基于LS-DYNA的Q3儿童保护开发的研究

廖贤明 ，李君杰，侯延军，贾丽刚，黎谦

1.上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州 545007；2.中汽研(天津)汽车工程研究院有限公司，天津 300300

0 引言

现阶段我国汽车总量占据全球的3%，但是交通事故死亡率却占据全球的16%，平均死亡率也是很多发达国家的十几倍。更重要的是，在这些交通事故死亡率中，儿童因为交通事故导致死亡的数量也是全球最高的。根据调查的资料显示，我国每年超过1.85万的儿童死于道路交通事故。其死亡率是欧洲的2.5倍，是美国的2.6倍[1]。因此针对儿童乘员的保护是摆在各大主机厂面前的一项重要任务[2]。在2021版的新车评价规程(C-NCAP)中增加对第二排儿童假人损伤的评价[3]，降低儿童假人损伤成为整车碰撞安全开发中的重要部分。在交通事故中，成人安全带可能会勒住儿童的颈部，且极易压伤儿童的腰部，更严重的话会引起肋骨的断裂、胸部压伤及扭断脖子的风险[4-5]，因此成人约束系统并不适用于儿童的保护。对于儿童乘员来说，如何使儿童座椅等约束系统充分发挥其应尽的保护效果，是值得探讨的。

本文依据2021版C-NCAP对Q3儿童的保护要求，研究了各因素对儿童假人损伤的影响：如儿童座椅固定方式、脉冲波形、后排座椅结构强度、五点式安全带限力性能等，研究的结论可以对车型儿童保护开发提供理论参考。

1 Q3儿童评价规则

根据 2021版C-NCAP试验程序[3]，在正面100%重叠刚性壁障碰撞试验(FRB)中，在第二排座椅一侧座位上放置一个儿童约束系统和一个Q3儿童假人，用以测量儿童受损伤情况。

Q3儿童试验位置如图1所示。

图1 Q3儿童试验位置

Q3儿童最高得分为4分，评价部位为假人头部、颈部、胸部，分值占FRB工况总得分的20%，占比较高，儿童假人动态性能响应情况直接影响FRB工况总体得分。Q3儿童假人评价方案见表1。

表1 Q3儿童假人评价方案

2 Q3儿童损伤影响因素分析

2.1 儿童约束系统型号

碰撞试验中，儿童约束系统的选取按以下优先级进行确定：

(1)符合法规要求的内置式儿童约束系统；

(2)企业推荐的符合要求的儿童约束系统型号；

(3)企业从C-NCAP规定的清单中选用，碰撞试验用Q3儿童约束系统产品清单见表2；

(4)试验室从C-NCAP规定的清单中选用。

由表2可知，选用的儿童约束系统与整车连接形式有3种：安全带通用类、ISOFIX通用类、ISOFIX半通用类。儿童约束系统不同的安装形式，对儿童假人的保护效果也会有所差异[6～8]。

表2 碰撞试验用Q3儿童约束系统产品清单

基于LS-DYNA有限元分析软件，建立了Q3约束系统研究模型，对儿童座椅的不同安装方式进行了对比分析，以研究其对Q3儿童的保护效果。Q3儿童约束系统模型如图2所示。

图2 Q3儿童约束系统模型

儿童座椅不同安装形式表现效果见表3，其中基础表示 ISOFIX通用类；方案1和方案2表示ISOFIX半通用类；方案3表示安全带通用类。由表可以看出，不同固定方式的儿童座椅对儿童假人的综合保护效果是大不同的，其中后向座椅的方案对儿童的保护效果相对较好。

表3 儿童座椅不同安装形式表现效果

2.2 加载脉冲影响

在碰撞过程中，车身承受的载荷是直接作用到儿童约束系统上的，因此车身载荷是导致车内乘员损伤的一个重要因素[9-10]。一般的，可以采用OLC来评价车身载荷的强弱。本节将研究不同OLC的脉冲对儿童损伤带来的影响。选取3种典型脉冲进行加载，其波形及OLC对比分析结果如图3所示。

