李海巖，李 健，崔世海，賀麗娟，阮世捷，呂文樂(lè)

（天津科技大學(xué)，現(xiàn)代汽車安全技術(shù)國(guó)際聯(lián)合研究中心，天津 300222）

前言

隨著汽車保有量的不斷增加，交通事故已成為導(dǎo)致兒童受傷及死亡的主要原因。歐洲的有關(guān)數(shù)據(jù)表明，側(cè)面碰撞是汽車交通事故中發(fā)生概率較高的一種形式，占所有碰撞事故的30%以上，僅次于正面碰撞，但側(cè)面碰撞造成的財(cái)產(chǎn)損失卻是最嚴(yán)重的［1］。美國(guó)死亡分析報(bào)告系統(tǒng)（FARS）指出，因乘坐于汽車后排死亡的1～8歲兒童乘員中，側(cè)面碰撞事故占到42%［2］。側(cè)面碰撞過(guò)程中，乘員身體的橫向位移導(dǎo)致與車輛內(nèi)飾的接觸是造成損傷的主要原因［3］。因此，對(duì)乘員進(jìn)行適當(dāng)約束，降低其橫向位移是防止損傷的有效方法。而對(duì)于不適合使用成人三點(diǎn)式安全帶的兒童乘員，安全座椅在側(cè)面碰撞過(guò)程中的保護(hù)效果受到越來(lái)越多的關(guān)注。

臨床研究數(shù)據(jù)表明，側(cè)面碰撞過(guò)程中，無(wú)論兒童乘員處于何種約束狀態(tài)，兒童受傷的嚴(yán)重程度主要取決于他的座位位置，近碰撞側(cè)兒童受到的傷害要比在后排中心位置和遠(yuǎn)碰撞側(cè)的更為嚴(yán)重［4］。即使被約束在安全座椅中，近碰撞側(cè)兒童受到致命損傷風(fēng)險(xiǎn)的概率是坐在中心位置的2.5倍［5］。因此，對(duì)于側(cè)面碰撞過(guò)程中兒童乘員保護(hù)的研究，近碰撞側(cè)顯得尤為重要。

側(cè)面碰撞過(guò)程中，頭部損傷是導(dǎo)致近碰撞側(cè)兒童受傷或死亡的主要原因之一，雖然安全座椅的設(shè)計(jì)是為了保護(hù)汽車中的兒童乘員，但其減輕傷害的有效性取決于安全座椅設(shè)計(jì)的合理性［6］。Brown等［7］認(rèn)為兒童安全座椅有側(cè)翼結(jié)構(gòu)時(shí)，可以有效防止車門入侵和頭部直接碰撞引起的損傷。Kapoor等［8］研究表明，側(cè)面碰撞過(guò)程中，在安全座椅中添加矩形截面吸能泡沫時(shí)，可以降低假人頭部橫向位移44 mm。Arbogast等［9］認(rèn)為最理想的降低側(cè)撞損傷對(duì)策是減少撞擊時(shí)向乘員傳遞的能量，但通過(guò)改進(jìn)車門結(jié)構(gòu)來(lái)降低車門的峰值速度在設(shè)計(jì)中難以實(shí)現(xiàn)，增加填充物不失為一種好的方法。因此，本文中將已驗(yàn)證的6歲兒童有限元模型作為主要研究對(duì)象，根據(jù)ECE R129法規(guī)模擬汽車的側(cè)面碰撞，對(duì)比分析在安全座椅中填充不同材料的吸能泡沫墊對(duì)頭部的保護(hù)效果。

1 材料與方法

1.1 6歲兒童有限元模型

采用的6歲兒童有限元模型由天津科技大學(xué)損傷生物力學(xué)與車輛安全中心構(gòu)建，其頭部、頸部、胸腹部和下肢等部位已分別通過(guò)重構(gòu)尸體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了有效性。模型中所有單元均采用共節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，共計(jì)751 510個(gè)節(jié)點(diǎn)和737 729個(gè)單元，其中包括540 508個(gè)體單元、197 221個(gè)殼單元。6歲兒童有限元模型及其頭部詳細(xì)解剖學(xué)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

