張學榮，楊通，王海濤

（江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇，鎮(zhèn)江 212013）

在ECE R129 法規(guī)中，加入了腹部壓力，胸部壓縮量的最新損傷指標要求。目前市場上主流的兒童安全座椅有兩種，分別是五點式安全帶兒童安全座椅和前置護體式兒童安全座椅，相對于五點式安全帶兒童安全座椅，前置護體式具有更大的碰撞接觸面積，能更好地分散碰撞能量，缺點是會對兒童的腹部產生較大的傷害。

胡佳等通過有限元仿真與試驗結合的方法，采用Hybird Ⅲ假人模型與兒童人體有限元假人模型研究不同約束類型下假人傷害指標的情況，研究結果顯示前置護體兒童約束系統(tǒng)（Child Restriction System，CRS）相比于五點式安全帶CRS 具有更好的頭部損傷指標，但是會產生更大的胸部加速度及胸部壓縮量。JERMAKIAN等通過研究真實發(fā)生的交通事故與臺車試驗結果，對前置護體式CRS與五點式安全帶CRS的傷害分布形式和誤用情況進行調查，調查結果顯示前置護體對兒童乘員的頸部保護效果相較于五點式安全帶并沒有明顯改善，但對胸部和腹部的保護情況卻明顯劣于五點式安全帶。

現有的前置護體式兒童安全座椅多為舊版，這些研究結果并不足以總結前置護體式兒童安全座椅對兒童保護效果的優(yōu)劣性，另一方面，針對前置護體總布置，結構方面的改進研究依然很少。針對ECE R129 法規(guī)中關于胸部壓縮量和腹部壓力的最新損傷指標要求，越來越多的國內外學者開始對兒童乘員腹部和胸部損傷參數進行研究。

REED 等采用試驗與有限元仿真分析結合的方法，通過改變前置護體的安裝高度，腹部接觸面形狀與泡沫材料剛度綜合研究前置護體的保護效果。研究結果顯示，通過抬升前置護體的安裝高度使兒童乘員胸部更多地參與到碰撞接觸之中，可以有效減小假人所受的腹部壓力，但是會增加假人的胸部壓縮量；通過改善前置護體與假人腹部接觸面的形狀，使前置護體更好地貼合假人盆骨，同樣可以有效改善假人受到的腹部壓力。該研究結果進一步指出前置護體安裝位置對兒童乘員胸部和腹部傷害的影響大于泡沫材料剛度帶來的影響。

本文以某款前置護體式兒童安全座椅為研究對象，采用Q3假人，基于ECE R129法規(guī)搭建正面碰撞仿真模型，在驗證模型有效性的基礎上針對兒童安全座椅自身設計參數，進行了影響正面碰撞保護的參數研究與優(yōu)化，以探究對兒童乘員傷害最小的前置護體總布置與結構方案。本文依據ECE R129法規(guī)中的最新傷害指標對前置護體式兒童安全座椅的結構進行了全方位的研究，對于前置護體式兒童安全座椅的設計有一定的工程實際意義；采用多目標優(yōu)化的分析方法尋找最優(yōu)參數分布，對相關研究人員具有一定的指導意義。

1 模型建立及試驗驗證

1.1 ECE R129正面碰撞仿真模型建立

通過建立前置護體式兒童安全座椅關鍵部件的概念模型來提高仿真分析效率，并在Hypermesh 中建立有限元網格模型，該模型共有單元數量14.3萬個，其中體單元數量10.7 萬個，共有節(jié)點17.3 萬個，如圖1所示。

圖1 前置護體式座椅有限元模型

前置護體通過車用三點式安全帶并根據臺車試驗模擬來進行安裝與綁定。在前置護體的定位過程中，以假人軀干與大腿連接點H 點為參考，選取假人腹部中心節(jié)點為A 點，選取前置護體底部中心節(jié)點為B 點。為了使調整前置護體總布置高度位置時，前置護體與兒童假人的腹部接觸面始終可以很好地貼合假人的腹部，以直線AB 建立的其在軸方面的垂線BC，并以A、B 和C 點建立坐標系，如圖2所示。

圖2 前置護體定位圖

根據ECE R129 法規(guī)建立臺車模型，主要由臺車坐墊、臺車坐墊固定板、ISOFIX 固定桿和安全帶錨固點組成。本文所研究的座椅采用3 點式安全帶固定，安全帶模型包括肩帶，腰帶和卷收器3 部分，分別對應上固定點P，帶扣點A2 和下固定點A1（坐標見表1）。采用Q3 假人模型進行仿真分析，控制安全帶與假人的定位關系，最終得到整個正面碰撞仿真模型，如圖3所示。