图3 波形及OLC对比分析结果

各脉冲加载下，不同波形Q3儿童损伤表现效果见表4。根据结果可以判断，OLC越小越有利于降低儿童乘员损伤风险。

表4 不同波形Q3儿童损伤表现效果

在正面碰撞中，车身载荷脉冲主要是受吸能盒及防撞梁变形的影响，其载荷状态也可以分为两个阶段。基于此理论，为简化研究模型，将不同的加载脉冲等效处理成为二阶方波，以便进一步研究不同OLC对儿童乘员损伤产生影响。二阶方波处理方案如图4所示。

图4 二阶方波处理方案

第二阶波的优化模型如图5所示，第一阶波的优化模型如图6所示。经过计算分析，第二阶波和第一阶波对儿童损伤的影响分析结果分别如图7和图8所示。

图5 第二阶波的优化模型

图6 第一阶波的优化模型

图7 第二阶波对儿童损伤的影响分析结果

图8 第一阶波对儿童损伤的影响分析结果

通过结果对比可以看出，随着第二阶波的加载降低，儿童头部及颈部的损伤呈下降趋势；而第一阶波加载的调整对儿童头部及颈部损伤无明显影响规律。

综上分析可知，若降低儿童头部及颈部的损伤，需要尽量降低整车加载OLC指标，而OLC指标的降低，应优化降低第二阶波的加载平台值。

通过对多案例的研究发现，在某特定碰撞时间段的整车加载波形会对Q3儿童损伤非常敏感，因此进一步对此现象进行了研究。研究对象是基于方案9的案例开展，对方案9的第二阶段波形时间点进行调整，如图9所示。

图9 脉冲时刻的调整方案

Q3儿童各部位损伤结果及得分情况见表5。

表5 Q3儿童各部位损伤结果及得分情况

由表5可以看出，随着第二阶波开始时刻的推移，假人损伤得到明显改善，波形敏感时刻为35～70 ms，因此，为了降低OLC以得到较好的儿童保护效果，应尽量降低35～70 ms时刻的整车加载。

2.3 后排座椅结构影响

对儿童座椅起支撑作用的后排座椅而言，其性能的高低直接关系到儿童约束系统能否有效发挥作用。对后排坐垫的防下潜横梁结构开展研究，具体实施方案如下：

(1)方案20：依据方案17，无防下潜横梁；

(2)方案21：车身固定加强；

(3)方案22：依据方案21，防下潜支架增高；

(4)方案23：无支撑腿的坐垫结构；

(5)方案24：依据方案23，无防下潜横梁。

座椅方案实施对比如图10所示。

图10 座椅方案实施对比

各方案的儿童损伤情况见表6。由表可以看出，在后排座椅无支撑横梁(方案20、方案22、方案24)的情况下，假人损伤情况会趋于恶劣；而且，防下潜支架不是越高越好，支架过高，不利于儿童乘员的保护，需要给儿童座椅预留一定的缓冲空间。

表6 各方案的儿童损伤情况

2.4 五点式安全带肩带限力因素

对于同一款儿童座椅，五点式安全带直接作用于儿童假人，肩带性能关系到儿童假人的损伤情况。鉴于此，对五点式安全带两条肩带的上固定点进行限力控制，进而在一定程度上减弱儿童假人肩部的作用刚度[11]。本文建立了两种肩带限力的模型来研究其对儿童损伤的影响，具体表现效果见表7。

表7 不同肩部约束条件下Q3儿童损伤表现效果

由表7可知，儿童肩部安全带的限力大小对儿童的损伤影响很大，肩带受力越低，儿童各部位损伤越低，得分越好。

3 结论

本文完成了对Q3儿童损伤各影响因素的研究。以Q3儿童头、颈部、胸部的损伤为依据，对各个影响因素的情况进行了梳理，获得以下结论：

(1)不同安装形式的儿童座椅对儿童假人保护效果不同，后向安装的儿童座椅对儿童的保护效果较好。

(2)儿童损伤和整车加载OLC指标成正比，OLC越小，儿童损伤越低；儿童损伤对35～70 ms的加载情况较为敏感。

(3)后排座椅应该有足够的有效支撑，但支撑部件位置不宜过高，需要给儿童座椅预留一定的缓冲空间。

(4)为缓解儿童头、颈部损伤，可以考虑采用有限力机构的肩带约束或者适当释放肩带对儿童的束缚作用。