韓 勇 潘 迪 田豐翼 王 方 黃紅武,2 水野幸治

1.廈門理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院, 廈門,3610242福建省客車及特種車輛研發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心，廈門，3610243.第三軍醫(yī)大學(xué)交通醫(yī)學(xué)研究所,重慶，4000384.名古屋大學(xué)機(jī)械與情報工程研究科, 名古屋，4648603

UN R129側(cè)碰數(shù)值模擬的3歲兒童損傷風(fēng)險研究

韓 勇1,2,3潘 迪1田豐翼1王 方1黃紅武1,2水野幸治4

1.廈門理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院, 廈門,3610242福建省客車及特種車輛研發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心，廈門，3610243.第三軍醫(yī)大學(xué)交通醫(yī)學(xué)研究所,重慶，4000384.名古屋大學(xué)機(jī)械與情報工程研究科, 名古屋，4648603

根據(jù)聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會制定的UN R129法規(guī)兒童約束系統(tǒng)(CRS)臺車側(cè)面碰撞條件，提出了2種臺車側(cè)面碰撞仿真試驗(yàn)方法，并驗(yàn)證了其可行性?；谠撛囼?yàn)方法，采用Q3兒童假人，建立3種不同CRS(五點(diǎn)式-成人安全帶固定(三點(diǎn)式CRS)，五點(diǎn)式-ISOFIX固定，前護(hù)板型-成人安全帶固定)的側(cè)面碰撞數(shù)值分析模型。分析了兒童乘員的運(yùn)動學(xué)響應(yīng)和頭、頸部及胸部的損傷物理參數(shù)。結(jié)果顯示：兒童乘員在不同類型的CRS中的運(yùn)動學(xué)響應(yīng)不同。ISOFIX固定條件下兒童頭部損傷風(fēng)險較大，除三點(diǎn)式CRS約束條件下的兒童乘員損傷物理參數(shù)接近耐受極限值外，其他2種工況下的兒童乘員的胸部合成加速度(3 ms)和上頸部彎矩值均超過兒童乘員耐受極限值，可見在側(cè)面碰撞中兒童乘員的胸部和頸部損傷風(fēng)險較大。

UN R129；側(cè)面碰撞；仿真試驗(yàn)方法；損傷風(fēng)險; 兒童約束系統(tǒng)

0 引言

在交通事故中，汽車側(cè)面碰撞事故的發(fā)生率僅次于正面碰撞，約占事故總數(shù)的26%[1]。側(cè)面碰撞是造成兒童受傷的危險因素之一，16%的兒童乘員交通事故非致命傷由汽車側(cè)面碰撞引起，同時,研究表明兒童乘員在側(cè)面碰撞中的損傷風(fēng)險高于在正面碰撞中的損傷風(fēng)險[2-3]。這一方面是由于車輛側(cè)面碰撞事故的特殊性，另一方面是由于兒童約束系統(tǒng)(CRS)在此方面的保護(hù)性能不足[4]。在我國，每年有超過1.85萬名14歲以下的兒童死于交通安全事故，死亡率是歐洲的2.5倍,美國的2.6倍[5]。人們對兒童乘員保護(hù)的意識相對淡薄，在北京、上海、廣州、濟(jì)南、重慶等5個大城市，CRS的使用率尚不足20%，而全國的平均使用率不足1%[6]。車輛在發(fā)生側(cè)面碰撞時，被撞一側(cè)車門的侵入大大增加了坐在碰撞一側(cè)的兒童乘員受到嚴(yán)重?fù)p傷和致命傷的風(fēng)險[7]。側(cè)面碰撞主要會導(dǎo)致兒童乘員頭部和頸部的嚴(yán)重?fù)p傷, 尤其是靠近碰撞側(cè)位置，較之遠(yuǎn)離碰撞側(cè)位置,兒童具有更高的死亡風(fēng)險[8-9]。由此，在前人研究的基礎(chǔ)上，歐盟在ECE R44/04 CRS法規(guī)的基礎(chǔ)上于2013年頒布了UN R129 新法規(guī)，新法規(guī)中加入了側(cè)面碰撞條件下CRS的測試評價[10-11]。

