外，由表4中胸腹部各个器官最大第一主应变云图可知具体的损伤部位，这可为后期对儿童座椅的改进提供具体参数参考。

表4 胸腹部实体器官第一主应变云图

由仿真试验结果可知，五点式儿童安全座椅对儿童胸部保护效果优于车用三点式安全带有靠背增高垫安全座椅。对于腹部损伤来说，由于五点式安全带在腹部相比于三点式安全带节点更多，应力集中导致五点式安全带对腹部损伤较大，需要改进儿童安全座椅安全带来提高对儿童腹部的保护，这样会进一步提高儿童安全座椅的保护性能。

2.2.2 增高垫安全座椅有无靠背结果分析

仿真2和仿真3是同类型的增高垫安全座椅。由图4可知，6岁儿童有限元模型的初始躯干角度为20.32°，仿真2中6岁儿童有限元模型最大躯干角度为20.66°，仿真3最大躯干角度为19.89°。两种儿童安全座椅下潜角度都没有超过预定值，由躯干角度的定义可知躯干角度越大，身体下潜趋势越明显，损伤的风险越高。仿真2比仿真3的最大躯干角度大，则仿真2的下潜角度较大，损伤程度较大，但从整体的变化趋势来看两种儿童安全座椅变化幅度不大。

由表3可知，仿真2的胸部和腹部最大压缩量分别为22.5 mm和15.8 mm，而仿真3的胸部和腹部最大压缩量分别为24.0 mm和10.0 mm；仿真2的胸部和腹部最大压缩比分别为28%和18.81%，仿真3的胸部和腹部最大压缩率分别为30%和13.43%。由从胸部安全带的侵入量和压缩比可知，仿真2儿童安全座椅对胸部的保护优于仿真3，但根据腹部压缩量可知，仿真3儿童安全座椅对腹部损伤较小。由图5胸部压缩量可知，仿真3和仿真2整体变化趋势一致，但仿真3胸部压缩量比仿真2大，所以仿真3对儿童胸部损伤较大。由图6腹部最大压缩量可知，仿真2容易对腹部造成伤害。

根据缩放公式计算可以得出6岁儿童有限元模型在仿真2和仿真3的胸部损伤AIS级别分别为1.09级和1.33级，腹部损伤AIS级别分别为0.35级和0.11级，由表3可知胸腹部AIS为轻度损伤，此结果与胸腹部压缩量结果一致。

由图7和图8可知，仿真2和仿真3胸部最大VC值分别为0.16 m/s和0.18 m/s，腹部最大VC值分别为0.20 m/s和0.16 m/s，可见6岁儿童有限元模型胸腹部发生轻度损伤或者不损伤的可能性较大。由胸部最大VC值可知，仿真3对胸部损伤较大，由腹部VC值可知，仿真2对腹部损伤比仿真3大，此结果与胸腹部压缩量结果一致。

由图9和图10可知，仿真2和仿真3的肺脏最大第一主应变值分别为16%和21%，心脏最大第一主应变值分别为10%和12%。仿真2和仿真3的肝脏最大第一主应变值分别为10%和37%，肾脏最大第一主应变值分别为29%和31%，脾脏最大第一主应变值分别为19.6%和50%。从胸腹部实体器官应变云图（表4）的损伤程度可知，仿真2中有靠背增高垫座椅对胸部的保护更好。可根据表4中的最大第一主应变云图损伤位置对儿童提供一定的保护措施。

根据胸腹部压缩量，胸腹部粘性准则VC值，以及胸腹部实体器官最大第一主应变值可知，车用三点式安全带有靠背增高垫安全座椅相比于车用三点式安全带无靠背增高垫安全座椅在胸腹部保护方面更有优势，所以对于消费者而言在选择时建议尽量选择带有靠背的增高垫座椅。

2.2.3 不同安全带材料结果分析

由表3中仿真4与仿真1的数据结果分析可知，仿真4中安全带织带对儿童胸腹部除肺部以外的其他实体器官保护较好。由两种安全带材料参数对比可知，安全带织带弹性模量较小，对儿童胸腹部器官损伤影响较为明显。通过分析不同安全带材料对儿童胸腹部的损伤数据结果可知，安全带织带对胸腹内部器官保护较好，儿童安全座椅设计者可以选择不同的安全带材料。

3 结论

通过对自带五点式安全带儿童安全座椅，车用三点式安全带有靠背增高垫安全座椅，车用三点式安全带无靠背增高垫安全座椅，以及不同的安全带材料的自带五点式安全带织带儿童安全座椅进行仿真试验，根据儿童胸腹部损伤评价指标对比可以得出以下结论：

（1）根据自带五点式和车用三点式有靠背儿童安全座椅对6岁儿童胸腹部各项损伤指标可知，自带五点式安全带儿童安全座椅对儿童胸腹部保护较好，再由胸腹部内部器官应变值和应变云图可知，自带五点式安全带儿童座椅对儿童胸腹部损伤最小。

（2）由两种增高垫座椅对6岁儿童的损伤情况可知，车用三点式有靠背增高垫座椅相对于无靠背更有利于减少儿童的损伤。

（3）由胸腹内部器官最大第一主应变值和云图可知，对于不同安全带材料的儿童安全座椅，自带五点式安全带织带儿童安全座椅对儿童胸腹内部器官损伤较小。在儿童胸部保护方面，自带五点式安全带儿童安全座椅对儿童胸部保护更好，车用三点式无靠背增高垫安全座椅对儿童胸部的保护最差，容易在交通事故中对儿童胸部造成伤害。

（4）在实际生活中，消费者在给孩子选择安全座椅时，建议选用自带五点式安全带儿童安全座椅和自带五点式安全带织带儿童安全座椅，这两种儿童安全座椅都可以有效减少6岁儿童胸腹部的损伤。