1.2 吸能泡沫

泡沫塑料作為一種多相材料，由于基體材料和孔隙微觀結(jié)構(gòu)的不同，其性能往往差別很大［10］。作為理想的吸能材料，泡沫結(jié)構(gòu)不僅要能夠吸收大量的動(dòng)能，還要確保不會(huì)對(duì)頭部傳遞過(guò)大作用力。本文中選取兩種常用的泡沫材料聚氨酯泡沫（PU）和聚苯乙烯泡沫（EPS）來(lái)研究其吸能效果。聚氨酯泡沫（PU）作為一種低密度泡沫材料，常用于汽車座椅和靠墊，彈性模量E＝0.1 MPa，密度ρ＝43 kg／m3，泊松比μ＝0.3，其材料特性根據(jù)頭部模型跌落實(shí)驗(yàn)求得［11］；聚苯乙烯泡沫（EPS）常用于頭盔襯墊和產(chǎn)品包裝中，其材料強(qiáng)度較差，但具有很好的吸能特性，彈性模量E＝12 MPa，密度ρ＝32 kg／m3，泊松比μ＝0.01［12］。兩種泡沫的應(yīng)力應(yīng)變曲線見(jiàn)圖2。

圖2 兩種泡沫材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線

1.3 側(cè)面碰撞仿真模型的建立

圖3為側(cè)面碰撞仿真模型。6歲兒童分別被約束在未填充和填充了泡沫的兒童安全座椅中，根據(jù)ECE R129法規(guī)中側(cè)面碰撞動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)及其相應(yīng)要求進(jìn)行加載。初始碰撞速度為25 km／h，減速度脈沖曲線如圖4所示［13］。汽車座椅與門板之間的間距為230 mm，泡沫厚度設(shè)置為30 mm。

2 仿真結(jié)果

圖3 側(cè)面碰撞仿真模型

圖4 減速度脈沖曲線

2.1 頭部性能指標(biāo)HPC

ECE R129法規(guī)中用（HPC head performance criterion）作為一項(xiàng)評(píng)價(jià)頭部損傷情況的綜合指標(biāo)，該指標(biāo)是通過(guò)對(duì)大量的人體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得出的，其表達(dá)式為

式中：a為頭部質(zhì)心合加速度值，以重力加速度g（g＝9.8 m／s2）來(lái)測(cè)量；t1、t2分別為頭部與撞擊物開(kāi)始接觸和結(jié)束接觸的時(shí)間間隔，為方便衡量損傷情況，一般選取其時(shí)間間隔為15 ms。

圖5給出了在局部坐標(biāo)系下，兒童頭部質(zhì)心合加速度隨時(shí)間變化的曲線。從圖5中可以看出，當(dāng)填充泡沫材料分別為PU和EPS類型時(shí)，加速度最大值分別為41.03g和58.41g，最大值分別出現(xiàn)在第38和30 ms。當(dāng)安全座椅沒(méi)有填充泡沫時(shí)，頭部質(zhì)心合加速度最大值達(dá)到122.5g，其最大值出現(xiàn)在第42 ms。根據(jù)頭部質(zhì)心合加速度曲線和式（1）計(jì)算可得，PU、EPS和無(wú)泡沫的HPC（15）值分別為95.40、69.90和250.57。

圖5 頭部質(zhì)心合加速度曲線

2.2 腦組織Von Mises應(yīng)力、顱內(nèi)壓、剪切應(yīng)力和最大主應(yīng)變

圖6所示為3種不同仿真條件下腦組織Von Mises應(yīng)力出現(xiàn)最大值時(shí)的分布云圖。其中腦組織Von Mises應(yīng)力最大值出現(xiàn)在胼胝體。從圖6（b）和圖6（c）中還可以看出，Von Mises應(yīng)力在左右顳葉部位出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，并以顳葉為中心向外逐漸減小，在腦組織前額頂葉和枕葉部位出現(xiàn)最小值，且腦組織兩側(cè)呈現(xiàn)出很好的對(duì)稱分布現(xiàn)象。當(dāng)泡沫材料為PU時(shí)，腦組織的Von Mises應(yīng)力云圖分布不是很對(duì)稱，在腦組織頂葉部位出現(xiàn)最小值。圖中Von Mises應(yīng)力的最大值分別為3.85、8.54和25.64 kPa。