臺車試驗(yàn)?zāi)軌蚬?jié)約研究成本和縮短周期，對于汽車側(cè)面碰撞中的兒童安全性防護(hù)研究具有重要意義。張金換等[12]根據(jù)UN R129法規(guī),通過組合后碰撞聚氨酯管、橄欖頭，擬合臺車速度曲線調(diào)試波形建立了側(cè)面碰撞臺車試驗(yàn)系統(tǒng)，為我國開展側(cè)面碰撞下的CRS開發(fā)試驗(yàn)研究打下了基礎(chǔ)。在歐洲、美國、日本等汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國家，兒童乘員側(cè)面碰撞安全已被列入法規(guī)體系中，而我國對此的研究剛起步，還沒有制定正式的法規(guī)和試驗(yàn)方法[13]。TAKATA公司開發(fā)了門板固定在臺車上、CRS可自由滑動的側(cè)面碰撞臺車裝置[14]。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織和英國交通研究實(shí)驗(yàn)室共同開發(fā)了基于鉸鏈門結(jié)構(gòu)設(shè)計的側(cè)撞臺車系統(tǒng)[15]。我國的標(biāo)準(zhǔn)與歐洲標(biāo)準(zhǔn)趨向一致，未來我國新的CRS試驗(yàn)也將包含側(cè)面碰撞試驗(yàn)。目前，關(guān)于臺車的正面碰撞試驗(yàn)有限元仿真方法研究雖然有一定的進(jìn)展[16-18]，但由于側(cè)面碰撞法規(guī)尚未實(shí)施，國內(nèi)對臺車側(cè)面碰撞試驗(yàn)的有限元仿真方法的研究還處于摸索階段。

本文基于UN R129法規(guī)臺車試驗(yàn)要求，建立了2種臺車側(cè)面碰撞仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ停Ⅱ?yàn)證了其可行性。基于該試驗(yàn)方法，采用3種不同結(jié)構(gòu)的CRS對側(cè)面碰撞兒童乘員的運(yùn)動學(xué)響應(yīng)及損傷結(jié)果進(jìn)行分析。研究結(jié)果為我國側(cè)面碰撞法規(guī)的完善和兒童乘員保護(hù)及CRS的設(shè)計提供參考。

1 方法與材料

1.1 材料拉伸試驗(yàn)

CRS主要材料為PP塑料,其應(yīng)力應(yīng)變曲線通過微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)和位移引伸計進(jìn)行材料拉伸試驗(yàn)得到，圖1為真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖1 PP塑料真應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1 The true strain-stress curve of the polypropylene

1.2 CRS模型驗(yàn)證

采用3種不同結(jié)構(gòu)的CRS有限元模型分析側(cè)面碰撞中兒童乘員運(yùn)動學(xué)響應(yīng)及損傷風(fēng)險，分別為汽車三點(diǎn)式安全帶固定的五點(diǎn)式背帶型CRS(三點(diǎn)式CRS)、ISOFIX硬接口固定的五點(diǎn)式背帶型CRS(ISOFIX CRS)、汽車安全帶固定的護(hù)板型CRS(護(hù)板型CRS)。假人有限元模型采用歐洲 UN R129法規(guī)中最新的代表3歲兒童的Q3兒童假人有限元模型，根據(jù)UN R129 試驗(yàn)法規(guī)中前碰撞動態(tài)試驗(yàn)方法，建立CRS臺車碰撞仿真模型，如圖2所示。

圖2 CRS臺車碰撞有限元模型Fig.2 The FE model of the CRS sled

圖3為有限元仿真與真實(shí)CRS試驗(yàn)中兒童乘員在90 ms時的運(yùn)動學(xué)響應(yīng)對比圖，Q3兒童假人的運(yùn)動學(xué)響應(yīng)與試驗(yàn)中的機(jī)械假人基本一致。圖4為仿真和試驗(yàn)中兒童乘員的胸部加速度-時間曲線對比，有限元分析得到的胸部加速度曲線和對應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果在脈沖寬度、走向、切線斜率、峰值基本吻合。表1所示為3種CRS中兒童乘員的頭部最大前傾位移量、胸部合成及垂直加速度等損傷參數(shù)的對比，仿真分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果之間的誤差均小于10%。由此，可以認(rèn)為3種CRS的有限元模型是正確有效的，可以作為基礎(chǔ)模型用于后續(xù)兒童乘員安全防護(hù)研究。

