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        基于實(shí)車正面碰撞試驗(yàn)Q3假人頭部傷害仿真分析

        2022-05-01 10:07:16李君杰劉曉東崔東胡帛濤
        汽車零部件 2022年4期
        關(guān)鍵詞:兒童座椅實(shí)車假人

        李君杰,劉曉東,崔東,胡帛濤

        中汽研(天津)汽車工程研究院有限公司,天津 300300

        0 引言

        2021版C-NCAP增加了對(duì)第二排兒童假人傷害考察,降低兒童假人傷害成為整車碰撞安全開(kāi)發(fā)中重要的一部分,從C-NCAP的發(fā)展趨勢(shì)可以看出,我國(guó)汽車安全領(lǐng)域,正在逐漸增加對(duì)兒童乘員保護(hù)的重視。根據(jù)公安部交管局?jǐn)?shù)據(jù)顯示,截至2019年上半年,我國(guó)汽車保有量2.5億輛,私家車1.98億輛,城市擁堵不斷,同時(shí)全社會(huì)交通安全問(wèn)題日益突出。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示,2017年全國(guó)發(fā)生交通事故總數(shù)203 049起,直接造成財(cái)產(chǎn)損失121 311萬(wàn)元,導(dǎo)致209 654人受傷,63 772人死亡。資料顯示,我國(guó)每年有超過(guò) 1.85萬(wàn)名兒童死于交通事故,死亡率是歐洲的 2.5倍,美國(guó)的 2.6 倍。目前,道路交通傷害已經(jīng)成為中國(guó)兒童意外傷亡的第二大原因。對(duì)于兒童,道路交通傷害除了是傷害死亡的首要原因,還是非致命性兒童傷害的最重要的原因。由某機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì),在由各類原因?qū)е碌膬和B腦損傷事故中,84.1%的兒童顱腦創(chuàng)傷是由道路交通導(dǎo)致,兒童頭部損傷不僅給受傷兒童帶來(lái)非常嚴(yán)重的生理傷害,而且給患者家庭帶來(lái)沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān),更加加重了醫(yī)療體系和社會(huì)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。因此,如何提高兒童乘員頭部的保護(hù)效率顯得尤為重要。

        在實(shí)車碰撞試驗(yàn)過(guò)程中,成人約束系統(tǒng)并不適用于兒童,兒童并不是成人的縮小版,當(dāng)用成人安全帶約束兒童時(shí),會(huì)存在安全帶松弛的現(xiàn)象,在交通事故中,可能會(huì)勒住兒童的頸部,且極易壓傷兒童的腰部,更嚴(yán)重的話會(huì)引起肋骨的斷裂、胸部壓傷及扭斷脖子的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于兒童乘車人來(lái)說(shuō),似乎使用兒童安全座椅是目前保護(hù)兒童乘員有效的辦法,而后向式安裝兒童座椅也一直被認(rèn)為是保護(hù)兒童乘員最有效的約束方式。但是,對(duì)于C-NCAP法規(guī)規(guī)程里涉及的正面碰撞試驗(yàn)工況中使用的Q3假人,其與后向安裝的兒童座椅在什么情況下才能匹配得當(dāng),是一項(xiàng)值得研究的問(wèn)題。當(dāng)碰撞發(fā)生時(shí),兒童座椅與車內(nèi)其他接觸部件是否真正相匹配,是否能發(fā)揮對(duì)兒童乘員最大的保護(hù)效能,如何合理匹配這些獨(dú)立的系統(tǒng),成為兒童保護(hù)開(kāi)發(fā)研究的重點(diǎn)。

        文中根據(jù)對(duì)某實(shí)車正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,同時(shí)加之CAE仿真對(duì)標(biāo)驗(yàn)證,得出制約后向安裝兒童座椅保護(hù)Q3假人頭部效率的因素,為兒童保護(hù)的開(kāi)發(fā)提供了一定的數(shù)據(jù)參考。

