多工况整车正面碰撞儿童乘员伤害对比分【推荐论文】 .doc

精品论文多工况整车正面碰撞儿童乘员伤害对比分析张君媛1，张秋实1，李幸福1，陈超25（1. 吉林大学汽车工程学院，长春 130025；2. 中国汽车技术研究中心试验研究所，天津 300300）摘要：由于普通汽车安全带、安全气囊和座椅等都是针对成人设计的，所以儿童乘员在汽车 碰撞事故中的伤亡风险就远高于成年乘员。本文应用计算机仿真分析的手段，得到多工况整10车正面碰撞儿童乘员伤害响应，经过对比分析得知儿童乘员伤害最为严重的工况类型和车内 成人乘员对儿童乘员伤害响应的影响程度。上述研究对于深入分析儿童乘员伤害产生的原因有很大帮助，并且能够指导后续的儿童乘员约束系统设计。关键词：正面碰撞； 儿童乘员伤害； 计算机仿真； 对比分析中图分类号：U461.9115Comparison Analysis of Child Occupants Injury Based onMultiple Working Conditions in Vehicle Front CrashZHANG Junyuan1, ZHANG Qiushi1, LI Xingfu1, CHEN chao2(1. College of Automotive Engineering, Jilin University, Changchun 130025;202. Catarc-tatc, China Automotive Technology and Research Center, Tianjin 300300) Abstract: Due to the common vehicle seat belts, air bags and seats are designed for adults, child occupants in car collision accident casualty risk is far higher than adult occupants.Based on the computer simulation analysis method, to get child occupants injury in multiple working conditions for vehicle front crash, through a comparison analysis to find out the most serious condition type and the25influence degree of adult occupants in car.The above studies are benefit for the deep analysis of the causes of child occupants injury, and are able to guide subsequent child restraint system design.Key words: Front crash; Child occupants injury; Computer simulation; Comparison analysis0引言30儿童乘员约束系统（Child Restraint System，CRS）是一种专门为汽车儿童乘员所设计 的乘车保护装置（一般称为儿童安全座椅）。它一般包括拉带（或是软性部件）和安全卡扣、 调节装置、连接件、某些情况的附加装置（如便携床、提篮、附加座椅和/或防冲击板）， 能够固定在汽车上的组合件12。正面碰撞在各种碰撞类型中发生的概率最大，同时也是造成儿童乘员伤亡人数最多的事35故类型3。所以，对汽车正面碰撞过程中的儿童乘员伤害进行研究有利于提高儿童乘员的乘 车安全。近几年，欧美等国家相继开展了汽车正面碰撞儿童乘员伤害研究，儿童乘员保护已纳入 相关强制性法规或新车评价体系。但是，目前为止还没有统一的儿童乘员伤害评价标准，试 验工况也不全面，特别是国内对于儿童乘员伤害的研究还处于初级阶段。40本文应用计算机仿真分析的手段，建立不同工况下的整车正面碰撞仿真模型，计算得到基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金（20100061110082）作者简介：张君媛（1965-），女，教授，主要研究方向：车身结构设计和汽车被动安全性研究. E-mail:junyuan- 9 -不同年龄组别的儿童乘员在不同工况下的伤害响应，并对其进行对比分析，进而得出对儿童乘员造成较大伤害的危险工况，以及车内成人乘员对儿童乘员伤害响应的影响。这些研究可 以为后续的儿童乘员约束系统设计开发等工作提供指导。451整车正面碰撞仿真模型的建立本文建立整车正面碰撞仿真模型包括四个部分：车体结构、CRS（见图 1）、儿童假人（见图 2）以及安全带。其中，车体结构包括前、后两排座椅和顶盖，几何尺寸是根据某乘 用车实际尺寸建立的。CRS 采用三种典型的儿童座椅形式，分别是可转换式儿童座椅、带 靠背式增高坐垫、无靠背式增高坐垫4。不同类型的儿童座椅适用于不同年龄阶段的儿童乘50员，通用型儿童座椅后向使用时，适用于 1.5 岁儿童乘员；通用型儿童座椅前向使用时，适 用于 3 岁儿童乘员；6 岁儿童乘员使用带靠背式增高坐垫；10 岁儿童乘员使用无靠背式增高 坐垫。