圖3 正面碰撞仿真模型

表1 安全帶固定點位置坐標

在MADYMO 軟件中搭建正面碰撞仿真模型，輸入的臺車加速度波形如圖4所示。

圖4 臺車加速度輸入波形

1.2 模型有效性驗證

將仿真結果與臺車試驗結果進行對比以驗證模型的有效性，驗證方法主要為假人運動姿態(tài)驗證和動力學響應驗證。其中假人姿態(tài)如圖5 所示，取3個時刻分別為30 ms、60 ms和90 ms，可以看出同時刻下假人的運動姿態(tài)保持一致；整個過程中的動力學響應主要是胸部合成加速度和盆骨合成加速度的時間歷程對比，如圖6 和圖7 所示，試驗和仿真的兩條曲線在峰值、脈寬和形狀方面吻合度很好，表明本文所搭建的正面碰撞仿真模型是真實有效的。

圖5 仿真與試驗過程中的運動姿態(tài)對比

圖6 試驗與仿真中胸部合成加速度時間歷程曲線

圖7 試驗與仿真中盆骨合成加速度時間歷程曲線

2 前置護體總布置與結構參數的優(yōu)化研究

在前置護體的總布置方面，通過調整其安裝高度位置可以改變前置護體與假人接觸的部位，從而影響對兒童的約束部位，同樣前置護體的自身高度也是影響其與假人接觸部位的重要因素。在前置護體的結構方面，其主要由泡沫與加強肋板組成，因此，將泡沫材料剛度與加強肋板剛度作為本文所研究的兩個參數。綜上所述，本文將選擇前置護體約束高度位置、前置護體自身高度、加強肋板剛度和前置護體泡沫材料剛度這4 個設計參數作為前置護體式兒童安全座椅正面碰撞保護的影響因素。

在整個碰撞過程中，兒童假人的運動約束全部由前置護體承擔，假人的傷害也均由假人與前置護體的接觸與擠壓造成，所以主要以兒童乘員腹部壓力、胸部壓縮量及胸部3 ms 加速度作為評估指標，以頭部3 ms加速度、頭部性能指標、上頸部拉力和彎矩等指標作為參考進行研究。

2.1 前置護體安裝高度位置

以原始模型為基礎，10 mm 為梯度，將前置護體沿BC 方向進行上下移動，下限設定為向下10 mm，上限設定為向上30 mm，共建立5 組仿真模型。得到各組仿真模型的最大腹部壓力、胸部壓縮量D、胸部3 ms 加速度(3 ms)、頭部3 ms 加速度(3 ms)、頭部性能指標HPC、上頸部拉力F及上頸部彎矩M的結果，見表2。其變化趨勢如圖8～14所示。

表2 不同前置護體安裝高度下的損傷結果

圖8 隨安裝位置高度增加P趨勢圖

圖10 隨安裝位置高度增加ac(3 ms)趨勢圖

圖12 隨安裝位置高度增加HPC15趨勢圖

圖13 隨安裝位置高度增加FZ趨勢圖

圖14 隨安裝位置高度增加MY趨勢圖

結合表2 和圖8 可知，隨著前置護體安裝高度升高，兒童假人的腹部壓力與前置護體安裝高度是正相關的，出現這種趨勢的原因是當前置護體安裝位置偏下時，在正面碰撞中前置護體可以很好地貼合兒童身體中較硬的盆骨位置，從而可以更好地約束假人的運動，減小兒童的腹部傷害。而隨著前置護體安裝位置升高時，前置護體逐漸脫離假人盆骨位置，造成兒童假人出現明顯的“下潛”現象，此時前置護體的主要約束部位集中在兒童身體中較軟的腹部，所以最大腹部壓力逐漸增大。由圖9～10可知，隨著前置護體安裝位置升高，兒童假人的最大胸部壓縮量和胸部3 ms加速度也呈現增長的趨勢，其原因同樣在于隨著前置護體約束位置的升高，假人的胸部更多地參與到前置護體的約束中，因此，胸部壓縮量和胸部3 ms 加速度也逐漸增加。由圖11～14 可知，頭部3 ms 加速度和頭部性能指標HPC整體呈先減后增趨勢，上頸部拉力和彎矩呈增加趨勢，這是由于安裝高度越高，假人頭部位移量越少，隨之頭部和頸部承受傷害越大?？傮w來說，當前置護體的安裝位置在0～20 mm 之間時，前置護體對兒童假人的盆骨具有很好的覆蓋效果，減小兒童乘員的胸部和腹部損傷，同時頭部和頸部傷害不會過大。

