正面碰撞中汽车儿童约束系统模型的建立及改进

时间：2024-06-19

李睿，李志刚，李文杰，周子超，张金换，邵特立

（1.北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京 100044；2.北京科技大学机械工程学院，北京 100083；3.清华大学汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084；4.交控科技股份有限公司，北京 100070）

近年来，随着汽车保有量的增加，交通事故已成为造成儿童死亡的主要原因之一［1］。统计结果表明，我国每年死于交通事故的14 岁以下儿童超过1.85 万人，分别是美国和欧洲的2.6 倍和2.5 倍。造成死亡量如此巨大差异的一个主要原因是儿童安全座椅的使用率不高。研究表明，2008年美国儿童安全座椅的使用率约已达到90%［2］，而截至2015 年，我国儿童座椅的使用率仍低于20%［3］。儿童座椅作为降低交通事故中儿童损伤的有效措施［4］，相对于成人安全带，正确使用下的儿童死亡率可减少28%［5］。目前，世界上多个国家已出台安全座椅相关标准来规范儿童座椅的生产、测试和使用，如美国的FMVSS 213、欧盟的ECE R44/R129、我国的GB 27887—2011 等。此外，德国、英国、瑞典、日本等国家均已立法强制使用儿童座椅［6］。

随着上述标准的颁布实施以及商用仿真软件的发展，仿真分析与试验相结合的方法逐渐被应用到儿童座椅的设计研发、安全性评估及改进优化方面。目前，国内外已经进行了一些相关的研究。PARK 等［7］和罗萌等［8］分别使用有限元及多刚体-有限元相结合的模拟方法代替部分台车试验的思路，缩短了研发周期。EMAN 等［9-10］建立了四点式儿童约束系统模型，分析了约束织带材料及约束系统安装方式对儿童防护性能的影响。高伟等［11］和王枫红等［12］均建立了儿童座椅正面碰撞模型，前者分析了汽车座椅部件设计及参数对儿童防护性能的影响，后者则重点关注儿童座椅参数的影响。KAPOORT 等［13］建立儿童安全座椅台车模型，探究了在正碰和侧碰工况下，安全座椅误用对儿童损伤的影响。臧孟炎等［14］基于建立的儿童座椅台车有限元模型，说明了儿童座椅侧面碰撞法规制定的重要性。彭炫权等［15］、李海风等［16］、胡佳等［17］分别建立了不同形式的儿童座椅有限元模型，评估了约束系统对儿童的防护效果，在此基础上，胡佳还分析了上拉带限力对儿童防护效果的影响。曹立波等［18］对未满足ECE R44 要求的某儿童座椅结构进行了改进，并基于所建立的有限元-多刚体耦合仿真模型，评估了结构改进后对儿童的防护效果。王龙臻［19］、杨欣等［20］、白中浩等［21］使用不同的优化方法，对儿童座椅相关参数进行优化，提高了儿童座椅的防护效果。

目前，国内外对儿童座椅的相关研究主要关注如何进一步降低儿童假人的损伤风险，通过座椅参数优化、座椅关键部位材质改进和座椅结构改进等方式进行，但大多数改进方式对原有座椅的改动较大，忽略了因改进而引起的儿童座椅成本增加的问题。曹立波等［18］虽然考虑了成本最小化原则，但其针对的是未满足ECE R44 要求的座椅进行改进，而未满足标准要求的儿童座椅也是目前大多数研究人员进行座椅结构改进的主要对象。此外，现行标准对碰撞过程中座椅本身的变形量并没有较细致的规定，对于座椅变形较大等问题并未直接考察。因此，目前很少有在成本最小化原则的基础上，对已满足相关标准要求但其某部位结构设计不合理的儿童座椅进行改进，以解决如座椅变形较大易于失效等问题，从而进一步提高儿童座椅防护效果的研究。本文针对碰撞中某典型儿童座椅椅背变形过大的问题，结合儿童座椅仿真以及台车试验，提出了兼顾安全性和成本最小化原则的结构改进方案，并对改进方案进行了不同工况下的安全性仿真评估。