安全带模型包括两种：汽车座椅三点式安全带和儿童座椅安全带模型。(a)可转换式 CRS(b)靠背式增高坐垫(c)无靠背式增高坐垫55图 1 CRS 仿真模型Fig.1 CRS simulation model图 2 给出了本文使用的儿童假人模型，从左到右依次为 Q 系列 1.5 岁儿童假人、Hybrid3 岁儿童假人、Hybrid6 岁儿童假人、TNOP10 儿童假人。60图 2 儿童假人模型Fig.2 Child dummy model本研究根据最新的 2012 年版 C-NCAP 管理规则，选取两种典型的正面碰撞工况：64km/h 的 40%重叠偏置碰撞（ODB）和 50km/h 的 100%重叠刚性壁障碰撞（FRB）5。图 3 和图 4 分别为上述两种工况下某乘用车车体加速度曲线，在进行正面碰撞工况下儿童乘员伤害对比65分析时，以它们作为输入条件。40302010064Km/hODB 加速度（g）0.00 0.05 0.10 0.15 0.20时间（s）40302010050Km/hFRB加速度（g）0.00 0.05 0.10 0.15 0.20时间（s）图 3 64Km/h 碰撞试验车体加速度曲线图 4 50Km/h 碰撞试验车体加速度曲线Fig.3 64Km/h acceleration pulse for test bodyFig.4 50Km/h acceleration pulse for test body50km/h FRB 试验工况和 64km/h ODB 试验工况下，分别建立如图 5 所示的 4 个整车正70面碰撞仿真模型。考虑到 64km/h ODB 试验工况下，汽车伴有一定的侧向转动，若有成年乘 员在儿童乘员旁边时，成年乘员与儿童乘员间可能发生接触，对儿童乘员伤害可能会有影响。 所以，64km/h ODB 试验工况下又建立了 4 个带有成人假人的整车正面碰撞仿真模型，如图6 所示。综合起来，本文共建立 12 个整车正面碰撞仿真模型，对其编号如表 1 所示。75图 5 整车正面碰撞仿真模型Fig.5 Vehicle in front crash simulation model80图 6 64km/h ODB 试验工况带成人假人的整车正面碰撞仿真模型Fig.6 Vehicle front crash simulation model in 64Km/h ODB test with adult表 1 仿真模型编号Tab.1 Numbers of simulation models仿真名称CRS 情况计算工况仿真 1-1后向式 CRS64ODB仿真 1-264ODB with adult仿真 1-350FRB仿真 2-1前向式 CRS64ODB仿真 2-264ODB with adult仿真 2-350FRB仿真 3-1带靠背增高坐垫64ODB仿真 3-264ODB with adult仿真 3-350FRB仿真 4-1无靠背增高坐垫64ODB仿真 4-264ODB with adult仿真 4-350FRB2儿童乘员伤害评价标准85大量的研究发现表明：头部，颈部和胸部是儿童乘员伤害相对集中、也更为严重的部位67，故选取儿童乘员 HIC15、头部 3ms 加速度 Head3ms、颈部 Z 向拉力 FZ、颈部弯矩 MY、 胸部 3ms 加速度 Chest3ms 进行对比分析。由于国内法规标准对于儿童乘员伤害指标没有明确的限定标准，因此，本文借鉴美国联 邦法规 FMVSS 213、FMVSS 208 和欧洲新车评价规程 E-NCAP 中对于儿童乘员伤害的限定90标准。美国联邦法规 FMVSS 213 中限定儿童乘员的 HIC15 小于等于 570；FMVSS 208 中规定 儿童颈部 Z 向拉力标准值 1460N，颈部弯矩标准值 17N·m；欧洲新车评价规程 E-NCAP 中 儿童乘员的头部 3ms 加速度和胸部 3ms 加速度的限定值分别设置为 72g88g、41g55g， 小于最小限值可获得相应评分项的满分，大于最大限值则该项评为零分，伤害值处于最小值95与最大值之间按照一定标准计算得分。表 2 儿童乘员伤害评价参考标准Tab.2 Child occupants injury evaluation reference standardHIC15Head3msFZMYChest3ms伤害标准值57072g88g1460N17N·m41g55g对应的标准FMVSS 213E-NCAPFMVSS 208FMVSS 208E-NCAP为便于对比分析不同工况下的儿童乘员伤害程度，本文将儿童乘员头部、颈部和胸部 3个部位的伤害指标加权取和，提出一个儿童乘员伤害综合评价函数 S：æ HIC15Head3ms öæ FzM y öæ Chest3ms ö100S = 0.2 ´ ç+570÷ + 0.15 ´ ç +88 1460 17÷ + 0.3´ ç ÷55è ø èø è ø考虑到儿童头部由于缺乏安全气囊的保护，其潜在危险更大一些，设定头部权重系数为0.4，颈部权重系数为 0.3，胸部权重系数为 0.3。S 是一个无量纲值,其值越大，说明儿童乘 员伤害越严重。