李海巖，周兵兵，阮世捷，婁 磊，賀麗娟，崔世海

（1.天津科技大學(xué) 現(xiàn)代汽車安全技術(shù)國際聯(lián)合研究中心，天津 300222；2.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

如今，汽車走進(jìn)了千千萬萬個家庭，兒童安全座椅的使用逐漸得到年輕父母的重視，人們對安全座椅的質(zhì)量和保護(hù)效果也有了更高的需求。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對兒童安全座椅性能進(jìn)行了廣泛研究，清華大學(xué)[1]、湖南大學(xué)[2-3]和上海交通大學(xué)[4]利用碰撞軟件對汽車正面碰撞和側(cè)面碰撞中的兒童約束系統(tǒng)對兒童乘員保護(hù)效果進(jìn)行了分析。兒童安全座椅的質(zhì)量是通過測試滑車試驗(yàn)中兒童假人的相關(guān)參數(shù)來評價的。白中浩等[5]通過對臺車試驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計，并分析Q6假人在碰撞過程中胸部的損傷情況，對兒童約束系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。歐美等發(fā)達(dá)國家對兒童安全座椅的研究較早，技術(shù)也較國內(nèi)更成熟。EGGERS等[6]通過對Q6和Q10假人來評估車輛后排座椅中兒童乘員的安全性，得出Q6假人的胸部受安全帶等幾何參數(shù)影響較大，Q6假人更能真實(shí)地反映胸部的損傷機(jī)理。BEILLAS等[7]通過對Q6假人和有限元模型損傷的對比，可知上部偏轉(zhuǎn)傳感器可以更好地評估Q6假人的胸部損傷情況。

關(guān)于兒童胸部損傷的研究，OUYANG Jun等[8]通過對不同年齡組的兒童尸體胸部進(jìn)行正面碰撞來研究兒童胸部的損傷。但由于尸體試驗(yàn)的有限性，研究者通過構(gòu)建有限元模型來進(jìn)行研究。所應(yīng)用的兒童有限元模型中，一種是基于成人縮放得到的兒童有限元模型，如MIZUNO等[9]通過縮放成人有限元模型，并根據(jù)測量學(xué)和統(tǒng)計學(xué)構(gòu)建了3歲兒童胸腹部有限元模型進(jìn)行損傷研究。另一種是基于人體CT圖像構(gòu)建具有真實(shí)人體解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的胸腹部有限元模型，蔣彬輝等[10]構(gòu)建了具有詳細(xì)解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的10歲兒童胸部有限元模型，并對其進(jìn)行靜態(tài)加載試驗(yàn)分析其有效性；天津科技大學(xué)崔世海等[11]通過建立完整的3歲和6歲兒童有限元模型，并進(jìn)行試驗(yàn)碰撞驗(yàn)證，為后續(xù)兒童安全座椅的研究奠定基礎(chǔ)。

采用有限元模型進(jìn)行仿真分析，一方面可以循環(huán)使用節(jié)省運(yùn)算成本，另一方面還可以比假人輸出更多的內(nèi)部器官參數(shù)，對兒童安全座椅新產(chǎn)品的前期開發(fā)和產(chǎn)品后期的碰撞驗(yàn)證具有更大的指導(dǎo)作用，可以更細(xì)致地從人體各個器官的損傷情況來分析兒童安全座椅的性能，以及具體從哪一塊來對產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)。本研究應(yīng)用6歲兒童乘員有限元模型進(jìn)行正面碰撞仿真分析，通過對比3種常用兒童安全座椅對兒童胸腹部損傷防護(hù)的影響研究，進(jìn)一步討論不同的安全帶材料對兒童胸腹部防護(hù)的效果，以期對兒童約束系統(tǒng)的研發(fā)及消費(fèi)者選擇產(chǎn)品起到參考作用。

