張君媛，周 劍，李幸福，邱少波，李紅建，唐洪斌

(1.吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130025;2.第一汽車集團(tuán)技術(shù)中心，長(zhǎng)春 130011)

前言

目前廣泛使用的分體式兒童安全座椅是一種兒童乘車時(shí)需要使用的獨(dú)立裝置，其種類和固定方式多樣，安裝操作過程較為復(fù)雜，使用時(shí)存在很高的誤用風(fēng)險(xiǎn)，這是造成兒童座椅使用率低的主要原因。此外，現(xiàn)有的兒童乘員法規(guī)僅對(duì)兒童座椅本身進(jìn)行考量，缺少對(duì)整車碰撞工況和與整車匹配的考慮。歐洲兒童乘員法規(guī)(ECER44)也只是對(duì)兒童座椅本身的性能進(jìn)行考核，未考慮其在整車碰撞過程中的表現(xiàn)，在臺(tái)車正面碰撞試驗(yàn)中，脈沖加速度峰值平均不超過25g，而據(jù)統(tǒng)計(jì)實(shí)際交通事故中汽車的平均減速度在30g左右。歐洲研究機(jī)構(gòu)對(duì)兒童相關(guān)的交通事故數(shù)據(jù)調(diào)查也表明，滿足ECER44法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的兒童安全座椅，在實(shí)際交通事故中體現(xiàn)的保護(hù)性能并不理想［1－4］。歐洲新車評(píng)價(jià)規(guī)程(EURO-NCAP)最早將兒童保護(hù)與整車碰撞聯(lián)系到一起，在2009年開始執(zhí)行的新方案中，要求整車進(jìn)行碰撞安全性星級(jí)評(píng)價(jià)時(shí)，兒童保護(hù)性能成為整車必檢項(xiàng)目［5］。

1 工作模式和初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為安全起見，分體式兒童座椅都要求安裝在汽車后排(嬰兒座椅可以安裝在前排，但須反向安裝，并要求乘員側(cè)的安全氣囊處于不觸發(fā)狀態(tài))，本文中選擇某轎車后排座椅中間位置安裝嵌入式兒童約束系統(tǒng)，由于1.5歲以下的兒童乘員需要使用后向式兒童安全座椅，考慮到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，將2～10歲年齡范圍內(nèi)的兒童乘員作為保護(hù)對(duì)象，開發(fā)兩種工作模式。

(1)將后排座椅中間位置的靠背部分向下翻折出來，放在成人座椅的坐墊上，露出隱藏在座椅靠背中的五點(diǎn)式安全帶供2～5歲的兒童乘員使用。該工作模式通過靠背可翻折結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，翻折結(jié)構(gòu)與后排座椅的靠背骨架柔性連接。安全帶肩帶可調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)有穿槽和穿孔的機(jī)構(gòu)，肩部安全帶從穿孔中穿過，機(jī)構(gòu)可上下滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)肩帶位置的調(diào)節(jié)，五點(diǎn)式安全帶的肩帶與卷收器相連，可根據(jù)不同身高和體質(zhì)量的兒童乘員，進(jìn)行肩帶位置的高度和長(zhǎng)度的調(diào)節(jié)。安全帶鎖扣設(shè)計(jì)在可翻折的機(jī)構(gòu)中，并通過機(jī)構(gòu)與座椅靠背相連，工作模式和結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。

(2)將后排座椅中間位置的坐墊部分向上抬起至鎖止位置，配合成人安全帶供6～10歲的兒童乘員使用。坐墊舉升機(jī)構(gòu)采用四連桿的機(jī)構(gòu)原理，通過鎖止鉤卡住滑動(dòng)桿進(jìn)行鎖止。坐墊舉升機(jī)構(gòu)與整車后排座椅下方的地板通過螺栓固緊，工作模式和結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示。

所設(shè)計(jì)的集成式兒童保護(hù)系統(tǒng)嵌入于整車后排座椅之中，坐墊和靠背的型面均受到已有的目標(biāo)車整車后排座椅結(jié)構(gòu)和后排空間的限制，為了能在不使用時(shí)將其隱藏，利用原整車后排座椅的型面，而未單獨(dú)設(shè)計(jì)兒童座椅的型面。從這個(gè)意義上說，其乘坐舒適性遜于分體式兒童座椅。