        1 兒童Q3假人頭部傷害超標(biāo)分析

        根據(jù)C-NCAP 2021版評(píng)分體系,某實(shí)車正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗(yàn)中,兒童假人頭部傷害較大,超過(guò)低性能限值,最終導(dǎo)致兒童假人的總體評(píng)價(jià)成績(jī)較低。

        頭部的損傷是外部機(jī)械力量傳至頭部,主要分為接觸損傷和慣性損傷,接觸損傷是由接觸碰撞導(dǎo)致的,接觸損傷又包括局部損傷和遠(yuǎn)端損傷。局部損傷是指由于物體受到碰撞時(shí),其碰撞區(qū)域受到集中的應(yīng)力,碰撞能量通過(guò)局部骨折吸收;遠(yuǎn)端損傷則是由于受到?jīng)_擊的頭部運(yùn)動(dòng)受到阻礙,碰撞能量從碰撞點(diǎn)擴(kuò)散至遠(yuǎn)端,由遠(yuǎn)離沖擊點(diǎn)的骨折吸收。慣性損傷則是由線加速度和角加速度所致的。其損傷主要是由碰撞時(shí)頭部和頸部之間的相互作用產(chǎn)生的角加速導(dǎo)致。平移和旋轉(zhuǎn)加速合成的角加速是最常見(jiàn)的慣性損傷形式,而角加速的大小和持續(xù)時(shí)間決定了它引起腦損傷的程度。后向安裝兒童座椅時(shí),當(dāng)碰撞發(fā)生時(shí),兒童假人既會(huì)受到接觸損傷中的遠(yuǎn)端損傷情況,也會(huì)受到慣性損傷的情況,前者是由于兒童座椅頭枕受到接觸撞擊將碰撞能量傳遞給兒童頭部,后者是由于突然停止旋轉(zhuǎn)對(duì)兒童頭部的沖擊傷害,兩者的共同點(diǎn)在于受到?jīng)_擊的兒童頭部突然停止運(yùn)動(dòng),其兒童頭部?jī)?nèi)的組織吸收了碰撞能量,最終導(dǎo)致兒童頭部的損傷。

        通過(guò)對(duì)實(shí)車試驗(yàn)后高速錄像的檢查發(fā)現(xiàn),后向安裝兒童座椅在試驗(yàn)過(guò)程中,兒童座椅靠背由于較大的向后張角,45 ms左右時(shí)兒童座椅背部支撐面開(kāi)始接觸到前排座椅靠背;55 ms左右時(shí)兒童座椅頭枕接觸到前排座椅靠背;隨著接觸程度的加重,65 ms左右時(shí)兒童頭部出現(xiàn)明顯沖撞兒童座椅頭枕的現(xiàn)象,如圖1所示。

        圖1 兒童Q3假人頭部傷害曲線

        綜上分析可知,頭部加速度傷害較大的原因在于,碰撞試驗(yàn)過(guò)程中,兒童座椅動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)位移異常過(guò)大,當(dāng)接觸到前排座椅靠背瞬間停止運(yùn)動(dòng)后,其旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成兒童假人頭部的接觸能量,傳遞到兒童顱腦內(nèi)部,最終導(dǎo)致兒童假人頭部的嚴(yán)重傷害。兒童座椅動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)位移示意如圖2所示。

        圖2 兒童座椅動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)位移示意

        另外,由試驗(yàn)高速錄像發(fā)現(xiàn),兒童座椅靠背在出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí),兒童座椅整體也存在明顯的下陷現(xiàn)象,在一定程度上加重了兒童座椅的動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

        2 正碰兒童Q3假人頭部?jī)?yōu)化分析

        2.1 仿真模型的建立

        根據(jù)CAD數(shù)據(jù)及乘員空間,建立正面碰撞兒童乘員Q3約束系統(tǒng)仿真模型,包括前排乘員座椅、第二排乘員座椅、后向安裝兒童座椅,兒童Q3假人,整車試驗(yàn)脈沖加載等必要數(shù)據(jù),如圖3所示。