1 有限元仿真模型

1.1 仿真模型介紹

本文采用前處理軟件Hypermesh建立汽車座椅和兒童安全座椅有限元模型，并對兒童安全座椅模型建立車用三點(diǎn)式安全帶，安全帶材料為彈性各向同性材料，模型共計1231296個單元，其中殼單元32570個，實(shí)體單元1198726個，安全座椅靠背高為682 mm，坐墊長為393 mm，寬為425 mm，厚度為56 mm，其中安全座椅中靠墊為泡沫，靠墊高為470 mm，厚度為36 mm。

仿真所用兒童有限元模型是本中心采用6歲兒童志愿者進(jìn)行CT掃描圖像，并通過軟件Mimics對CT圖像進(jìn)行處理，再進(jìn)一步用逆向工程軟件Geomagic生成光滑度較高的模型，最后用軟件Hypermesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分獲取6歲兒童有限元模型。該模型所有單元均采用共節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，共計751510個節(jié)點(diǎn)和737729個單元，其中包含540508個體單元和197221個殼單元，該模型身高為113.5 cm，坐高為671 mm，體重為23.9 kg，胸寬為207.4 mm，胸厚為130.7 mm，胸圍為573.8 mm，其中6歲兒童有限元模型胸腹部單元數(shù)目為236507個，胸腔厚度為172 mm，胸腔寬度為210 mm，模型具有較為完整的內(nèi)臟器官、骨骼組織、肌肉組織、韌帶、皮膚和脂肪等。

1.2 仿真試驗(yàn)設(shè)置

仿真選用如今市場上比較流行的兒童安全座椅及安裝方式，即自帶五點(diǎn)式安全帶兒童安全座椅 （圖1a），車用三點(diǎn)式安全帶有靠背增高墊安全座椅（圖1b）和車用三點(diǎn)式安全帶無靠背增高墊安全座椅（圖1c），在研究中分別被定義為仿真1、仿真2和仿真3，將不同安全帶材料的自帶五點(diǎn)式安全帶織帶兒童安全座椅定義為仿真4。仿真模型組成如圖2a所示，包括汽車座椅、安全座椅、泡沫墊和安全帶。仿真類型簡介見表1。

圖1 仿真模型

表1 仿真類型簡介

依據(jù)歐洲ECE R129法規(guī)，該仿真設(shè)置為正面碰撞試驗(yàn)，仿真模型為6歲兒童有限元模型、4種兒童安全座椅和汽車座椅，仿真初速度為50 km/h，豎直方向加載9.8 m/s2的重力加速度，加速度曲線為某款車型臺車試驗(yàn)碰撞（圖2b）獲取的后排座椅加速度曲線（圖3）。將初速度和臺車試驗(yàn)獲取的加速度曲線施加到汽車座椅及兒童安全座椅上，加速度方向與實(shí)車碰撞速度方向相反，所有模型均加載豎直方向的重力加速度。

圖2 仿真與臺車試驗(yàn)裝置

圖3 臺車輸入的加速度曲線波形

4組仿真試驗(yàn)中汽車座椅定義為剛體，兒童安全座椅材料為一體式塑料，約束系統(tǒng)材料均是參考KAPOOR等[12-13]的試驗(yàn)所得，見表2。汽車座椅本身、汽車座椅與約束系統(tǒng)之間通過固連連接，兒童與安全座椅之間接觸定義為面面接觸，摩擦因數(shù)為0.3。仿真中所用人體有限元模型為衛(wèi)志強(qiáng)等[14]建立的具有詳細(xì)解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的6歲兒童有限元模型。

表2 安全座椅和安全帶材料參數(shù)

2 仿真結(jié)果

2.1 仿真試驗(yàn)結(jié)果

在Pam-Crash軟件中提取人體軀干角度值，如圖4所示，圖5和圖6分別為胸腹部安全帶侵入量，圖7和圖8分別為胸腹部粘性準(zhǔn)則VC值，圖9和圖10分別為胸腹部各個器官的最大第一主應(yīng)變值及云圖，有限元模型傷害值見表3。