2 集成式兒童約束系統(tǒng)的CAE分析

本文中以B級(jí)轎車作為約束系統(tǒng)的搭載車型?？紤]該轎車以EURO-NCAP四星級(jí)安全評(píng)價(jià)為目標(biāo)，故集成式兒童約束系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能在滿足ECER44法規(guī)的基礎(chǔ)上，按EURO-NCAP整車正面碰撞四星級(jí)兒童保護(hù)性能的相應(yīng)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)。EURO-NCAP要求在整車碰撞過程中，兒童約束系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)沒有大的變形與破壞，同時(shí)兒童假人的頭部綜合加速度、胸部綜合加速度和胸部Z向加速度的限定值分別設(shè)置為72g～88g、41g～55g和23g～30g。小于最小限值可獲得相應(yīng)評(píng)分項(xiàng)的滿分，大于最大限值則該項(xiàng)評(píng)為零分，傷害值處于最小值與最大值之間則按照一定的標(biāo)準(zhǔn)通過積分計(jì)算得分。

為預(yù)測(cè)集成式兒童約束系統(tǒng)在正面碰撞過程中結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及其對(duì)兒童的保護(hù)性能，通過對(duì)系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和兒童假人傷害響應(yīng)的CAE分析，對(duì)初始設(shè)計(jì)的集成式兒童約束系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)和優(yōu)化?？紤]該車型以下面的4種正面碰撞工況:ECER44法規(guī)、某轎車50km/h剛性墻碰撞、56km/h－40%ODB碰撞和64km/h－40%ODB，其碰撞波形如圖 2所示。其中由于50km/h－剛性墻碰撞波形的峰值最大，載荷條件最為苛刻，故選取該碰撞脈沖作為集成式兒童約束系統(tǒng)的強(qiáng)度分析和兒童假人傷害分析的目標(biāo)工況。

2.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析與改進(jìn)

在整車碰撞過程中，兒童乘員由于慣性和車體減速度的作用整體向前運(yùn)動(dòng)，在安全帶的約束和坐墊的支撐與接觸作用下，其運(yùn)動(dòng)能量得以緩沖分散。該過程兒童約束系統(tǒng)的受力情況由假人的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)決定。假人的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和集成式兒童約束系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變形是兩個(gè)相對(duì)復(fù)雜的過程，目前常采用的方法是將兩者綜合在一起建立耦合模型進(jìn)行分析，其建模過程和計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)［6－8］。

本文中所采用的方法是先建立集成式兒童約束系統(tǒng)的兒童假人運(yùn)動(dòng)響應(yīng)模型，模擬正面碰撞進(jìn)行仿真計(jì)算，獲得主要結(jié)構(gòu)在碰撞過程中的受力情況(即力的時(shí)間歷程曲線)，以此作為強(qiáng)度分析的加載條件，建立主要結(jié)構(gòu)件的有限元模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，并根據(jù)結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的修改，更新結(jié)構(gòu)的有限元模型，重新進(jìn)行仿真計(jì)算驗(yàn)證修改后的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足要求。該方法在節(jié)省建模和計(jì)算時(shí)間的同時(shí)，也能獲得較準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。所建立的兩種工作模式的兒童假人運(yùn)動(dòng)響應(yīng)模型，包括翻折坐墊、成人座椅中間位置的靠背、坐墊、安全帶和P系列兒童假人(3歲、10歲兒童假人)，其中坐墊和靠背等均按照實(shí)際結(jié)構(gòu)與尺寸進(jìn)行設(shè)定。

以50km/h剛性墻碰撞波形為目標(biāo)工況，進(jìn)行兩種工作模式兒童假人運(yùn)動(dòng)響應(yīng)模型的正面碰撞仿真，獲得碰撞過程中主要結(jié)構(gòu)的受力情況，兩種工作模式的仿真動(dòng)畫如圖3所示。