圖9 隨安裝位置高度增加DH趨勢圖

圖11 隨安裝位置高度增加ah(3 ms)趨勢圖

2.2 前置護體自身高度

保持前置護體安裝高度不變，即前置護體下表面至假人腿部的距離不變，通過在高度方向上整體縮放前置護體來改變前置護體的自身高度。在原始模型中，前置護體的高度為157 mm，以原始高度的10%（16 mm）為梯度對前置護體進行整體縮放，將高度下限定為原始高度的80%，即125 mm，此時前置護體的頂部最上端正好約束在兒童假人的胸部最下端位置；將高度上限定為原始高度的120%，即190 mm，此時前置護體的頂部最上端正好約束在兒童假人的胸部最上端位置，以上下限為界共設計5 組模型。選取的兒童安全座椅覆蓋范圍為3～6 歲兒童，且選取3歲兒童假人進行研究，所以選取的前置護體自身高度區(qū)間125～190 mm 均滿足3～6 歲兒童的使用要求。5 組仿真模型的最大腹部壓力、胸部壓縮量D、胸部3 ms 加速度(3 ms)、頭部3 ms 加速度(3 ms)、頭部性能指標HPC、上頸部拉力F及上頸部彎矩M的結果見表3。其變化趨勢如圖15～21所示。

表3 不同前置護體高度下的損傷結果

圖15 隨前置護體高度增加增加P趨勢圖

圖16 隨前置護體高度增加DH趨勢圖

圖17 隨前置護體高度增加ac(3 ms)趨勢圖

圖19 隨前置護體高度增加HPC15趨勢圖

圖20 隨前置護體高度增加FZ趨勢圖

圖21 隨護體高度增加MY趨勢圖

結合表3 與圖15、17 可知，隨著前置護體自身高度的增加，兒童假人的胸部和腹部損傷指標均呈現下降趨勢。其中，當前置護體高度由原始模型的90%（140 mm）增加到原始模型的110%（173 mm）時，兒童假人的最大腹部壓力、最大胸部壓縮量均有顯著下降。產生這種趨勢的原因是當前置護體自身高度增加時，假人受到約束的部位也相應增加，碰撞沖擊能量更好地分散到假人全身，因此，假人的胸部和腹部損傷指標均有下降。由圖18～21 可知，頭部3 ms 加速度、頭部性能指標HPC、上頸部拉力和彎矩均呈顯著增加趨勢，這是由于前置護體高度越高，假人胸部過早接觸護體導致假人頭部位移量減少，隨之頭部和頸部承受傷害越大。

圖18 隨前置護體高度增加ah(3 ms)趨勢圖

總結上述分析，前置護體自身高度增加可以使碰撞能量更好地分散到假人的腹部和胸部，從而有效減小兒童假人的胸部和腹部損傷，但隨之頭部和頸部傷害也會增大。綜合來看，當前置護體自身高度在140～173 mm 時，兒童假人的腹部和胸部損傷指標取得較好結果且頭部和頸部傷害不會過大。

2.3 前置護體加強肋板剛度

前置護體主要由EPS 發(fā)泡泡沫和加強肋板構成。本節(jié)通過改變肋板厚度的方式來實現其剛度的改變。在加強肋板原始模型厚度為3 mm 的基礎上，設置其厚度最小值為2 mm，最大值為5 mm，以0.5 mm 為梯度依次改變肋板的厚度，共設計7 組仿真模型。各組仿真模型的最大腹部壓力、胸部壓縮量D、胸部3 ms 加速度(3 ms)、頭部3 ms 加速度(3 ms)、頭部性能指標HPC、上頸部拉力F及上頸部彎矩M的結果見表4，其中、D、(3 ms)變化趨勢如圖22～24所示。