圖4 六歲兒童有限元模型軀干角度曲線

圖5 六歲兒童有限元模型胸部安全帶侵入量

圖6 六歲兒童有限元模型腹部壓縮量曲線

圖7 六歲兒童有限元模型胸部粘性準(zhǔn)則VC值的時間歷程曲線

圖8 六歲兒童有限元模型腹部粘性準(zhǔn)則VC值的時間歷程曲線

圖9 六歲兒童有限元模型胸部實(shí)體器官最大第一主應(yīng)變值

圖10 六歲兒童有限元模型腹部實(shí)體器官最大第一主應(yīng)變值

表3 有限元模型傷害值

2.2 仿真試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 不同類型兒童安全座椅的結(jié)果分析

軀干角度的定義為臀部關(guān)節(jié)和肩部關(guān)節(jié)連線與垂直方向之間的夾角，用來表述人體的運(yùn)動學(xué)特征。由軀干角度的定義可知軀干角度越大，身體下潛趨勢越明顯，損傷的風(fēng)險越高。由圖4可知，6歲兒童有限元模型的初始軀干角度為20.32°，仿真1中6歲兒童有限元模型最大軀干角度為21.51°，仿真2最大軀干角度為20.66°，所以仿真1軀干角度較大；從圖4可以看出仿真1和2軀干角度變化趨勢，可知仿真1下潛趨勢較為明顯。

胸部損傷指標(biāo)有粘性準(zhǔn)則VC值和簡明損傷定級標(biāo)準(zhǔn)（Abbreviated Injury Scale，AIS），粘性準(zhǔn)則VC值表示胸部變形量相對于時間的變化率，用于評價胸部軟組織的損傷情況。

式中：D(t)為胸部壓縮量時間函數(shù)，mm；b為胸部初始厚度，mm。

由表3可知，仿真1的胸部和腹部最大壓縮量分別為18.5 mm和15.7 mm，而仿真2的胸部和腹部最大壓縮量分別為22.5 mm和15.8 mm，仿真1的胸部和腹部最大壓縮比為23%和18.66%，仿真2的胸部和腹部最大壓縮率分別為28%和18.81%，由于仿真2胸部壓縮量比仿真1大5%，所以仿真1對胸部保護(hù)更好。由圖5胸部壓縮量曲線可知，仿真1和仿真2出現(xiàn)3個波峰，此時會對胸部造成損傷，在66 ms時，胸部壓縮量達(dá)到最大值，極易對兒童造成傷害。

AIS公式是VIANO等[15]獲得的AIS與胸腹部壓縮比的關(guān)系式。

式中：C為壓縮準(zhǔn)則，即胸部擠壓指標(biāo)，是指胸部壓縮量與厚度的比值。

根據(jù)兒童與成人之間的身高比例進(jìn)而縮放得到6歲兒童有限元模型AIS和胸腹部壓縮量之間的公式為：

根據(jù)式（2）和式（3）可以計算得出6歲兒童有限元模型在仿真1和仿真2的胸部損傷AIS級別分別為0.44級和1.09級，腹部損傷AIS級別分別為0.72級和0.35級。根據(jù)式（3）得出的結(jié)果為仿真1的胸部損傷低于仿真2，腹部損傷仿真1高于仿真2，此結(jié)果與胸腹部壓縮量結(jié)果一致。

根據(jù)VIANO等[15]得出的AIS，即當(dāng)粘性準(zhǔn)則VC值大于1 m/s時，人體發(fā)生AIS≥4的可能性為25%。由圖7和圖8可知，6歲兒童有限元模型仿真1和仿真2胸部最大VC值分別為0.12 m/s和0.16 m/s，6歲兒童有限元模型仿真1和仿真2腹部最大VC值分別為0.11 m/s和0.20 m/s。因此，可以得出6歲兒童有限元模型胸腹部發(fā)生輕度損傷或者不損傷的可能性較大，仿真1胸腹部VC值均小于仿真2。另一方面，由圖7胸部VC圖像可知，有3個明顯的波峰和波谷，3個波峰時刻會對兒童造成不同程度的損傷，在時刻58 ms時對兒童傷害最大；由圖8腹部VC圖像可知，仿真2在120 ms時，腰帶對兒童腹部損傷參數(shù)激增，這是由于腰帶與腹部接觸力過大，并且在碰撞過程中腹部擠壓造成的。

