朱宜燦 錢宇彬 肖凌云 王琰 劉凱

（1.上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 201620；2.國家質(zhì)檢總局缺陷產(chǎn)品管理中心，北京 100020；3.國家機(jī)動(dòng)車產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，上海 201805）

主題詞：偏置碰撞 兒童安全座椅 臺(tái)車試驗(yàn)

1 前言

隨著兒童約束系統(tǒng)的日益推廣，兒童乘車安全得到很大的改善，但交通事故仍是導(dǎo)致0～14歲兒童死亡的主要原因之一[1-2]。動(dòng)態(tài)試驗(yàn)是評(píng)價(jià)兒童約束系統(tǒng)安全性能的重要方式，其結(jié)果將直接決定約束系統(tǒng)的性能優(yōu)劣[3-4]。目前，常見的兒童約束系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法主要有 Euro-NCAP、ADAC、J-NCAP 和 C-NACP，Euro-NCAP增加了40%偏置碰撞下的兒童約束系統(tǒng)安全性能的評(píng)價(jià)，而其它評(píng)價(jià)方法只關(guān)注了全正面碰撞下的保護(hù)效果。

文獻(xiàn)[5]通過仿真探討了偏置碰撞工況下兒童約束系統(tǒng)的保護(hù)效果，本文基于該文獻(xiàn)中仿真方法，從實(shí)際事故數(shù)據(jù)出發(fā)，進(jìn)行了3歲兒童乘員在40%偏置碰撞下的臺(tái)車試驗(yàn)方法研究，為偏置碰撞狀態(tài)下兒童約束系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)提供技術(shù)基礎(chǔ)。

2 兒童交通事故統(tǒng)計(jì)分析

兒童交通事故數(shù)據(jù)樣本來自國家車輛事故深度調(diào)查體系數(shù)據(jù)庫（NAIS）[5]，共篩選樣本62個(gè)，涉及乘用車62輛，兒童乘員67名。其中使用兒童約束系統(tǒng)的僅有1例，傷亡總數(shù)為33人。以下將從碰撞重疊率、碰撞速度來探討兒童乘員傷害特征。

2.1 碰撞重疊率及等效壁障速度

2.1.1 碰撞重疊率

參考國際現(xiàn)有正面碰撞形式[6]，將碰撞重疊率分為4大類進(jìn)行研究，分別為0～25%的小偏置碰撞、25%～50%的偏置碰撞、50%～75%的偏置碰撞及75%～100%的大重疊碰撞。在62輛事故車輛中，4種碰撞重疊率的事故車輛數(shù)分別達(dá)到16輛、25輛、4輛和17輛，如圖1所示。其中占比最高的碰撞重疊率類型為25%～50%，其發(fā)生頻率達(dá)40.3%，即偏置碰撞在實(shí)際交通事故中占比非常高；其次為75%～100%，其發(fā)生頻率達(dá)27.4%。

圖1 汽車碰撞重疊率分布示意

2.1.2 等效壁障速度

根據(jù)正面碰撞相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，碰撞車速與交通事故中根據(jù)車輛變形量計(jì)算出的等效壁障速度相當(dāng)[7]。其中，涉及兒童乘員的交通事故等效壁障速度分布如圖2所示。由圖2可看出，速度在50 km/h左右的事故最多，共12例，速度在60 km/h以下的事故占54.8%；速度在80 km/h以下的事故占80.6%。

圖2 汽車碰撞等效壁障速度分布

2.2 兒童乘員傷害特征

兒童乘員傷亡信息主要包括受傷部位（頭部、頸部、胸部、腹部以及下肢等）、受傷程度（按基于人體解剖學(xué)的簡明傷害評(píng)分AIS（Abbreviated Injury Scale）標(biāo)準(zhǔn)分為AIS0～AIS6共6個(gè)等級(jí)，等級(jí)越高傷害越嚴(yán)重）和致死原因（顱腦損傷、呼吸系統(tǒng)衰竭、創(chuàng)傷失血性休克和交通事故復(fù)合傷）等[8]。將兒童乘員的傷害特征及致死原因按碰撞類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖3和圖4所示。