(a)三點(diǎn)式CRS (b)ISOFIX CRS (c)護(hù)板型CRS圖3 3種CRS的試驗(yàn)驗(yàn)證Fig.3 The validation of the CRS model

(a)三點(diǎn)式CRS

(b)ISOFIX CRS

(c)護(hù)板型CRS圖4 有限元仿真與試驗(yàn)中兒童乘員胸部加速度對比Fig.4 The comparison of the chest acceleration of dummy in FE simulation and test

表1 仿真與試驗(yàn)中假人損傷參數(shù)Tab.1 The injury parameters of the dummy in FE simulation and test

1.3 門板有限元模型驗(yàn)證

基于UN R129法規(guī)對仿真中的門板有限元模型進(jìn)行驗(yàn)證性分析。建立門板厚度為55 mm、頭槌直徑為150 mm、頭槌質(zhì)量為6 kg的頭槌試驗(yàn)仿真模型。頭槌以4 m/s的速度撞擊門板。輸出的頭槌加速度-時間曲線落在UN R129法規(guī)要求通道內(nèi)，如圖5所示。這表明門板有限元模型材料有效性得到驗(yàn)證，可用于后續(xù)側(cè)面碰撞仿真研究中。

1.上限值58g 2.最大值的下限值53g(11～12 ms)3.下降加速度的上限值(20.5～21.5 ms)4.下降加速度的下限值 (20～21 ms)圖5 頭槌加速度-時間曲線Fig.5 The acceleration of the headform

2 側(cè)面碰撞模型的建立及可行性分析

本文建立了2種臺車側(cè)面碰撞仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑢Ρ确治鰝?cè)面碰撞中CRS防護(hù)性能的可行性。

2.1 采用吸能管裝置的臺車側(cè)面碰撞仿真模型

建立圖6所示的采用吸能管裝置的臺車側(cè)面碰撞試驗(yàn)仿真模型(方法1)。其中，臺車、CRS和Q3兒童假人有限元模型的總質(zhì)量為760 kg。根據(jù)UN R129側(cè)面碰撞試驗(yàn)方法定義臺車、CRS、假人以7 m/s的初始速度一起運(yùn)動，并撞擊吸能管裝置。其中門板通過鋼性梁和剛性墻固定不動。

圖6 采用吸能管裝置的臺車側(cè)面碰撞仿真模型Fig.6 The FE model of the side sled test system using energy-absorbing tube

上述參數(shù)條件下，輸出臺車與門板的相對速度曲線顯示，速度-時間變化曲線未完全符合法規(guī)速度通道的要求。通過分析發(fā)現(xiàn)，臺車質(zhì)量過小，導(dǎo)致碰撞動能不足，速度下降較快。配置一個質(zhì)點(diǎn)增加臺車的質(zhì)量，將臺車、CRS、Q3兒童假人的總質(zhì)量分別設(shè)置為780 kg、800 kg、850 kg、900 kg進(jìn)行有限元分析，得到不同的臺車與門板的相對碰撞中速度-時間變化曲線，如圖7所示。由圖7可知，850 kg和900 kg的有限元仿真分析模型中，臺車速度變化均在法規(guī)要求的速度通道內(nèi)。由此可以確定，通過調(diào)節(jié)臺車碰撞質(zhì)量的方法，采用吸能管裝置的臺車側(cè)面碰撞仿真模型是可行的。

圖7 車與門板的相對速度曲線Fig.7 The relative velocity of the sled and door

2.2 采用速度曲線的臺車側(cè)面碰撞仿真模型

采用方法1對不同質(zhì)量的CRS進(jìn)行分析，重復(fù)性較差，需要不斷調(diào)試模型的總質(zhì)量，對控制速度曲線落在通道內(nèi)有一定的缺陷性，因此，建立圖8所示的采用速度曲線的側(cè)面碰撞臺車試驗(yàn)仿真模型(方法2)。采用方法1中850 kg模型得到的臺車與門板的相對速度曲線，使得CRS和假人以7 m/s的初始速度運(yùn)動并防止其和臺車發(fā)生相對滑動，保證Q3兒童假人模型與實(shí)際試驗(yàn)中的假人運(yùn)動一致。門板保持固定，將方法1中的吸能管裝置取消，模型總質(zhì)量與方法1保持一致，為850 kg。