圖7為腦組織顱內(nèi)壓梯度云圖。從圖7中可以看出，腦組織的顱內(nèi)壓呈現(xiàn)梯度分布現(xiàn)象，在撞擊側(cè)的顳葉部位表現(xiàn)出最大值，在對(duì)撞側(cè)的顳葉部位出現(xiàn)最小值，且為顱內(nèi)負(fù)壓。3個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)中撞擊側(cè)顱內(nèi)壓的最大值分別為55.7、121.9和276.9 kPa，此時(shí)對(duì)應(yīng)的對(duì)撞側(cè)最大顱內(nèi)負(fù)壓分別為-28.14、-75.93和-264.4 kPa。

圖8所示為腦組織剪切應(yīng)力出現(xiàn)最大值時(shí)刻的應(yīng)力分布云圖，與顱內(nèi)壓不同的是剪切正應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在對(duì)撞側(cè)的顳葉部位，并由對(duì)撞側(cè)向撞擊側(cè)逐漸減小，在撞擊側(cè)出現(xiàn)最大剪切負(fù)應(yīng)力，并呈現(xiàn)出較好的梯度分布現(xiàn)象。圖中剪切正應(yīng)力的最大值分別為28.58、76.29和156.5kPa，剪切負(fù)應(yīng)力的最大值分別為-54.77、-120.75和-189.6 kPa。

圖6 腦組織Von Mises應(yīng)力云圖

圖7 腦組織顱內(nèi)壓梯度云圖

圖8 腦組織剪切應(yīng)力云圖

2.3 泡沫內(nèi)能變化

圖9給出了兩種不同材料泡沫的內(nèi)能隨時(shí)間變化的曲線。兩種泡沫的內(nèi)能均從28 ms時(shí)刻開(kāi)始變化，其中PU泡沫兩次峰值出現(xiàn)的時(shí)刻均晚于EPS泡沫，且脈寬持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。PU泡沫中兩次峰值的出現(xiàn)時(shí)刻分別為38和132 ms，泡沫內(nèi)能的最大值為7 140.05 mJ；EPS泡沫的兩次峰值出現(xiàn)時(shí)刻分別為30和124 ms，且兩次波峰值相差不大，泡沫內(nèi)能的最大值為4 775.02 mJ。

圖9 泡沫內(nèi)能變化曲線

2.4 接觸力

圖10給出了頭部與泡沫接觸力隨時(shí)間變化的曲線。從圖中可以看出，PU泡沫接觸力峰值的出現(xiàn)時(shí)間要晚于EPS泡沫，且脈寬持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。PU泡沫中兩次接觸力峰值的出現(xiàn)時(shí)刻分別為38和132 ms，最大值為1 060.31 N；EPS泡沫中的兩次接觸力峰值出現(xiàn)時(shí)刻分別為30和124 ms，且第一次接觸力峰值要略大，最大接觸力為2 256.33 N。

圖10 頭部和泡沫接觸力變化曲線

3 討論

汽車側(cè)面碰撞事故中，由于車門的入侵和乘員的橫向位移，乘員頭部顳頂葉部位常與車輛內(nèi)飾發(fā)生接觸，導(dǎo)致側(cè)面碰撞的損傷風(fēng)險(xiǎn)要高于正面碰撞。雖然已知兒童乘員在側(cè)面碰撞中受傷的風(fēng)險(xiǎn)很大，但從生物力學(xué)角度講，由于其身高、體質(zhì)量與成年人有很大的差異，關(guān)于兒童乘員具體的傷害信息很少，因此，對(duì)側(cè)面碰撞中兒童乘員的保護(hù)進(jìn)行討論研究是必要的。