1 儿童座椅约束系统模型的建立

使用多体动力学软件MADYMO 7.5，采用树状结构建立了儿童约束系统模型，模型主要由儿童座椅、儿童假人、儿童和成人安全带、台车座椅等组成。

儿童座椅为某款典型儿童座椅，其中，座椅头靠为可拆卸组件，通过中间螺栓与座椅主体结构相连接。首先采用逆向CAD 法得到其几何形状，之后在Hypermesh 14.0 中使用四边形和三角形网格对其进行网格划分，并将单元、节点信息导入MADYMO 中完成座椅模型的建立，所建立的儿童座椅模型如图1 所示。儿童座椅的主体承载结构为塑料骨架，其应力-应变曲线通过静态拉伸试验得到，如图2所示。

图1 儿童座椅模型

图2 儿童座椅材料应力-应变曲线

模型中的假人使用MADYMO 假人数据库中的TNO P3 多刚体假人，同时调整假人的坐姿以保证在无初始穿透的前提下，使假人的背部、髋关节、腿部等贴合儿童座椅的表面。

儿童安全带是P3 假人与儿童座椅之间约束的关键部件，依据实际座椅，采用五点式布置方式，由五点式安全带和带扣组成。由于带扣在碰撞中几乎不产生变形，所以采用多刚体模型建立。安全带由肩带、腰带和胯带组成，建模时采用多刚体和有限元相结合的方式，分别是接触假人的有限元安全带和不接触假人模型且与儿童座椅相连接的多刚体安全带，如图3a所示。实际测量得到安全带的宽度为38 mm，厚度为1.4 mm。安全带建立后，使用模型预运算的方法对有限元安全带进行拟合定位，所建立的儿童安全带约束方式如图3b 所示。儿童安全带的力学属性（刚度曲线）通过拉伸试验确定，其加载和卸载的刚度曲线如图4 所示。根据安全带的宽度和厚度参数可进一步将试验所得力-延伸率曲线转化为应力-延伸率（应变）曲线，作为模型中安全带有限元部分的材料输入。

图3 儿童安全带模型及约束方式

图4 儿童安全带力-延伸率曲线

在建立包含P3 假人的儿童座椅模型后，还需对其与台车座椅模型进行约束。台车座椅模型根据GB 27887—2011［22］标准建立，其几何尺寸及材料属性均符合规定。儿童座椅模型与台车座椅模型的约束通过成人安全带实现，由于假人与成人安全带无接触，所以所建立的成人安全带为多刚体安全带，其力学属性由拉伸试验确定，如图5 所示。成人安全带与台车座椅的连接点同样根据标准建立，与儿童座椅的连接点根据儿童座椅上实际的连接位置建立，如图6a所示。此外，模型中还需定义五点式带扣与假人胸部腹部、假人与儿童安全带、假人与儿童座椅、儿童座椅与台车座椅之间的接触。其中，本模型中并未对刚度远小于儿童座椅主体承载结构的座椅表面织物部分进行建模，其影响主要通过假人与座椅间的摩擦因数来体现，因此，对通过拉力计牵拉放置于座椅上的儿童假人进行了相应的摩擦因数测量试验，经计算得到假人与座椅间的摩擦因数约为0.4。最终建立的儿童约束系统模型如图6c所示。

图5 成人安全带力-延伸率曲线

图6 儿童约束系统模型

2 儿童约束系统模型的验证

2.1 台车试验

为验证儿童座椅模型的有效性，依据GB 27887—2011 进行了儿童座椅台车碰撞试验，如图7 所示。试验假人选用法规中规定的TNO P3 假人。试验前，将台车座椅固定在台车上，使用成人安全带将儿童座椅固定在台车座椅上，使用儿童安全带将儿童试验假人与儿童座椅进行约束，并调整假人姿态。试验时，台车以50 km/h 的初速度与缓冲器（波形发生器）发生正面碰撞，得到台车碰撞时的减速度曲线如图8 所示，减速度曲线基本处于GB 27887—2011 所规定的区间内。整个碰撞过程中使用高速摄像机记录假人及约束系统的运动姿态。假人损伤方面，根据GB 27887—2011，采用了3 个损伤参数，分别为假人胸部合成加速度、头部水平方向（x方向）和垂向（z方向）的位移，相应损伤参数的限值见表1。其中，假人胸部合成加速度超过539 m/s2的持续时间不超过3 ms，假人头部不应超过图9所示的DA和BA平面。