圖8 采用速度曲線的臺車側(cè)面碰撞仿真模型Fig.8 The side sled test FE model using the velocity curve

0 30 ms 60 ms

90 ms 120 ms 150 ms圖9 兩種方法中Q3兒童假人運(yùn)動學(xué)響應(yīng)對比Fig.9 The kinematic of the Q3 dummy in the two simulation method

為驗(yàn)證方法2的可行性，對兩種方法中CRS和Q3兒童假人的運(yùn)動學(xué)響應(yīng)，以及Q3兒童假人的損傷進(jìn)行對比,如圖9所示。圖9中，左邊為方法1的結(jié)果，右邊為采用方法2的結(jié)果。從圖9中可以看出，兩種方法中Q3兒童假人的運(yùn)動學(xué)響應(yīng)基本保持一致。

在CRS上選取圖10所示的2個位置，分別輸出速度曲線進(jìn)行對比。對比曲線如圖11所示。從圖11可以看出，兩種方法的速度曲線在脈沖寬度、走向、切線斜率、峰值基本一致。

圖10 輸出速度曲線的位置示意圖Fig.10 The point for output the velocity curve

(a)位置1

(b)位置2圖11 位置1、2速度-時間曲線對比Fig.11 The velocity-time curve at the location 1 and 2

選取假人頭部、頸部、胸部的損傷值進(jìn)行對比，得到曲線如圖12所示。從圖12可以看出，兩種方法中兒童假人的損傷曲線的脈沖寬度、走向、切線斜率、峰值基本保持一致。

表2所示為兩種方法中Q3兒童假人的損傷值對比,其中，HPC15為頭部響應(yīng)指標(biāo)，從表2中可以看出，兩種方法中Q3兒童假人有限元模型的損傷參數(shù)誤差均在6%以內(nèi)?？烧J(rèn)為兩種方法得到的損傷物理參數(shù)具有良好的一致性，且兩種方法均是可行的。

(a)頭部合成加速度

(b)胸部合成加速度

(c)頸部彎矩圖12 頭部、胸部、頸部參數(shù)對比Fig.12 The comparison of the injury parameters

表2 Q3兒童假人損傷參數(shù)對比Tab.2 The injury parameters of the Q3 dummy

3 不同約束條件下兒童假人損傷分析

采用經(jīng)過有效性驗(yàn)證的三種不同結(jié)構(gòu)的CRS，使用方法1分析側(cè)面碰撞中不同約束條件下兒童假人的運(yùn)動學(xué)響應(yīng)及損傷風(fēng)險。

3.1 運(yùn)動學(xué)響應(yīng)分析

由圖9可知，在三點(diǎn)式CRS約束條件下，兒童假人隨CRS和臺車一起向左運(yùn)動。在30 ms左右，隨著車門與CRS開始接觸，在慣性作用力下兒童軀干和四肢受到CRS側(cè)翼力的作用，兒童的頭部開始向左側(cè)屈，而后頭部隨上身向右側(cè)運(yùn)動。由于門板傳遞的力主要作用在CRS的底座部分，兒童髖部最先達(dá)到最大位置，與CRS接觸并做回彈運(yùn)動，軀干和四肢由于慣性繞髖部做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。安全帶約束了CRS的底部和上部，使CRS的橫向位移較小，同時五點(diǎn)式背帶約束兒童肩部使頭部約束在CRS的側(cè)翼內(nèi)。兒童的頭部的最大位移為153.5 mm，髖部最大位移為107.5 mm。

