儿童增高座椅安全带约束路径研究

张学荣，王海涛，何 娟

（江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏，镇江 212013）

ECE R129 法规第二阶段关于非整体式儿童座椅的相关使用规定，相对于R44 法规，在儿童约束系统质量组的划分，以及正面、后面碰撞假人损伤指标等方面做出了更加细致的要求[1]。其中，采用儿童身高结合允许使用的最大质量来取代R44 法规中采用单一的质量来定义儿童约束系统质量组的划分，同时添加儿童乘员的上颈部拉力、上颈部弯矩和腹部压力为儿童乘员的损伤评价指标，其中上颈部拉力和弯矩仅作观察用，1.5 岁以上儿童腹部压力限值为120 kPa[2-3]。

根据ECE 法规的规定，通常4 岁以上儿童，在身高达到110 cm，体重达到15 kg 时，采用五点式安全带约束的前向整体式儿童增高座椅已经不能很好地适应此阶段的儿童身材，此时更适合使用增高座椅配合车用安全带的方式来约束儿童乘员[4]。车用安全带约束路径根据成人身材设计，并不适用于儿童身材，因此，实际使用过程中会出现肩带过于靠近儿童颈部和腰带从盆骨位置滑移的现象，从而在发生碰撞时造成儿童受到持续的颈部和腹部伤害[5]。现阶段关于低龄儿童使用五点式安全座椅的研究较多，但是对于使用车用安全带约束4 岁以上儿童的增高座椅的研究较少。

针对以上问题，研究腰带导向件和肩带导向件的不同高度组合下不同的安全带约束路径对儿童乘员颈部和腹部伤害的影响。采用DOE 试验设计方法建立9 组约束方案[6]，分别从安全带约束位置静态评价和动态分析两方面进行研究，寻找对儿童颈部和腹部伤害最小的肩带、腰带导向位置组合，并对最终的优化方案进行全损伤指标的仿真计算，研究安全带约束路径优化对儿童乘员乘坐安全性的实际影响。

1 模型建立及试验验证

1.1 R129 正面碰撞仿真模型建立

本文在Hypermesh 中建立的增高座椅有限元网格模型共有单元数量13.5 万个，其中体单元数量3.9万个，壳单元数量9.6 万个，如图1 所示。

图1 增高座椅有限元模型

图2 正面碰撞仿真模型

表1 安全带固定点位置坐标 单位：mm

在Madymo 软件中搭建正面碰撞仿真模型，输入台车加速度波形，如图3 所示，该波形包括R129法规规定的加速度上限和下限。

图3 台车加速度输入波形

1.2 模型有效性验证

通过台车试验来验证模型的有效性，从假人运动姿态对比以及动力学响应对比两方面进行。其中，假人姿态如图4 所示，取3 个时刻分别为30 ms、60 ms 和90 ms，可以看出同时刻下假人的运动姿态保持一致；整个过程中的动力学响应主要是胸部合成加速度的时间历程对比，如图5 所示，试验和仿真的两条曲线在峰值、脉宽和形状方面吻合度很好，表明本研究所搭建的正面碰撞仿真模型是真实有效的。

图4 仿真与试验过程中的运动姿态对比

图5 仿真与试验中胸部合成加速度时间历程曲线

2 安全带约束位置静态评价

2.1 静态评价等级建立

采用一种静态测量方法建立安全带约束评分机制。通过对不同安全带约束路径下，肩带和腰带在假人身上的位置来量化安全带的约束效果。其中，肩带约束评价如图6 所示，要求能通过肩膀中间部位以约束上肢，并避免靠近颈部；腰带约束评价如图7 所示，要求腰部安全带能有效地约束在盆骨位置处，并避免产生滑移现象，使安全带约束在腹部或腿部。其中，绿色区域内表示评分等级为优，黄色区域内表示评分等级为良好，红色区域内表示评分等级为差。

图6 肩带分数等级区

图7 腰带分数等级区

对原始模型的安全带约束位置进行静态等级评价，如图8 所示，其中肩带位置为30 mm，腰带位置为14 mm。此时，肩部安全带约束位置靠向肩部外侧，腰部安全带约束位置略高于盆骨位置，结合静态评价标准，原始模型安全带约束位置评价等级为良好。

图8 原始模型安全带约束位置

2.2 优化模型建立

通过上述静态评价等级的建立，为使安全带佩戴位置达到最优值，考虑通过改变肩带和腰部安全带导向件的位置来改变肩带和腰带的约束路径。采用DOE 全因子试验设计方法，肩带导向为因素A，3个水平分别为肩带导向的高度位置偏移-20 mm、0 mm 和20 mm，如图9 中黄色部件所示；腰带导向为因素B，3 个水平分别为腰带导向沿其法向方向高度位置偏移-20 mm、0 mm 和20 mm，如图10 所示。DOE 全因子试验共产生9 组方案，其中A1B1 表示原始模型，见表2。

图9 肩带导向的3 个水平

图10 腰带导向的3 个水平

表2 静态评价方案

2.3 静态评价结果分析

分别对9 组方案进行安全带约束位置静态等级评价，结果见表3。静态评价的结果显示A1B0 和A2B0 均取得了最优的安全带评分等级，评价最差的为A0B2。静态评价的结果反映当肩部安全带导向件在较高位置时，可更好地使肩带约束在肩部中间位置，而腰部安全带导向件在较低位置时则可以更好地使腰带约束在盆骨上。