由圖9和圖10可知，仿真1和仿真2中6歲兒童有限元模型胸腹部各個實(shí)體器官最大第一主應(yīng)變值，仿真1和仿真2肺臟的最大第一主應(yīng)變值分別為15%和16%，心臟最大第一主應(yīng)變值分別為5%和10%。仿真1和仿真2肝臟的最大第一主應(yīng)變值分別為17%和10%，腎臟的最大第一主應(yīng)變值分別為24%和29%，脾臟的最大第一主應(yīng)變值分別為19.0%和19.6%。仿真1相比于仿真2的胸腹部實(shí)體器官的損傷程度較小，僅有肝臟最大第一主應(yīng)變值仿真2小于仿真1，從實(shí)體器官整體損傷程度可知，仿真1優(yōu)于仿真2的試驗(yàn)結(jié)果。此外，由表4中胸腹部各個器官最大第一主應(yīng)變云圖可知具體的損傷部位，這可為后期對兒童座椅的改進(jìn)提供具體參數(shù)參考。

表4 胸腹部實(shí)體器官第一主應(yīng)變云圖

由仿真試驗(yàn)結(jié)果可知，五點(diǎn)式兒童安全座椅對兒童胸部保護(hù)效果優(yōu)于車用三點(diǎn)式安全帶有靠背增高墊安全座椅。對于腹部損傷來說，由于五點(diǎn)式安全帶在腹部相比于三點(diǎn)式安全帶節(jié)點(diǎn)更多，應(yīng)力集中導(dǎo)致五點(diǎn)式安全帶對腹部損傷較大，需要改進(jìn)兒童安全座椅安全帶來提高對兒童腹部的保護(hù)，這樣會進(jìn)一步提高兒童安全座椅的保護(hù)性能。

2.2.2 增高墊安全座椅有無靠背結(jié)果分析

仿真2和仿真3是同類型的增高墊安全座椅。由圖4可知，6歲兒童有限元模型的初始軀干角度為20.32°，仿真2中6歲兒童有限元模型最大軀干角度為20.66°，仿真3最大軀干角度為19.89°。兩種兒童安全座椅下潛角度都沒有超過預(yù)定值，由軀干角度的定義可知軀干角度越大，身體下潛趨勢越明顯，損傷的風(fēng)險越高。仿真2比仿真3的最大軀干角度大，則仿真2的下潛角度較大，損傷程度較大，但從整體的變化趨勢來看兩種兒童安全座椅變化幅度不大。

由表3可知，仿真2的胸部和腹部最大壓縮量分別為22.5 mm和15.8 mm，而仿真3的胸部和腹部最大壓縮量分別為24.0 mm和10.0 mm；仿真2的胸部和腹部最大壓縮比分別為28%和18.81%，仿真3的胸部和腹部最大壓縮率分別為30%和13.43%。由從胸部安全帶的侵入量和壓縮比可知，仿真2兒童安全座椅對胸部的保護(hù)優(yōu)于仿真3，但根據(jù)腹部壓縮量可知，仿真3兒童安全座椅對腹部損傷較小。由圖5胸部壓縮量可知，仿真3和仿真2整體變化趨勢一致，但仿真3胸部壓縮量比仿真2大，所以仿真3對兒童胸部損傷較大。由圖6腹部最大壓縮量可知，仿真2容易對腹部造成傷害。

根據(jù)縮放公式計算可以得出6歲兒童有限元模型在仿真2和仿真3的胸部損傷AIS級別分別為1.09級和1.33級，腹部損傷AIS級別分別為0.35級和0.11級，由表3可知胸腹部AIS為輕度損傷，此結(jié)果與胸腹部壓縮量結(jié)果一致。

由圖7和圖8可知，仿真2和仿真3胸部最大VC值分別為0.16 m/s和0.18 m/s，腹部最大VC值分別為0.20 m/s和0.16 m/s，可見6歲兒童有限元模型胸腹部發(fā)生輕度損傷或者不損傷的可能性較大。由胸部最大VC值可知，仿真3對胸部損傷較大，由腹部VC值可知，仿真2對腹部損傷比仿真3大，此結(jié)果與胸腹部壓縮量結(jié)果一致。