        圖3 正面碰撞兒童Q3假人仿真模型

        2.2 仿真模型對(duì)標(biāo)

        根據(jù)實(shí)車碰撞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行兒童Q3假人約束系統(tǒng)模型的對(duì)標(biāo),其中頭部合成加速度傷害曲線對(duì)標(biāo)結(jié)果如圖4所示。

        圖4 兒童Q3頭部合成加速度對(duì)標(biāo)結(jié)果

        由圖4曲線可知,對(duì)標(biāo)的頭部合成加速度曲線與試驗(yàn)接近,仿真模型與實(shí)車試驗(yàn)一致性較好,仿真模型精度滿足要求,可以將此仿真模型作為基礎(chǔ)模型對(duì)兒童Q3假人頭部傷害進(jìn)行優(yōu)化分析。

        2.3 仿真模型優(yōu)化分析

        文中提到碰撞過(guò)程中后向安裝兒童座椅動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)位移異常過(guò)大。這里重點(diǎn)分析兒童座椅動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)位移對(duì)假人頭部的影響,分兩方面考慮問(wèn)題:一方面,從兒童座椅本身出發(fā),加強(qiáng)后向安裝兒童座椅本身的強(qiáng)度,避免由于兒童座椅自身強(qiáng)度問(wèn)題,導(dǎo)致兒童座椅本體的動(dòng)態(tài)張角過(guò)大;另一方面,從與兒童座椅相接觸的車內(nèi)子系統(tǒng)考慮,包括后排座椅坐墊的支撐強(qiáng)度、前排座椅靠背與兒童座椅接觸位置的結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度。

        初步計(jì)算如下方案:

        方案一:兒童座椅本身強(qiáng)度加強(qiáng);

        方案二:第二排座椅支撐強(qiáng)度提高、前排座椅靠背結(jié)構(gòu)件弱化。

        觀察兒童Q3假人頭部合成加速度曲線,發(fā)現(xiàn)兒童座椅本身結(jié)構(gòu)問(wèn)題影響頭部傷害相對(duì)較大,兒童座椅本體未能有效吸收撞擊接觸所傳遞而來(lái)的碰撞能量,最終將過(guò)多的能量傳遞給兒童假人。其次,方案二涉及的影響因素,也是增加接觸能量的關(guān)鍵因素,優(yōu)化這些問(wèn)題,對(duì)于緩解兒童假人頭部傷害,有著積極的作用。對(duì)比結(jié)果如圖5所示。

        圖5 方案實(shí)施Q3假人頭部傷害對(duì)比

        由圖5可知,兒童Q3假人頭部傷害情況受方案一和方案二兩方面因素的影響,然而在這兩方面因素中,由于兒童座椅作為子系統(tǒng)是由供應(yīng)商提供的成品,針對(duì)特定兒童座椅結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的可能性比較小,而另一方面,整車中其他子系統(tǒng)也會(huì)受到諸多因素的制約,而不能進(jìn)行有利的優(yōu)化,當(dāng)優(yōu)化這些子系統(tǒng)對(duì)其他成人乘員約束系統(tǒng)造成不利影響的情況出現(xiàn)時(shí),就需要衡量這樣優(yōu)化的利弊,當(dāng)弊大于利時(shí),可以換一種思路,比如嘗試考慮不同型號(hào)的兒童座椅,或者不同安裝固定方式的兒童座椅對(duì)具體車型的響應(yīng)情況。所以,沿著這個(gè)思路,將兒童座椅按安裝類型進(jìn)行分類,挑選每種類型里比較有代表性的座椅進(jìn)行后續(xù)的滑臺(tái)及整車驗(yàn)證試驗(yàn),來(lái)考察兒童假人的頭部傷害變化情況,挑選出來(lái)的座椅不代表唯一性,只是象征該類車型適用的兒童座椅類型參考方向。