當(dāng)安全座椅中未添加泡沫時(shí)，頭部質(zhì)心合加速度最大值出現(xiàn)在頭部與安全座椅頭枕發(fā)生初始碰撞時(shí)刻。由于沒(méi)有泡沫的緩沖作用，頭部和頭枕短暫接觸之后立刻被彈回，而軀干在慣性力的作用下繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，在頸部剪切力的作用下，頭部再次和頭枕碰撞，此時(shí)頭部速度已趨于緩和，故第二次波峰值較低。從圖5中可以看出，PU泡沫和EPS泡沫中加速度值均從26 ms時(shí)刻開(kāi)始突變，此時(shí)頭部開(kāi)始與泡沫接觸，隨著泡沫的壓縮和反彈，頭部加速度值先增加后減小，當(dāng)泡沫壓縮量達(dá)到最大時(shí)刻，加速度值出現(xiàn)波峰。雖然EPS泡沫中頭部加速度最大值要大于PU泡沫，但由于PU泡沫與頭部的接觸時(shí)間更長(zhǎng)，其加速度曲線脈寬更大，導(dǎo)致HPC值要略大于EPS泡沫。EPS泡沫中頭部合加速度在124 ms出現(xiàn)第二次波峰，此時(shí)頭部對(duì)安全座椅中另一側(cè)泡沫的壓縮量達(dá)到最大，其加速度值略小于第一次波峰。顯然，當(dāng)安全座椅中添加泡沫時(shí)能顯著降低頭部最大加速度和HPC值，但由于兩種泡沫中HPC值和頭部加速度最大值不是成正比關(guān)系，因此單從HPC值無(wú)法判斷哪種泡沫的保護(hù)效果更好。

作為一種當(dāng)量應(yīng)力，Von Mises應(yīng)力可以很好地反映出大腦的損傷情況，通常用來(lái)衡量腦震蕩的嚴(yán)重程度。3個(gè)仿真中Von Mises應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在胼胝體，說(shuō)明胼胝體仍然是腦組織中最容易受到損傷的部位［14］。安全座椅中未添加泡沫時(shí)，頭部顳葉部位直接與安全座椅側(cè)翼頭枕部位碰撞，由于側(cè)翼材料剛度較大且外面只包裹了一層薄膜結(jié)構(gòu)，故腦組織的Von Mises應(yīng)力值較大，根據(jù)Baumgartner等［15］的研究結(jié)果，此時(shí)可能會(huì)引起輕微腦震蕩。

不同于正面碰撞，側(cè)面碰撞過(guò)程中頭部沿冠狀面旋轉(zhuǎn)角度較小，腦組織主要受到線性加速度的作用，最大顱內(nèi)壓出現(xiàn)在頭部與座椅頭枕或泡沫接觸的部位。發(fā)生撞擊時(shí)，撞擊側(cè)顱骨產(chǎn)生凹陷變形，腦組織受到顱骨的擠壓作用產(chǎn)生正壓力，隨著頭部的運(yùn)動(dòng)，壓力波開(kāi)始由撞擊側(cè)向?qū)ψ矀?cè)傳遞，從而在腦組織內(nèi)呈現(xiàn)出很好的梯度分布現(xiàn)象。

當(dāng)頭部線性加速度較大時(shí)，腦組織不同部位的壓力梯度不同，會(huì)在腦組織內(nèi)產(chǎn)生局部剪切變形，由于腦挫傷和腦組織的剪切變形有關(guān)，因此剪切應(yīng)力通常也用來(lái)衡量腦挫傷的嚴(yán)重程度［16］。當(dāng)頭部與安全座椅碰撞時(shí)，腦組織在撞擊側(cè)受到擠壓作用，對(duì)撞側(cè)受到拉伸作用。從圖8中可以看出，腦組織剪切應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在顳葉部位，也即碰撞過(guò)程中腦組織擠壓和拉伸最為嚴(yán)重的部位，但同一個(gè)仿真中，腦組織撞擊側(cè)剪切負(fù)應(yīng)力最大值要大于對(duì)撞側(cè)剪切正應(yīng)力。

從圖6～圖8可以看出，當(dāng)安全座椅中未添加吸能泡沫時(shí)，腦組織的Von Mises應(yīng)力、顱內(nèi)壓和剪切應(yīng)力等值要遠(yuǎn)大于添加了吸能泡沫的仿真值，這說(shuō)明在安全座椅中添加吸能泡沫可以有效降低顱腦損傷。但對(duì)比PU和EPS兩種泡沫對(duì)腦組織的保護(hù)效果可知，填充PU泡沫的仿真中，各項(xiàng)腦組織的參數(shù)值均低于EPS泡沫，進(jìn)一步證明PU泡沫對(duì)頭部的保護(hù)效果要優(yōu)于EPS泡沫。