3儿童乘员伤害对比分析1053.1后向式 CRS110使用后向式 CRS 的 1.5 岁儿童假人头部、胸部的综合加速度曲线如图 7 和图 8 所示。其中，黑线代表 50km/h FRB 试验工况下儿童假人的响应，红线代表带成人假人的 64km/h ODB 试验工况下儿童假人的响应，蓝线代表 64km/h ODB 偏置碰撞工况下儿童假人的响应。 根据仿真计算结果对儿童假人进行伤害数据提取，1.5 岁儿童假人的主要伤害指标如表 3 所 示。800加速度(m/s2)600仿真1-3 仿真1-2 仿真1-1700600500仿真1-3 仿真1-2 仿真1-1400400加速度(m/s2)3002002001000050100150时间(ms)0050100150时间(ms)115图 7 头部综合加速度曲线图 8 胸部综合加速度曲线Fig.7 Head resultant accelerationsFig.8 Chest resultant accelerations表 3 1.5 岁儿童假人的主要伤害指标Tab.3 1.5-year-old child dummy main injury indicatorsHIC15Hesd3ms/gFZ/NMY/ N·mChest3ms/gS 值仿真 1-1379.542.6136816.047.30.7695仿真 1-2384.039.8135315.247.90.7596仿真 1-3609.590.5167224.260.31.1338由表 3 可知：50km/h FRB 试验工况下儿童乘员伤害综合评价函数 S 的值为 1.1338，高于其他两种工况下儿童乘员伤害综合评价函数 S 的值，所以，50km/h FRB 试验工况是 1.5120125岁儿童使用后向式 CRS 时的危险工况。64km/h ODB 试验工况下，后排有成人乘员和没有成人乘员时儿童乘员伤害综合评价函 数 S 的值分别为 0.7596 和 0.7695，该两种工况下 S 值近似相等。所以，成人乘员对于使用 后向式 CRS 的 1.5 岁儿童乘员伤害响应的影响可以忽略。3.2前向式 CRS使用前向式 CRS 的 3 岁儿童假人头部、胸部的综合加速度曲线如图 9 和图 10 所示。其 中，黑线代表 50km/h FRB 试验工况下儿童假人的响应，红线代表带成人假人的 64km/h ODB 试验工况下儿童假人的响应，蓝线代表 64km/h ODB 偏置碰撞工况下儿童假人的响应。根据 仿真计算结果对儿童假人进行伤害数据提取，3 岁儿童假人的主要伤害指标如表 4 所示。1000加速度（m/s2）800600400仿真2-3 仿真2-2 仿真2-1600加速度(m/s2)500400300200仿真3-3 仿真3-2 仿真3-12001000050100150时间(ms)0050100150时间(ms)130图 9 头部综合加速度曲线图 10 胸部综合加速度曲线Fig.9 Head resultant accelerationsFig.10 Chest resultant accelerations表 4 3 岁儿童假人的主要伤害指标Tab.4 3-year-old child dummy main injury indicatorsHIC15Hesd3ms/gFZ/NMY/ N·mChest3ms/gS 值仿真 2-179379.5158318.636.40.9842仿真 2-283584.7163819.838.71.0396仿真 2-398293.8214526.858.31.3326135140由表 4 可知：50km/h FRB 试验工况下儿童乘员伤害综合评价函数 S 的值为 1.3326，高于其他两种工况下儿童乘员伤害综合评价函数 S 的值，所以，50km/h FRB 试验工况是 3 岁 儿童使用前向式 CRS 时的危险工况。64km/h ODB 试验工况下，后排有成人乘员和没有成人乘员时儿童乘员伤害综合评价函 数 S 的值分别为 0.9842 和 1.0396，该两种工况下 S 值近似相等。所以，成人乘员对于使用 前向式 CRS 的 3 岁儿童乘员伤害响应的影响可以忽略。3.3带靠背式增高坐垫使用带靠背式增高坐垫的 6 岁儿童假人头部、胸部的综合加速度曲线如图 11 和图 12所示。其中，黑线代表 50km/h FRB 试验工况下儿童假人的响应，红线代表带成人假人的64km/h ODB 试验工况下儿童假人的响应，蓝线代表 64km/h ODB 偏置碰撞工况下儿童假人的响应。根据仿真计算结果对儿童假人进行伤害数据提取，6 岁儿童假人的主要伤害指标如表 5 所示。400加速度(m/s2)3002001000仿真3-3 仿真3-2 仿真3-1050100150时间(ms)145图 11 头部综合加速度曲线图 12 胸部综合加速度曲线Fig.11 Head resultant accelerationsFig.12 Chest resultant accelerations表 5 6 岁儿童假人的主要伤害指标Tab.5 6-year-old child dummy main injury indicatorsHIC15Hesd3ms/gFZ/NMY/ N·mChest3ms/gS 值仿真 2-139642.29479.727.40.5672仿真 2-248553.698011.532.70.6725仿真 2-354659.7123017.839.80.8278150155由表 5 可知：50km/h FRB 试验工况下儿童乘员伤害综合评价函数 S 的值为 0.8278，高于其他两种工况下儿童乘员伤害综合评价函数 S 的值，所以，50km/h FRB 试验工况是 6 岁 儿童使用带靠背式增高坐垫时的危险工况。