由圖9和圖10可知，仿真2和仿真3的肺臟最大第一主應(yīng)變值分別為16%和21%，心臟最大第一主應(yīng)變值分別為10%和12%。仿真2和仿真3的肝臟最大第一主應(yīng)變值分別為10%和37%，腎臟最大第一主應(yīng)變值分別為29%和31%，脾臟最大第一主應(yīng)變值分別為19.6%和50%。從胸腹部實(shí)體器官應(yīng)變云圖（表4）的損傷程度可知，仿真2中有靠背增高墊座椅對胸部的保護(hù)更好?？筛鶕?jù)表4中的最大第一主應(yīng)變云圖損傷位置對兒童提供一定的保護(hù)措施。

根據(jù)胸腹部壓縮量，胸腹部粘性準(zhǔn)則VC值，以及胸腹部實(shí)體器官最大第一主應(yīng)變值可知，車用三點(diǎn)式安全帶有靠背增高墊安全座椅相比于車用三點(diǎn)式安全帶無靠背增高墊安全座椅在胸腹部保護(hù)方面更有優(yōu)勢，所以對于消費(fèi)者而言在選擇時建議盡量選擇帶有靠背的增高墊座椅。

2.2.3 不同安全帶材料結(jié)果分析

由表3中仿真4與仿真1的數(shù)據(jù)結(jié)果分析可知，仿真4中安全帶織帶對兒童胸腹部除肺部以外的其他實(shí)體器官保護(hù)較好。由兩種安全帶材料參數(shù)對比可知，安全帶織帶彈性模量較小，對兒童胸腹部器官損傷影響較為明顯。通過分析不同安全帶材料對兒童胸腹部的損傷數(shù)據(jù)結(jié)果可知，安全帶織帶對胸腹內(nèi)部器官保護(hù)較好，兒童安全座椅設(shè)計者可以選擇不同的安全帶材料。

3 結(jié)論

通過對自帶五點(diǎn)式安全帶兒童安全座椅，車用三點(diǎn)式安全帶有靠背增高墊安全座椅，車用三點(diǎn)式安全帶無靠背增高墊安全座椅，以及不同的安全帶材料的自帶五點(diǎn)式安全帶織帶兒童安全座椅進(jìn)行仿真試驗(yàn)，根據(jù)兒童胸腹部損傷評價指標(biāo)對比可以得出以下結(jié)論：

（1）根據(jù)自帶五點(diǎn)式和車用三點(diǎn)式有靠背兒童安全座椅對6歲兒童胸腹部各項損傷指標(biāo)可知，自帶五點(diǎn)式安全帶兒童安全座椅對兒童胸腹部保護(hù)較好，再由胸腹部內(nèi)部器官應(yīng)變值和應(yīng)變云圖可知，自帶五點(diǎn)式安全帶兒童座椅對兒童胸腹部損傷最小。

（2）由兩種增高墊座椅對6歲兒童的損傷情況可知，車用三點(diǎn)式有靠背增高墊座椅相對于無靠背更有利于減少兒童的損傷。

（3）由胸腹內(nèi)部器官最大第一主應(yīng)變值和云圖可知，對于不同安全帶材料的兒童安全座椅，自帶五點(diǎn)式安全帶織帶兒童安全座椅對兒童胸腹內(nèi)部器官損傷較小。在兒童胸部保護(hù)方面，自帶五點(diǎn)式安全帶兒童安全座椅對兒童胸部保護(hù)更好，車用三點(diǎn)式無靠背增高墊安全座椅對兒童胸部的保護(hù)最差，容易在交通事故中對兒童胸部造成傷害。

（4）在實(shí)際生活中，消費(fèi)者在給孩子選擇安全座椅時，建議選用自帶五點(diǎn)式安全帶兒童安全座椅和自帶五點(diǎn)式安全帶織帶兒童安全座椅，這兩種兒童安全座椅都可以有效減少6歲兒童胸腹部的損傷。