圖13為ISOFIX CRS約束條件下兒童假人的運(yùn)動學(xué)響應(yīng)。開始時刻，兒童假人隨CRS和臺車一起向左運(yùn)動。30 ms時隨著車門與CRS接觸后，CRS隨兒童假人一起向右側(cè)移動，CRS與兒童假人的相對位移較小。由于車門與CRS底部開始接觸，兒童髖部和軀干受到CRS力的作用開始向右運(yùn)動。頭部和四肢由于慣性，分別繞軀干和髖部作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。60 ms時刻，頭部向左發(fā)生側(cè)屈的同時還發(fā)生一定的扭轉(zhuǎn)。之后頭部隨軀干向右側(cè)運(yùn)動。CRS受力點(diǎn)集中于CRS底部的ISOFIX上，整個CRS上部運(yùn)動慣性大，兒童假人的頭部最大位移為177.1 mm，髖部最大位移為117.8 mm。

0 30 ms 60 ms

90 ms 120 ms 150 ms圖13 ISOFIX CRS兒童假人運(yùn)動學(xué)響應(yīng)分析Fig.13 The kinematic of the Q3 dummy in ISOFIX CRS

在護(hù)板型CRS約束條件下，兒童運(yùn)動學(xué)響應(yīng)與三點(diǎn)式CRS約束條件下類似，如圖14所示。由于沒有使用五點(diǎn)式背帶，在運(yùn)動過程中，兒童未受到二次約束作用，且門板作用于CRS的力集中在CRS側(cè)翼中部位置，軀干和四肢繞髖部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動不如其他兩種約束條件下劇烈。護(hù)板型CRS尺寸和質(zhì)量較小，運(yùn)動慣性小，使兒童假人頭部位移相對較小。護(hù)板型CRS中,兒童假人的頭部最大位移為148.5 mm，髖部最大位移為62.21 mm。

3.2 損傷物理參數(shù)分析

0 30 ms 60 ms

90 ms 120 ms 150 ms圖14 護(hù)板型CRS兒童假人運(yùn)動學(xué)響應(yīng)分析Fig.14 The kinematic of the Q3 dummy in impact shield CRS

圖15所示為3種不同約束條件下兒童假人的頭部合成加速度曲線?？芍?，3種工況下兒童假人的頭部合成加速度峰值出現(xiàn)的時間集中在0.03～0.05 s之間，此時CRS剛與門板接觸。三點(diǎn)式CRS由于使用汽車安全帶對CRS進(jìn)行柔性固定，在運(yùn)動過程中安全帶吸收了一定的能量，且固定點(diǎn)同時作用于CRS底部和上部，使之運(yùn)動平緩，同時CRS側(cè)翼產(chǎn)生變形也吸收了一定的能量，所以頭部加速度峰值較小。ISOFIX CRS由于使用了滑移裝置，使之在與門板發(fā)生碰撞之后，能量全部由CRS和兒童假人承載，導(dǎo)致兒童頭部合成加速度峰值較大，同時，ISOFIX CRS采用硬接口連接臺車上CRS，受力集中于CRS底部，導(dǎo)致CRS上部慣性大，從運(yùn)動學(xué)響應(yīng)也可看出，頭部發(fā)生側(cè)屈的同時，還發(fā)生了一定的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動。在護(hù)板型CRS中，由于CRS采用了較多的泡沫吸能部件，而且CRS質(zhì)量輕、慣性小，因而傳遞到兒童假人的能量較小，同時由于沒有采用五點(diǎn)式背帶對兒童假人進(jìn)行約束，兒童假人頭部側(cè)屈運(yùn)動較小，從而頭部合成加速度峰值相比于其他兩種工況較小。

圖15 頭部合成加速度曲線Fig.15 Head resultant acceleration

圖16所示為3種不同約束條件下兒童假人的胸部合成加速度曲線。可知，和頭部合成加速峰值發(fā)生的時間類似，3種工況下兒童假人的胸部合成加速度峰值出現(xiàn)的時間集中在CRS與門板開始發(fā)生接觸的時候。三點(diǎn)式CRS由于柔性的固定方式，及CRS側(cè)翼變形吸收了一定的能量，從而胸部加速度較小。ISOFIX CRS采用剛性連接裝置，兒童假人在運(yùn)動過程中上半身慣性大，在運(yùn)動過程中受到五點(diǎn)式背帶的作用力較大，從而導(dǎo)致胸部加速度較大。護(hù)板型CRS雖然質(zhì)量輕慣性小，但是兒童假人與CRS的護(hù)板發(fā)生了碰撞，導(dǎo)致了二次傷害，從而增加了胸部加速度。從圖16中可以看出，ISOFIX CRS與護(hù)板型CRS中的兒童假人胸部合成加速度峰值要明顯大于三點(diǎn)式CRS。