表4 不同加強肋板厚度下的損傷指標值

圖22 隨加強肋板厚度增加P趨勢圖

圖23 隨加強板厚度增加DH趨勢圖

圖24 隨加強板厚度增加ac(3 ms)趨勢圖

結合表4 與圖22～24 可知，當前置護體加強肋板的厚度從2 mm增加到5 mm的過程中，兒童假人的最大腹部壓力、最大胸部壓縮量與胸部3 ms加速度均呈現先降后升的趨勢。產生這種趨勢的原因是當加強肋板的厚度在2.5 mm 以下時，加強肋板剛度較小，在碰撞過程中加強肋板產生很大的變形，不能充分吸收碰撞沖擊能量，所以造成假人損傷指標較大的情況。而當前置護體的加強肋板厚度在2.5～3.5 mm 時，此時加強肋板的剛度適中，在碰撞過程中產生的變形適中，所以能很好地緩沖吸收前置護體泡沫帶來的碰撞沖擊能量。當加強肋板的厚度在3.5 mm 以上時，此時加強肋板的剛度太大，變形較小，同樣無法有效吸收碰撞沖擊能量，致使假人的各項傷害指標較大。由表4 可知，頭部3 ms加速度及頭部性能指標呈先減后增趨勢，頸部傷害呈顯著增加趨勢，在加強肋板處于2.5～3.5 mm 時，其頭部和頸部傷害較低。

總結上述分析，當前置護體加強肋板厚度在2.5～3.5 mm 時，兒童假人的腹部和胸部損傷指標較好。同時可以看出，前置護體加強肋板的厚度變化對兒童假人的各項損傷指標均影響較小。

2.4 前置護體泡沫材料剛度

通過對泡沫材料剛度特性曲線施加一個縮放系數來達到改變泡沫剛度的目的。設置泡沫材料剛度系數下限為0.5，以0.25 為梯度逐步將泡沫材料剛度系數提升至2，共產生7 組仿真模型。各組仿真模型的最大腹部壓力、胸部壓縮量D、胸部3 ms加速度(3 ms)、頭部3 ms 加速度(3 ms)、頭部性能指標HPC、上頸部拉力F及上頸部彎矩M的結果見表5，其中、D、(3 ms)變化趨勢如圖25～27所示。

表5 不同泡沫材料剛度下的損傷指標值

圖25 隨泡沫材料剛度增加P趨勢圖

圖26 隨泡沫材料剛度增加DH趨勢圖

圖27 隨泡沫材料剛度增加ac(3 ms)趨勢圖

結合表5 與圖25～27 可知，當前置護體泡沫材料剛度系數由0.5放大至2.0的過程中，假人的最大腹部壓力、最大胸部壓縮量與胸部3 ms加速度總體呈現先下降再上升的趨勢。其中，在泡沫材料剛度由0.5 變化至1.25 的過程中，最大腹部壓力與胸部壓縮量均有較大降幅，原因是當泡沫材料剛度系數在0.5～1.25 時，泡沫材料剛度較低，不足以完全吸收碰撞帶來的沖擊能量，在碰撞過程中產生的變形較大，造成假人的胸部和腹部容易穿透泡沫與較硬的前置護體加強肋板接觸，造成假人的腹部與胸部損傷較大。而當泡沫材料剛度系數在1.25～2.0時，泡沫材料剛度已足夠大，能夠完全吸收碰撞過程中的沖擊能量，因此，假人的胸部與腹部損傷較小并趨于穩(wěn)定。由表5 可知，隨著泡沫剛度系數增大，頭部和頸部傷害基本呈下降趨勢，可能的原因同上。

總結上述分析，當泡沫材料剛度系數在1.0～2.0時，假人的各項指標均較好。

3 參數優(yōu)化研究

3.1 優(yōu)化參數的篩選

根據本文所選取的前置護體安裝高度、前置護體自身高度、前置護體加強肋板厚度和前置護體泡沫材料剛度系數作為正交試驗實際的4 個因素，并根據單因素研究的趨勢圖選取各個因素的4 個水平，以(4)正交表安排仿真試驗。通過方差分析來研究各設計因素的影響顯著性，得出：對于最大腹部壓力來說，前置護體的安裝高度以及前置護體自身高度變化的影響極為顯著，泡沫材料剛度變化的影響較為顯著，而前置護體加強肋板厚度變化的影響不顯著。對于最大胸部壓縮量D來說，前置護體自身高度變化的影響極為顯著，泡沫材料剛度變化的影響較為顯著，而前置護體安裝高度與加強肋板厚度變化的影響不顯著。對于胸部3 ms加速度(3 ms)來說，前置護體各參數變化帶來的影響均不顯著，對于本文所研究的該款前置護體式兒童安全座椅來說，在進行正面碰撞后對比ECE R129 法規(guī)規(guī)定的各項損傷指標值可知，其主要缺陷在于假人的腹部壓力超出了法規(guī)規(guī)定限值，因此，對于前置護體的參數優(yōu)化也應圍繞腹部壓力展開，所以選取前置護體安裝高度和前置護體自身高度兩個因素作為優(yōu)化變量。