64km/h ODB 试验工况下，后排有成人乘员和没有成人乘员时儿童乘员伤害综合评价函 数 S 的值分别为 0.5672 和 0.6725。成人乘员的存在使得 6 岁儿童乘员的伤害响应增大。3.4无靠背式增高垫使用无靠背式增高坐垫的 10 岁儿童假人头部、胸部的综合加速度曲线如图 13 和图 14所示。其中，黑线代表 50km/h FRB 试验工况下儿童假人的响应，红线代表带成人假人的64km/h ODB 试验工况下儿童假人的响应，蓝线代表 64km/h ODB 偏置碰撞工况下儿童假人 的响应。根据仿真计算结果对儿童假人进行伤害数据提取，10 岁儿童假人的主要伤害指标 如表 6 所示。160600500加速度(m/s2）4003002001000仿真4-3 仿真4-2 仿真4-1050100150时间(ms)500加速度(m/s2)4003002001000仿真4-3 仿真4-2仿真4-1050100150时间(ms)图 13 头部综合加速度曲线图 14 胸部综合加速度曲线Fig.13 Head resultant accelerationsFig.14 Chest resultant accelerations表 6 10 岁儿童假人的主要伤害指标Tab.6 10-year-old child dummy main injury indicatorsHIC15Hesd3ms/gFZ/NMY/ N·mChest3ms/gS 值仿真 2-128148.28379.131.50.5462仿真 2-228649.68639.637.00.5883仿真 2-332351.0134012.446.10.7278165170175180185由表 5 可知：50km/h FRB 试验工况下儿童乘员伤害综合评价函数 S 的值为 0.7278，高于其他两种工况下儿童乘员伤害综合评价函数 S 的值，所以，50km/h FRB 试验工况是 10岁儿童使用不带靠背式增高坐垫时的危险工况。64km/h ODB 试验工况下，后排有成人乘员和没有成人乘员时儿童乘员伤害综合评价函 数 S 的值分别为 0.5462 和 0.5883，该两种工况下 S 值近似相等。所以，成人乘员对于使用 不带靠背式增高坐垫的 3 岁儿童乘员伤害响应的影响可以忽略。4结论本文通过计算机仿真分析的手段，建立多工况整车正面碰撞仿真分析模型。经过计算得 到儿童乘员伤害响应，通过对比分析可以总结出以下几点结论：1、对于文中研究的四个年龄阶段的儿童乘员，50km/h FRB 试验工况都是危险工况。2、64km/h ODB 试验工况下，成人乘员的存在仅会使 6 岁儿童乘员伤害响应增大，对 于其他年龄段的儿童乘员伤害响应的影响可以忽略。3、6 岁儿童使用带靠背式增高坐垫和 10 岁儿童使用不带靠背式增高坐垫时，各工况下 的伤害综合评价函数值均小于 1，说明带靠背式增高坐垫对 6 岁儿童乘员有很好的保护效果， 不带靠背式增高坐垫对 10 岁儿童乘员有很好的保护效果。通过多工况整车正面碰撞仿真分析对儿童乘员伤害进行对比分析，得出的上述结论可以 用于进一步分析儿童乘员伤害产生的内在原因，指导后续的儿童乘员约束系统的设计开发工 作。本文的内容限于正面碰撞工况下的儿童乘员伤害研究，而儿童乘员伤害还可能来源于汽 车侧面碰撞、车辆滚翻等工况，并且，随着科学技术的发展，儿童乘员的保护措施也不仅局 限于儿童座椅，所以，汽车儿童乘员伤害还可以从上述角度进行深入分析与探讨。参考文献 (References)1901951 张君媛，周剑，李幸福等.集成式儿童约束系统的研发J.汽车工程，2012，5：452-4562 毕莹.汽车儿童约束系统的 CAE 分析及其设计要求的初步研究D.长春：吉林大学，20093 Qian Wang,Tanya Kapoor,William Altenhof.Use of Rigid and Deformable Child Restraint Seats in FiniteElement Simulations of Frontal CrashesJ.SAE,2006-01-11414 李幸福.基于整车碰撞的儿童约束系统多工况仿真研究D.长春：吉林大学，20125 C-NCAP 管理规程（2012 年版）OL.2011-08.http:/www.c-ncap.org/C-NCAP/index.htm.6 张君媛，毕莹，周剑等.面向欧洲新车评价的汽车正面儿童座椅参数设计J.中国机械工程，2010，4：983-987.7 Jia Hu,Jianyong Ma,Jia Fang.Child Dummies 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