圖3 兒童乘員傷害特征與碰撞類型關(guān)系

圖4 兒童乘員致死原因與碰撞類型關(guān)系

由圖3可看出，當(dāng)碰撞重疊率為25%～50%時(shí)，兒童乘員的傷亡人數(shù)最多，比例達(dá)38.8%，其次為75%～100%的大重疊碰撞，兒童乘員的傷亡比例達(dá)28.4%；

由圖4可看出，偏置碰撞情況下兒童乘員因交通事故復(fù)合傷死亡的事故數(shù)量較多，在75%～100%大重疊率碰撞時(shí)，兒童乘員因頭部或胸部受到致命傷害的事故數(shù)量較多；

綜上所述，大部分兒童乘員傷害事故重疊率分布在25%～50%以及75%～100%區(qū)間，在國際現(xiàn)行的正面碰撞試驗(yàn)方法中，100%剛性固定壁障碰撞試驗(yàn)可有效代替75%～100%重疊率的交通事故，40%偏置可變形壁障碰撞試驗(yàn)可有效代替25%～50%重疊率的交通事故。目前兒童約束系統(tǒng)的研究重點(diǎn)主要在全正面碰撞這一方面，故將對(duì)兒童安全座椅在偏置碰撞下的臺(tái)車試驗(yàn)方法進(jìn)行研究。

3 兒童安全座椅40%偏置碰撞實(shí)車試驗(yàn)

為獲取兒童乘員在偏置碰撞下的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)及傷害特征，選取國內(nèi)某一車型作為實(shí)車試驗(yàn)車輛，參考GB 27887-2011《機(jī)動(dòng)車兒童乘員用約束系統(tǒng)》及參考文獻(xiàn)[9]，配置兒童安全座椅與假人模型，據(jù)此在試驗(yàn)車輛上安裝安全座椅與Q3兒童假人，如圖5所示。參考C-NCAP偏置碰撞具體試驗(yàn)過程[10]，在64 km/h、40%偏置碰撞試驗(yàn)工況下進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)主要采集Q3兒童假人各部位具體傷害值以及假人的運(yùn)動(dòng)過程。

4 兒童安全座椅40%偏置碰撞臺(tái)車試驗(yàn)

4.1 仿真模型建立及驗(yàn)證

對(duì)實(shí)車試驗(yàn)所用兒童安全座椅進(jìn)行三維掃描，建立了兒童約束系統(tǒng)臺(tái)車試驗(yàn)CAE模型，如圖6所示。

圖5 實(shí)車試驗(yàn)兒童安全座椅和假人安裝位置

圖6 兒童約束系統(tǒng)臺(tái)車試驗(yàn)CAE模型

該模型主要包括標(biāo)準(zhǔn)座椅模型、兒童安全座椅有限元模型及5點(diǎn)式安全帶模型，并采用MADYMO假人庫中的Q3兒童假人進(jìn)行仿真過程中損傷指標(biāo)的測(cè)量。

運(yùn)用該模型進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)符合性測(cè)試仿真，并將兒童假人頭部位移情況和關(guān)鍵部位動(dòng)力學(xué)曲線與實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)標(biāo)，仿真和試驗(yàn)的頭部位移Dh變化對(duì)比如圖7所示，頭部3ms合成加速度ah、胸部3ms合成加速度ac曲線對(duì)比如圖8所示。

圖7 頭部位移變化對(duì)比

圖8 關(guān)鍵部位動(dòng)力學(xué)響應(yīng)曲線對(duì)比

由圖7可看出，仿真過程中假人頭部最大位移量與試驗(yàn)相比相對(duì)滯后，但總體變化趨勢(shì)一致，故認(rèn)為仿真過程中頭部前向位移量與試驗(yàn)的一致性較高。

由圖8可看出，仿真與試驗(yàn)的峰值及曲線走勢(shì)較為一致，誤差均在10%內(nèi)，表明臺(tái)車試驗(yàn)CAE模型可有效模擬臺(tái)車試驗(yàn)。