從圖9看出，兩種泡沫的內(nèi)能均從28 ms時(shí)刻開(kāi)始變化，此時(shí)頭部剛開(kāi)始與泡沫接觸。隨著頭部的運(yùn)動(dòng)，泡沫不斷被壓縮并將頭部的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為泡沫內(nèi)能，當(dāng)壓縮量最大時(shí)，泡沫吸收的內(nèi)能也達(dá)到最大值。然后泡沫開(kāi)始隨著頭部的彈回而回彈，并逐步釋放其吸收的內(nèi)能，直至頭部和泡沫完全分離，此時(shí)泡沫回彈到其初始狀態(tài)，內(nèi)能不再發(fā)生變化。當(dāng)頭部被反彈后與安全座椅中另一側(cè)的泡沫碰撞時(shí)，泡沫內(nèi)能再次發(fā)生變化。對(duì)比圖9和圖10中曲線可知，頭部和泡沫之間的接觸力和泡沫內(nèi)能的變化趨勢(shì)幾乎保持一致，當(dāng)泡沫壓縮量最大時(shí)，兩者之間的接觸力也達(dá)到峰值。在側(cè)面碰撞過(guò)程中，兒童頭部首先與安全座椅中靠近車門一側(cè)的泡沫碰撞，當(dāng)頭部被反彈后會(huì)與另一側(cè)的泡沫碰撞，由于泡沫的吸能作用和反彈后頭部速度的降低，頭部和泡沫第二次碰撞的強(qiáng)度要低于第一次。但從圖9和圖10中可以看出，當(dāng)使用EPS泡沫作為填充材料時(shí)，泡沫內(nèi)能以及接觸力曲線中出現(xiàn)的兩次峰值差別并不是很大，而PU泡沫中兩條曲線的第二次波峰值要顯著低于第一次波峰值，這主要是由于兩種材料的固有屬性決定的。

EPS泡沫的彈性模量要遠(yuǎn)大于PU泡沫，從圖2中也可以看出，其應(yīng)力應(yīng)變曲線也要高于PU泡沫，說(shuō)明EPS泡沫抵抗變形的能力更強(qiáng)。因此當(dāng)頭部首先與近碰撞側(cè)的泡沫接觸時(shí)，頭部對(duì)兩種泡沫施加了相同的壓力，由于EPS泡沫的彈性模量較大，故其壓縮量較小，相比之下PU泡沫和頭部有更長(zhǎng)的接觸時(shí)間，泡沫也能夠吸收更多的內(nèi)能。6歲兒童頭皮采用彈性材料，彈性模量為16.7 MPa［17］，與EPS泡沫材料的彈性模量相差不大，EPS泡沫在回彈過(guò)程中，又將大部分的泡沫內(nèi)能轉(zhuǎn)化為頭部動(dòng)能，故頭部在與另一側(cè)泡沫碰撞過(guò)程中的接觸力以及泡沫內(nèi)能要大于PU泡沫。

4 結(jié)論

基于已驗(yàn)證的6歲兒童乘員有限元模型進(jìn)行側(cè)面碰撞仿真，對(duì)比分析在安全座椅側(cè)翼結(jié)構(gòu)中頭枕部位安裝吸能泡沫對(duì)兒童乘員頭部的保護(hù)效果，得出結(jié)論如下。

（1）在側(cè)面碰撞過(guò)程中，當(dāng)安全座椅未添加吸能泡沫時(shí)，頭部直接與側(cè)翼結(jié)構(gòu)骨架部分接觸，由于骨架結(jié)構(gòu)剛度較大，導(dǎo)致頭部質(zhì)心合加速度、HPC以及腦組織Von Mises應(yīng)力、顱內(nèi)壓、剪切應(yīng)力等值遠(yuǎn)大于填充吸能泡沫時(shí)，所以安全座椅中填充泡沫可以有效降低側(cè)面碰撞過(guò)程中頭部的損傷。

（2）通過(guò)對(duì)比EPS和PU兩種泡沫的保護(hù)效果可以發(fā)現(xiàn)，盡管PU泡沫中HPC值略大，但頭部損傷的各項(xiàng)指標(biāo)要低于EPS泡沫，且PU泡沫的吸能效果也更好，故安全座椅中填充PU泡沫的保護(hù)效果要優(yōu)于EPS泡沫。