综合分析认为肩带导向位置和腰带导向位置的最优组合为A2B0，即肩带导向最高位置和腰带导向最低位置。选取A2B0 的安全带静态约束路径如图11 所示，此时肩带位置为20 mm，腰带位置为22 mm，与原始模型对比，此方案肩部安全带约束位置更加靠近肩部中间位置，同时腰部安全带更加贴合盆骨位置。

表3 九组方案的静态评价等级

图11 A2B0 方案的安全带约束位置

3 安全带约束路径动态分析

3.1 优化方案动态分析

在得到最优的安全带约束位置静态等级评价后，为了判断安全带约束路径优化是否能在碰撞过程中真实地避免肩部安全带靠近儿童颈部，以及腰部安全带从盆骨位置处滑移的现象，对原始模型和优化模型进行仿真计算。整个仿真分析时长为150 ms，在90 ms 时假人前向位移达到最大值，研究此时假人的安全带约束情况，如图12 和图13 所示。

图12 肩部安全带约束情况

图13 腰部安全带约束情况

从图12 和图13 的安全带约束路径动态分析图中，不能明显地看出安全带约束路径的差异性。为了进一步研究优化模型是否减少儿童乘员所受的颈部和腹部伤害，将相关仿真计算结果进行对比。

从表2可知:1阶横向和纵向、2阶横向和纵向、3阶横向和纵向的频率相差分别为1.47%,4.27%,3.92%,纵向频率大于横向频率.本文建立的高压耐张塔在横向和纵向的刚度非常相近,但纵向刚度略高于横向刚度.

根据R129 法规中对损伤标准的规定，以儿童乘员的上颈部拉力和上颈部弯矩来反映颈部伤害，以腹部压力来反映腹部伤害。其中，腹部压力通过腹部压力双传感器（Abdominal Pressure Twin Sensors，APTS）测得。本研究使用的Q6 假人为旧版系列，未安装腹压传感器，因此，仅对上颈部拉力与弯矩进行量化分析。优化模型与原始模型损伤指标对比见表4。

表4 优化模型与原始模型损伤指标对比

由表4 可知，通过改变安全带导向件位置来改变安全带的约束路径，在胸部安全带静态约束位置得到改善的同时，儿童乘员的颈部伤害指标也得到相应的提高，因缺乏APTS 而无法进行腹部压力的量化研究。动态分析的结果指出优化方案是真实有效的。

3.2 全方案动态分析

进一步通过对9 组方案进行相应的正面碰撞仿真计算，研究安全带约束路径对儿童乘员安全性的影响。

根据R129 法规中的损伤量化评价指标，为综合评价各组方案对儿童乘员的实际保护效果，采用增高座椅的儿童乘员的综合损伤评价指标（Child Comprehensive Injury Evaluation Index） 对3 个损伤指标进行加权标准化，并得出最终的评价指标，表达式如下：

式中：HPC15为假人头部性能指标；aH为累积3 ms头部合成加速度，m/s2；aC为累积3 ms 胸部合成加速度，m/s2。9 组仿真计算结果见表5。

表5 模拟计算结果

由表5 可知，C129指标最高的约束方案为A0B2，指标最低的约束方案为A2B0，此结果与静态评价的分析结果一致，进一步证明了优化方案的有效性。

3.3 动态分析结果

取安全带约束路径最优模型A2B0 与原始模型A1B1 的仿真结果进行比对，以全面分析安全带路径优化对儿童乘员安全性的影响，其中头部加速度时间历程曲线对比如图14 所示，胸部加速度时间历程曲线对比如图15 所示，各损伤指标对比见表6。

图14 头部加速度时间历程曲线对比

图15 胸部加速度时间历程曲线对比

由图14 和图15 可知，优化后的模型儿童头部加速度峰值从600 m/s2降至500 m/s2左右，胸部加速度峰值从420 m/s2降至350 m/s2左右，且曲线整体呈下降趋势。由表6 可知，优化后的模型假人各损伤指标均下降明显，尤其是对胸部和颈部的保护，总体水平提升了20%。综上所述，安全带路径优化对提升儿童乘员安全性具有很好的效果。

表6 优化前后损伤指标对比

4 结论

以某品牌三点式安全带约束型增高座椅为研究对象，进行安全带约束路径研究，并进行在新法规ECE R129要求下的儿童乘员乘坐安全性仿真分析，总结如下。

（1）通过调整肩带导向和腰带导向位置，可以有效避免儿童在正面碰撞中产生的安全带过于靠近颈部和腰部以及安全带从盆骨滑移的现象，从而减小儿童乘员受到的颈部拉力与弯矩，同样也可减少其它各项伤害指标，总体提升儿童乘员的乘坐安全性。

（2）由于缺少最新的带有腹部压力传感器的Q系列假人模型，本文只对儿童乘员的上颈部拉力与弯矩做了定量仿真分析，未来可对儿童乘员的腹部压力进行相关的定量分析，以深入研究安全带约束路径对儿童腹部伤害的影响情况。