4.2 仿真參數(shù)確定

以對(duì)標(biāo)后的臺(tái)車試驗(yàn)CAE模型為基礎(chǔ)，將標(biāo)準(zhǔn)座椅正下方的中心點(diǎn)作為旋轉(zhuǎn)中心，繞Z軸旋轉(zhuǎn)γ（取值8°、10°、12°）角度，以駕駛員側(cè)B柱與C柱之間門檻梁中心點(diǎn)處X方向的加速度波形為基礎(chǔ)，取其絕對(duì)值，將縮放比例值記為β，按β取值（85%、80%、75%、70%）的不同進(jìn)行縮放，具體仿真加速度波形如圖9所示，共設(shè)計(jì)了12種仿真方案，具體仿真序列如表1所列。對(duì)試驗(yàn)用加速度波形幅值進(jìn)行縮放，仿真初速度與臺(tái)車試驗(yàn)初速度相同，均為64km/h。

圖9 仿真加速度波形

表1 仿真方案

4.3 仿真結(jié)果

12種方案Q3假人關(guān)鍵部位仿真結(jié)果與實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，包括兒童假人的頭部3ms合成加速度ah、胸部3ms合成加速度ac、頸部彎矩My、頭部傷害指標(biāo)HIC （Head Injury Criterion）。由表2可知，方案5與實(shí)車試驗(yàn)假人傷害情況更接近，頭部HIC相差0.3%，頭部ah相差4.9%，胸部ac相差4.8%，頸部My相差7.2%，擬合度較高。

表2 實(shí)車試驗(yàn)及各方案仿真結(jié)果

兒童假人關(guān)鍵部位動(dòng)力學(xué)響應(yīng)曲線對(duì)比如圖10所示，由圖10可看出，仿真結(jié)果與實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高，在峰值、走勢(shì)、脈寬各方面都有較好的一致性，故將偏置碰撞臺(tái)車試驗(yàn)條件定為：標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)座椅旋轉(zhuǎn)10°，加速度波形取假人側(cè)B柱與C柱門檻梁X向加速度的80%。

4.4 臺(tái)車試驗(yàn)結(jié)果

重新使用同款兒童安全座椅，按照臺(tái)車試驗(yàn)邊界條件進(jìn)行臺(tái)車試驗(yàn)，臺(tái)車加速度波形及速度波形如圖11所示。

圖10 兒童假人關(guān)鍵部位動(dòng)力學(xué)響應(yīng)曲線對(duì)比

圖11 臺(tái)車加速度波形及速度波形

對(duì)實(shí)車試驗(yàn)及臺(tái)車試驗(yàn)中假人關(guān)鍵部位的傷害值進(jìn)行對(duì)比分析，如表3所示，臺(tái)車試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性，Q3兒童假人關(guān)鍵部位傷害值相差不大，誤差在11%以內(nèi)。

表3 實(shí)車試驗(yàn)與臺(tái)車試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

臺(tái)車試驗(yàn)與實(shí)車試驗(yàn)中假人運(yùn)動(dòng)過程對(duì)比如圖12所示，由圖12可看出，臺(tái)車試驗(yàn)中假人的運(yùn)動(dòng)過程與實(shí)車試驗(yàn)具有較高的一致性。

圖12 臺(tái)車試驗(yàn)與實(shí)車試驗(yàn)中假人運(yùn)動(dòng)過程對(duì)比

兒童假人關(guān)鍵部位動(dòng)力學(xué)響應(yīng)對(duì)比如圖13所示，由圖13可看出，臺(tái)車試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高，在峰值、走勢(shì)、脈寬各方面都有較好的一致性，故此臺(tái)車試驗(yàn)方法可有效復(fù)現(xiàn)偏置碰撞實(shí)車試驗(yàn)。

圖13 兒童假人關(guān)鍵部位動(dòng)力學(xué)曲線對(duì)比

5 結(jié)束語

在偏置碰撞時(shí)，根據(jù)兒童安全座椅實(shí)車碰撞和仿真試驗(yàn)結(jié)果，探討了其臺(tái)車試驗(yàn)可行性，在選定的臺(tái)車試驗(yàn)條件下，臺(tái)車試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)車試試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性，Q3兒童假人關(guān)鍵部位傷害值相差不大，誤差在10%以內(nèi)。從臺(tái)車試驗(yàn)與實(shí)車試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比來看，此臺(tái)車試驗(yàn)方法可有效復(fù)現(xiàn)偏置碰撞實(shí)車試驗(yàn)。