        3 滑臺(tái)及實(shí)車驗(yàn)證分析

        為驗(yàn)證前期分析的結(jié)果,在滑臺(tái)模擬試驗(yàn)和實(shí)車碰撞試驗(yàn)中進(jìn)行正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗(yàn)工況,觀察兒童Q3假人頭部合成加速度是否有減小趨勢(shì)。采用不同品牌后向安裝的兒童座椅以及不同安裝形式的兒童座椅進(jìn)行對(duì)比分析,如圖6和圖7所示。

        圖6 不同品牌后向安裝的兒童座椅

        圖7 不同安裝形式的兒童座椅

        滑臺(tái)模擬試驗(yàn)后,兒童Q3假人頭部合成加速度傷害情況如圖8和圖9所示。

        圖8 不同后向安裝兒童座椅Q3假人頭部傷害對(duì)比

        圖9 不同安裝形式兒童座椅Q3假人頭部傷害對(duì)比

        由圖8和圖9可知,對(duì)于特定條件下的車型配置,大部分后向安裝的兒童座椅與整車不匹配,兒童假人頭部傷害嚴(yán)重,當(dāng)使用三點(diǎn)式安全帶固定兒童座椅的方式固定正向兒童座椅時(shí),其Q3兒童頭部傷害改善明顯。

        將滑臺(tái)模擬試驗(yàn)中表現(xiàn)較好的兒童座椅類型應(yīng)用到實(shí)車試驗(yàn)中,進(jìn)行正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗(yàn),驗(yàn)證匹配效果,觀察兒童Q3假人頭部合成加速度傷害值是否減小。其試驗(yàn)后兒童假人頭部合成加速度傷害結(jié)果如圖10所示。

        圖10 實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證Q3假人頭部傷害對(duì)比

        由圖10可知,實(shí)車碰撞試驗(yàn)中,兒童Q3假人頭部合成加速度傷害改進(jìn)效果明顯。整車三點(diǎn)式安全帶固定兒童座椅的方式,相對(duì)于兒童假人來(lái)說(shuō),相當(dāng)于增加了碰撞能量的卸載途徑,進(jìn)一步緩沖了假人受到瞬間沖擊傷害的風(fēng)險(xiǎn)。

        4 結(jié)論

        文中通過(guò)對(duì)實(shí)車正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗(yàn)(FRB)中兒童Q3假人的頭部合成加速度傷害進(jìn)行分析,以降低第二排兒童Q3假人頭部傷害為目的,借助CAE仿真手段進(jìn)行仿真模擬對(duì)標(biāo),提出了解決后向安裝兒童座椅所造成兒童假人頭部傷害的思路,最終經(jīng)過(guò)滑臺(tái)及實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證,降低了兒童Q3假人頭部傷害程度,提高了該車型在正面碰撞中兒童Q3假人的保護(hù)性能,從中得到以下結(jié)論:

        (1)對(duì)于Q3兒童假人,并非所有車型均適合采用后向安裝兒童座椅的方式進(jìn)行對(duì)兒童的保護(hù),需要具體車型具體分析。

        (2)對(duì)于后向安裝的兒童座椅而言,其自身的強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)性能需要進(jìn)一步提升,強(qiáng)度可靠,結(jié)構(gòu)有效吸能,對(duì)于兒童的保護(hù)意義重大。

        (3)采用整車三點(diǎn)式安全帶固定方式的正向安裝的兒童座椅,對(duì)于兒童假人頭部傷害風(fēng)險(xiǎn)的降低有積極作用,但需要注意一點(diǎn),正向安裝座椅,對(duì)于兒童假人頸部及胸部的傷害波動(dòng)較大,文中尚未對(duì)此進(jìn)行分析闡述,后續(xù)需要進(jìn)一步研究其波動(dòng)范圍是否可控,正向安裝形式下,五點(diǎn)式安全帶對(duì)兒童假人的損傷風(fēng)險(xiǎn),也需進(jìn)一步深入研究。

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