3.2 響應面近似模型的建立

選取前置護體安裝高度和前置護體自身高度這2 個影響因素4 個水平進行DOE 全因子試驗。設計得到的結果數據輸入至Isight 軟件中，得到最大腹部壓力與胸部壓縮量D的二階多項式響應面代理模型。其中最大腹部壓力和胸部壓縮量D的擬合度分別為0.988 和0.981，均大于0.95，說明該擬合公式可以很好地解釋優(yōu)化變量與目標之間的關系，胸部3 ms 加速度(3 ms)的擬合度為0.727，該公式的擬合度較差，原因在于前置護體安裝高度與自身高度對胸部3 ms加速度的影響不顯著，該結果與正交設計的結論一致。擬合后響應面如圖28～29所示。

圖28 P的響應面

圖29 DH的響應面

3.3 基于NSGA-II算法的多目標優(yōu)化

NSGA-II（Elitist Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm）快速非支配遺傳算法是目前使用最為廣泛的一種多目標遺傳算法。

將得到的和D的響應面近似數學模型作為優(yōu)化目標，前置護體安裝高度位置及前置護體自身高度作為優(yōu)化變量，通過Matlab 軟件中的gamultiobj多目標優(yōu)化函數200 代進化后，得到Pareto 解集。將仿真模型按照最優(yōu)解的設計參數進行修改并運算，得到的結果對比見表6。

表6 優(yōu)化結果對比

由表6 可知，3 項損傷指標的理論與實際優(yōu)化值相對誤差均較小，因此，可以認為優(yōu)化結果是有效的。其中，最大腹部壓力優(yōu)化值為154 kPa，相對于初始值184 kPa，優(yōu)化程度達到了16.3%；最大胸部壓縮量優(yōu)化值為34.38 mm，相對于初始值37.82 mm，優(yōu)化程度達到了9.10%；胸部3 ms 加速度在本次優(yōu)化中未有明顯變化。綜上所述，當前置護體安裝高度位置為0 mm，前置護體自身高度為190 mm 時，對兒童乘員的腹部和胸部保護效果最優(yōu)。

4 結論

基于ECE R129 法規(guī)，選取前置護體安裝高度位置、前置護體自身高度、加強肋板剛度和前置護體泡沫材料剛度這4個參數作為研究對象，以Q3假人的最大腹部壓力、最大胸部壓縮量和胸部3 ms加速度為損傷研究指標，開展了該款兒童安全座椅的正面碰撞保護效果研究并進行優(yōu)化。

（1）單因素研究結果顯示，該前置護體式兒童安全座椅達到最優(yōu)正面碰撞保護的前置護體安裝高度位置的最優(yōu)區(qū)間為0～20 mm，前置護體自身高度的最優(yōu)區(qū)間為140～173 mm，加強肋板厚度的最優(yōu)區(qū)間為2.5～3.5 mm，泡沫材料剛度系數的最優(yōu)區(qū)間為1.0～1.5，此時假人的腹部、胸部、頭部和頸部的損傷均較小。

（2）通過試驗設計和方差分析對影響參數進行篩選的結果顯示，前置護體安裝高度與前置護體自身高度對前置護體式兒童安全座椅正面碰撞保護有著顯著影響。

（3）采用改進的NSGA-II 算法對顯著性較高的參數進行多目標優(yōu)化求解，經過分析，得出最優(yōu)解且優(yōu)化后的前置護體式兒童安全座椅的正碰保護性能顯著提高。該結果顯示當前置護體安裝高度位置為0 mm，前置護體自身高度為190 mm 時，對兒童乘員的腹部和胸部保護效果最優(yōu)。與單因素分析結果不一致，這是由于該優(yōu)化僅考慮胸腹部傷害指標而未考慮頭頸部指標。后續(xù)可綜合考慮胸、腹、頭、頸部傷害指標進行優(yōu)化。

（4）研究結果還顯示，前置護體的布置要符合：前置護體要能夠很好地約束假人盆骨，避免在碰撞過程中兒童乘員出現“下潛”現象；前置護體自身高度要求設計合理，約束部位能夠覆蓋兒童乘員的整個胸部，碰撞沖擊能量可以更加均勻地分布在兒童乘員的胸部和腹部，從而減小兒童乘員的腹部和胸部損傷。

由于研究水平及條件限制，僅研究了正碰工況下的前置護體式安全座椅的保護效果，后續(xù)可對側面碰撞工況進行研究并對損傷參數進行優(yōu)化。本文僅對前置護體式兒童安全座椅的胸腹部損傷指標進行了優(yōu)化，未來可針對前置護體式兒童安全座椅的兒童頭部和頸部損傷指標進行優(yōu)化。