表1 采用的儿童乘员损伤参数及限值［22］

图7 台车试验

图8 台车碰撞减速度曲线

图9 假人头部移动限值［22］

2.2 仿真与试验结果对比

2.2.1 假人运动轨迹及姿态对比

依据台车试验中假人的摆放姿态，按照台车试验工况，使用MADYMO 软件对图6 所示的儿童约束系统模型进行仿真计算。整个碰撞过程在9.8 m/s2的重力加速度下进行。仿真得出的50、80、110、130 ms时刻儿童约束系统模型结果与同工况台车试验的假人运动响应对比，如图10 所示，可以看出仿真中假人头部、胸部、四肢和躯干在不同时刻的响应姿势与试验中的物理假人基本一致。碰撞初始，假人与儿童座椅相对于台车座椅向前做平移运动。当成人安全带拉紧后，由于惯性的作用，假人腰部向前弯曲，上半身呈前俯姿态。此后，儿童座椅和假人分别在成人安全带和儿童安全带肩带的约束下，开始呈现反向运动，儿童座椅变形也逐渐恢复。

图10 仿真与试验假人运动姿态对比

2.2.2 儿童假人损伤指标曲线对比

正面碰撞工况下P3 假人胸部合成加速度及头部水平、垂直方向位移的仿真与试验曲线对比，如图11 所示，可以看出，对于胸部合成加速度，其仿真曲线与试验曲线变化趋势、脉宽基本一致，在约20 ms 时刻，仿真和试验曲线均表现为加速度增加则速率增大，加速度峰值均出现于60～100 ms时刻内，在100 ms后，加速度呈现快速减小趋势。此外，仿真和试验所得到的胸部合成加速度峰值也较接近。对于头部x方向位移，仿真曲线和试验曲线的变化趋势和脉宽吻合性较好，头部x方向位移均呈现先增大后减小的趋势，在约90 ms 时刻，仿真和试验曲线均出现峰值，仿真所得曲线峰值时刻较试验曲线略有滞后。曲线峰值方面，仿真和试验曲线的峰值一致性较好，偏差约为1.6%。对于头部z方向位移，仿真与试验曲线的整体走势基本一致，均呈现先增加后减小的趋势，从60 ms 时刻起，仿真和试验曲线均表现出头部z方向位移迅速增加，在约100 ms 时刻达到峰值，但仿真曲线峰值偏大，与试验曲线峰值的偏差约为3.9%。这主要是由于仿真用P3 多刚体假人与试验用P3 物理假人的响应可能存在一定误差，且多刚体假人由椭球体组成，与安全带贴合的胸部、髋关节等表面与物理假人表面存在一定差异，可能会导致碰撞过程中安全带的滑动以及约束力作用位置的差异。整体来看，胸部合成加速度、头部x方向和z方向位移的仿真曲线与试验曲线一致性较好。

图11 仿真和试验工况下假人损伤指标曲线对比

综合假人运动响应对比和损伤指标曲线对比结果，可以看出儿童约束系统模型的仿真结果较真实地反映了实车碰撞过程，说明建立的模型可靠性和预测精度较高，可用于后续儿童座椅的改进研究。

3 儿童座椅安全性设计改进及对比分析

3.1 儿童座椅设计改进方案

由图11 可知，正面碰撞工况下，假人胸部合成加速度峰值小于490 m/s2，即不存在假人胸部合成加速度超过539 m/s2的时间超过3 ms 的情况。此外，对于本座椅系统，碰撞初始时刻，相对于图9中所示Cr 点位置，儿童头部质心位于其x方向的-50 mm，z方向的505 mm处。结合图11中仿真所得头部x方向和z方向位移峰值可知，以Cr为坐标原点，儿童头部质心在x方向的位移区间为［-50.0，358.7］mm，在z方向的位移区间为［266.8，505.0］mm，即头部x方向位移峰值小于标准规定的550 mm，头部z方向位移峰值也小于标准规定的800 mm，满足儿童头部在DA 和BA 平面内运动的要求。假人胸部和头部的损伤指标值均在GB 27887—2011 规定的限值内，表明该款儿童座椅满足标准要求。然而，从仿真碰撞过程可以观察到（图12），当前结构的儿童座椅在碰撞过程中安全带上着力点附近的椅背顶部扭曲变形非常严重，碰撞中容易发生失效和破坏，这与GB 27887—2011 规定的试验后座椅不能有失效或者损坏的情况相悖。而且，在儿童座椅的实际使用过程中，一旦遭受更为严重的碰撞工况，座椅椅背的过大变形可能会引发椅背的彻底断裂，进而导致儿童脱离儿童座椅的约束，造成儿童头颈部的严重损伤。分析原因，主要是由于在儿童座椅设计追求轻量化的同时，对儿童座椅刚度的设计不合理，减小了座椅刚度导致的。