仿真分析發(fā)現(xiàn)，第一種工作模式在碰撞過程中主要的受力位置集中在五點(diǎn)式安全帶相應(yīng)的固定位置，通過仿真計(jì)算輸出安全帶的受力情況，以此作為后續(xù)安全帶固定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的加載條件。第二種工作模式在碰撞過程中主要受力部件是坐墊舉升機(jī)構(gòu)，通過兒童假人運(yùn)動(dòng)響應(yīng)模型的仿真，輸出假人盆骨和左右大腿的受力情況，假人與坐墊的受力關(guān)系是相互作用的，通過計(jì)算假人受到的接觸力，以此為基礎(chǔ)將作用力疊加，作為坐墊舉升機(jī)構(gòu)強(qiáng)度分析的加載條件。輸出的兩種工作模式的主要結(jié)構(gòu)加載條件如圖4所示。

通過兒童假人運(yùn)動(dòng)響應(yīng)仿真計(jì)算輸出的力均是沿x、y、z 3個(gè)方向分力的合力，而在后續(xù)作為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度加載條件時(shí)考慮到工程安全系數(shù)，將力擴(kuò)大到原有的1.2倍;加載時(shí)載荷垂直于坐墊舉升機(jī)構(gòu)上板結(jié)構(gòu)的主平面。建立主要結(jié)構(gòu)件的有限元模型，根據(jù)加載條件對(duì)系統(tǒng)主要部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。

分析發(fā)現(xiàn)第一種工作模式在肩部和腿部安全帶的固定結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)大變形，可以滿足加載條件。第二種工作模式通過坐墊舉升機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度分析，發(fā)現(xiàn)在加載過程中，其鎖止部件發(fā)生破壞導(dǎo)致整個(gè)機(jī)構(gòu)失效，并且坐墊舉升機(jī)構(gòu)上端中間位置由于應(yīng)力集中發(fā)生明顯的變形，如圖5所示。

針對(duì)仿真分析結(jié)果，對(duì)坐墊舉升結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，對(duì)結(jié)構(gòu)的鎖止部件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，對(duì)坐墊上端進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。重新建立強(qiáng)度分析模型，分析結(jié)果如圖6所示。

修改后的坐墊舉升機(jī)構(gòu)在力的加載過程中鎖止可靠，上板結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生大變形，機(jī)構(gòu)整體滿足加載工況的強(qiáng)度要求。

2.2 系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

在保證兒童約束系統(tǒng)動(dòng)態(tài)強(qiáng)度足夠的同時(shí)，系統(tǒng)自身的一些參數(shù)對(duì)兒童假人的傷害也有較大的影響。本文中參考分體式兒童安全座椅的參數(shù)設(shè)計(jì)［2］，建立了集成式兒童約束系統(tǒng)兩種工作模式的假人傷害響應(yīng)模型，并選取坐墊摩擦因數(shù)、安全帶剛度、坐墊剛度和安全帶摩擦因數(shù)等作為優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行DOE(design of experiments)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

將整車50km/h剛性墻碰撞波形作為加載條件，分別計(jì)算兩種工作模式下兒童假人的傷害值，結(jié)果見表1。

表1 基礎(chǔ)模型中兒童假人傷害值

為便于優(yōu)化，將兒童假人頭部綜合加速度、胸部綜合加速度和胸部Z向加速度3項(xiàng)指標(biāo)加權(quán)取和，提出一個(gè)兒童約束系統(tǒng)的評(píng)價(jià)函數(shù)S:

式中:Head3ms為頭部綜合加速度最大值;Chest-R3ms為胸部綜合加速度最大值;Chest-Z3ms為胸部Z向加速度最大值;下標(biāo)3ms為持續(xù)時(shí)間。