圖16 胸部合成加速度曲線Fig.16 Chest resultant acceleration

(a)頸部拉力

(b)頸部彎矩圖17 頸部拉力和彎矩Fig.17 Neck force and bending moment

圖17所示為3種不同約束條件下兒童假人的頸部拉力和頸部彎矩曲線。觀察可知，三點(diǎn)式CRS約束條件下的兒童假人頸部拉力峰值最大，但是頸部彎曲峰值最小。因?yàn)槿c(diǎn)式CRS上下部受力均勻，兒童假人軀干和髖部一起運(yùn)動，頭部的側(cè)屈運(yùn)動較大，從而導(dǎo)致頸部拉伸力較大，但頭部繞軀干的扭轉(zhuǎn)較小，從而頸部彎曲較小。ISOFIX CRS約束條件下的兒童假人，軀干和頭部相對運(yùn)動較小，因此頸部拉伸力較小，但是由于頭部繞軀干的扭轉(zhuǎn)較大，從而導(dǎo)致頸部彎曲值較大。護(hù)板型CRS約束條件下的兒童假人，頸部損傷情況和ISOFIX CRS約束條件下的兒童假人類似。

對3種工況下兒童假人的頭部合成加速度曲線、頸部拉力曲線、頸部彎矩曲線和胸部加速度曲線進(jìn)行分析，得出表3所示的損傷參數(shù)，ISOFIX CRS約束條件下的兒童假人頭部損傷值較大，均超過兒童乘員損傷耐受極限。側(cè)面碰撞中，除三點(diǎn)式CRS約束條件下的兒童乘員接近損傷耐受極限外，其他兩種工況下的兒童乘員的胸部合成加速度(3 ms)和頸部彎矩值均大大超過兒童乘員耐受極限值，可見側(cè)面碰撞中兒童乘員的胸部和頸部易受到嚴(yán)重?fù)p傷。

表3 Q3兒童假人損傷值對標(biāo)[18]Tab.3 The injury parameters of the Q3 dummy

4 討論

本文建立了兩種側(cè)面碰撞有限元數(shù)值分析方法，并進(jìn)行了有效驗(yàn)證。方法1是根據(jù)UN R129側(cè)面碰撞確定的減速測試系統(tǒng)的試驗(yàn)方法，這種方法相對加速碰撞臺車具有費(fèi)用低、安裝便捷的特點(diǎn)，但是針對不同系列的CRS存在重復(fù)性差、速度變化較難調(diào)試的缺點(diǎn)，而應(yīng)用有限元分析可以提高仿真效率，指導(dǎo)CRS的側(cè)面碰撞安全性結(jié)構(gòu)設(shè)計。方法2可便捷地模擬CRS的側(cè)面碰撞的防護(hù)性能，但比較局限于對CRS本身結(jié)構(gòu)的評價，不如方法1可對整體試驗(yàn)性能進(jìn)行分析，根據(jù)方法1可以進(jìn)一步分析試驗(yàn)中產(chǎn)生的臺車加速度對兒童乘員頸部拉力及胸部加速度的影響，確定臺車加速度對兒童乘員損傷參數(shù)的貢獻(xiàn)度，具有更加廣泛的研究價值。

頭部加速度、頸部彎矩和胸部加速度都是非常重要的控制指標(biāo)。在汽車側(cè)面碰撞交通事故中，側(cè)面碰撞導(dǎo)致頭頸部的相對運(yùn)動可產(chǎn)生較大的彎曲，使兒童乘員的頸部風(fēng)險增加。由此在CRS的側(cè)翼結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，應(yīng)考慮頭頸部的限位結(jié)構(gòu)設(shè)計，如置入具有限制運(yùn)動的柔軟質(zhì)的內(nèi)凹形頭枕和具有吸能特性的側(cè)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計，增加側(cè)面吸能特性，使頭頸部的相對運(yùn)動減小。在ISOFIX CRS中，頭部和胸部加速度相對較高，除了上述的吸能方法，應(yīng)優(yōu)化ISOFIX結(jié)構(gòu)件與CRS底座的連接關(guān)系和力的傳遞路徑，使ISOFIX受到的側(cè)面碰撞力可以向底座和上部本體傳遞，讓CRS整體均勻承載作用力，減小兒童乘員受到的力，降低損傷風(fēng)險。