图12 原始儿童座椅椅背变形

儿童座椅的改进难度和成本是儿童座椅结构设计改进时需重点关注的指标。因此，为了在遵循成本最小化原则的同时有效改善儿童座椅椅背顶部的变形程度，提升儿童座椅的安全性和对儿童的保护效果，即尽可能少改动同时提高座椅的安全性，在原座椅上提出了以下改进方案：首先在椅背变形最为严重的上顶部后侧加装与椅背相同材料的加强板，提高椅背的弯曲刚度。由于加装加强板后会增大儿童座椅质量，为了维持儿童安全座椅的质量基本不变，根据受力严重程度优化座椅不同位置的刚度，在变形很小的椅背与椅盆的连接位置将原有的3 道凹槽贯通以减轻质量。改进前后的儿童座椅对比如图13所示（已隐藏头靠组件）。

图13 改进前后儿童座椅对比

本文所使用的加强板为矩形壳体，采用与座椅椅身相同的塑料通过吹塑加工成形，成形后壳体壁厚为2.5 mm。加强板两端与座椅椅背间采用螺栓连接，以保证碰撞过程中与椅背的连接刚度。仿真建模时，使用SPOTWELD.NODE_NODE 的建模方式来近似模拟螺栓连接，且碰撞过程中，加强板两端无脱落现象出现。

3.2 座椅改进方案安全性评估

为评估改进方案对儿童座椅椅背变形的改善效果以及对儿童损伤指标的影响，建立了改进后的儿童座椅仿真模型，首先在保证加载条件不变的情况下，与原有座椅进行仿真对比分析。图14a 对比展示了改进前后儿童座椅在椅背变形最为严重时刻的椅背变形程度，为展示清晰，已隐藏头靠组件等结构。可以看出，加强板的加装有效抑制了椅背形变，增加了结构刚度，椅背变形程度明显减小，尤其是椅背顶部，保证了碰撞过程中座椅结构的完整性。

图14 不同碰撞工况下改进前后椅背最大变形程度对比（已隐藏头靠组件）

除了满足GB 27887—2011 的碰撞工况之外，汽车实际碰撞事故发生时，碰撞工况比标准规定工况更严重（即碰撞加速度大于试验加速度）的情况时有发生，为进一步评估在更严重碰撞工况下改进方案的改善效果，将图8 中试验所得的加速度曲线放大为原始曲线的1.3 倍，对改进前后的模型进行仿真分析，得到的椅背变形程度对比如图14b 所示，可以看出，更严重碰撞工况下，改进方案得到的椅背顶部变形量的抑制效果也较显著，改善效果较好。

在假人损伤指标方面，图15 对比了台车试验加速度和1.3 倍加速度工况下座椅改进前后假人胸部3 ms 加速度、头部x方向和z方向的位移。由图可知，对于胸部3 ms加速度，在台车试验加速度工况下，改进后较改进前有一定程度的降低，在1.3倍台车试验加速度工况下，改进后与改进前基本一致。对于头部x方向位移，改进后较改进前的位移值在两种工况下均所有降低。对于头部z方向位移，改进后的座椅会使该指标略有增加，但相对于Cr点，改进前后儿童头部质心在z方向的位移值均远小于法规要求的800 mm。整体来看，在不同碰撞工况下，相对于原始座椅，改进后的座椅均不会明显增加儿童乘员各损伤指标的数值。

图15 座椅结构改进前后的假人损伤指标对比

综上所述，本文所提出的座椅改进方案在保证座椅质量近似的前提下，显著增加了座椅刚度，减小了椅背形变量，确保了碰撞中座椅结构不发生失效，不仅不会影响座椅对假人损伤的原有防护效果，部分损伤指标值还会有所降低，达到了改进的目的。