S值越小，說明約束系統(tǒng)的保護(hù)性能越好。因此，以S作為目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行使目標(biāo)函數(shù)最小的優(yōu)化。以第一種工作模式為例，通過該種工作模式4參數(shù)3水平的正交試驗(yàn)，得到最優(yōu)參數(shù)組合:安全帶剛度降低12%，安全帶摩擦因數(shù)為0.4，坐墊剛度增加20%，坐墊摩擦因數(shù)為0.5。計(jì)算模型在最優(yōu)參數(shù)組合下3歲兒童傷害值，頭部、胸部和胸部Z向加速度的最大值分別為63.2g、36.4g和15.6g，較優(yōu)化前的傷害值有了明顯改善。將求得的系統(tǒng)最優(yōu)參數(shù)組合帶入到ECER44、整車56km/h偏置和64km/h偏置等3種碰撞工況進(jìn)行系統(tǒng)仿真，結(jié)果表明:最優(yōu)參數(shù)組合使這3種碰撞工況下兒童假人的傷害值均有明顯的降低。

考慮到DOE優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中的試驗(yàn)不能覆蓋全局，求得的僅是理論上的最優(yōu)組合，為保證優(yōu)化結(jié)果對(duì)實(shí)際生產(chǎn)更具指導(dǎo)意義，將優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行一定幅度的調(diào)整，生成各個(gè)區(qū)間內(nèi)隨機(jī)數(shù)據(jù)表，隨機(jī)選擇30組數(shù)據(jù)，進(jìn)行穩(wěn)定性試驗(yàn)，結(jié)果如圖7所示。

圖中直線為DOE中尋得的優(yōu)化解。由圖可見，兒童約束系統(tǒng)評(píng)價(jià)函數(shù)的最大值和最小值與基準(zhǔn)相比差異區(qū)間寬度為5.98%，小于10%，由隨機(jī)模擬的計(jì)算結(jié)果可知，優(yōu)化設(shè)計(jì)點(diǎn)對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)具有穩(wěn)定性，該優(yōu)化設(shè)計(jì)點(diǎn)可以采用。同樣也對(duì)第二種工作模式的基礎(chǔ)模型進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，求得其參數(shù)的最優(yōu)組合，并通過穩(wěn)定性分析驗(yàn)證了優(yōu)化結(jié)果的合理性。

3 系統(tǒng)的臺(tái)車碰撞試驗(yàn)

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)集成式兒童約束系統(tǒng)的性能，試制了兩種模式的兒童約束系統(tǒng)物理樣件，并進(jìn)行了不同工況的8次正面臺(tái)車碰撞模擬試驗(yàn)。圖8為50km/h剛性墻碰撞的臺(tái)車試驗(yàn)。兒童假人傷害試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 兒童假人傷害試驗(yàn)結(jié)果

由表2可見，集成式兒童約束系統(tǒng)兩種工作模式下的正面臺(tái)車碰撞試驗(yàn)中，3歲和10歲兒童假人的傷害值滿足ECER44法規(guī)要求，按照EURO-NCAP標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)分，3歲兒童假人可獲得兒童保護(hù)的滿分，而10歲兒童假人也可獲得高分評(píng)價(jià)。

碰撞試驗(yàn)中獲得的兒童假人傷害值與仿真優(yōu)化結(jié)果的誤差在10%以內(nèi)，這也驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)約束系統(tǒng)的試制具有良好的指導(dǎo)作用。

4 結(jié)論

針對(duì)目前兒童安全座椅存在的操作復(fù)雜、誤用率高等問題，以某B級(jí)轎車為搭載車型，設(shè)計(jì)了一款使用操作簡(jiǎn)便，能夠供不同年齡段兒童乘員使用的集成式兒童約束系統(tǒng)。并且從最初的概念設(shè)計(jì)到最終性能驗(yàn)證的整個(gè)研究流程中，以整車惡劣工況50km/h剛性壁碰撞為目標(biāo)工況，運(yùn)用CAE仿真技術(shù)，進(jìn)行了虛擬設(shè)計(jì)和仿真，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)兒童約束系統(tǒng)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)與參數(shù)優(yōu)化，保證了該系統(tǒng)各項(xiàng)性能滿足目標(biāo)約束，減少了后期試驗(yàn)的反復(fù)過程。所開發(fā)的集成式兒童約束系統(tǒng)使用操作方便，能有效地避免誤用，并且其動(dòng)態(tài)保護(hù)性能可以滿足ECER44法規(guī)要求，并在整車正面碰撞工況下能夠獲得EURO-NCAP兒童保護(hù)的高分評(píng)價(jià)。

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