本文中采用的CRS模型是較早期開發(fā)的，存在一定的局限性，不能完全反映現(xiàn)代CRS的設(shè)計趨勢，現(xiàn)代CRS應(yīng)在滿足法規(guī)的要求下質(zhì)量更小，重要承載力的結(jié)構(gòu)部件可采用高強(qiáng)度鋼或經(jīng)過表面處理的碳鋼，本體的塑性材料可采用加入玻璃纖維的強(qiáng)化塑性，在提高強(qiáng)度的同時，減小CRS的質(zhì)量，同時這也有助于假人損傷指標(biāo)的控制。

5 結(jié)論

(1)本文采用的3種CRS均通過法規(guī)認(rèn)證，在正面碰撞中兒童乘員損傷值均在參考值內(nèi)，但在側(cè)面碰撞中，兒童乘員受傷風(fēng)險較高。同時，在側(cè)面碰撞中，不同CRS中的兒童運(yùn)動學(xué)響應(yīng)不同。

(2)側(cè)面碰撞中，ISOFIX CRS約束條件下的兒童乘員頭部、頸部、胸部受到損傷風(fēng)險均較高。

(3)側(cè)面碰撞中，兒童乘員胸部損傷值和頸部損傷值都超過兒童乘員耐受極限值，說明兒童乘員在側(cè)面碰撞中頸部和胸部易受到嚴(yán)重?fù)p傷。在CRS設(shè)計中應(yīng)更多考慮側(cè)面碰撞安全性的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

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ResearchonInjuryRisksof3Year-oldChildrenUsingNumericalSimulationsofSideImpactsinUNR129

HAN Yong1,2,3PAN Di1TIAN Fengyi1WANG Fan1,2HUANG Hongwu1,2MIZUNO Koji4

1.School of Mechanical and Automobile Engineering, Xiamen University of Technology，Xiamen，F(xiàn)ujian，361024 2.Fujian Collaborative Innovation Center for R&D of Coach and Special Vehicle， Xiamen，F(xiàn)ujian，361024 3.Third Military Medical University, Chongqing，400038 4.Department of Mechanical Science and Engineering，Nagoya University, Nagoya，4648603

According to the side impact conditions of UN R129 children restraint system, 2 kinds of simulation test methods were developed and the feasibility was verified. Based on the validated test method, the numerical simulation of side impacts in 3 different restraint systems (five-point-car seat belt, five-point-ISOFIX and shield-car seat belt) with Q3 child FE dummy model was adopted. The kinematic response of the child occupants and the physical parameters of head, neck and thorax were analyzed. The results show that the child occupant kinematics is different in various types of CRS. The injury physical parameters of child head in the ISOFIX CRS are the highest. Chest acceleration (3 ms) and neck bending moment value of child occupants in the ISOFIX CRS and shield CRS are much higher than children’s injury tolerance limit. The chest and neck of a child occupant in a side impact are subjects to high injury risks.

UN R129；side impact；test simulation method; injury risk； child restraint system(CRS)

U463.212

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.23.008

2016-11-14

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51675454);福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2016J01748);2015年“福建省高校杰出青年科研人才培育計劃”(閩教科[2015]54號);國家外專局高端外國專家團(tuán)隊資助項(xiàng)目(GDT20143600027)

(編輯袁興玲)

韓勇，男，1984年生。廈門理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院副教授。主要研究方向?yàn)槠嚺鲎舶踩?、兒童乘員保護(hù)、人體損傷生物力學(xué)等。E-mail:yonghan@xmut.edu.cn。潘迪，男，1992年生。廈門理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院碩士研究生。田豐翼，男，1993年生。廈門理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院碩士研究生。王方，男，1983年生。廈門理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院講師。黃紅武，男， 1959年生。廈門理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。水野幸治，男，1963年生。日本名古屋大學(xué)機(jī)械與情報工程研究科教授、博士研究生導(dǎo)師。