彭炫權(quán)，臧孟炎，許韶恩，蕭乃仁

(1.華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640)(2.中山市隆成日用制品有限公司，廣東 中山 528400)

汽車兒童安全座椅碰撞性能仿真分析與評(píng)價(jià)

彭炫權(quán)1，臧孟炎1，許韶恩2，蕭乃仁2

(1.華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640)(2.中山市隆成日用制品有限公司，廣東 中山 528400)

根據(jù)歐洲兒童乘員約束系統(tǒng)法規(guī)(ECER44)的要求，建立提籃式兒童安全座椅有限元模型和1.5歲假人有限元模型，構(gòu)造安全帶約束系統(tǒng)，獲得兒童安全座椅碰撞性能仿真分析有限元模型。應(yīng)用有限元軟件LS-DYNA仿真分析正碰過程，得到碰撞過程中假人運(yùn)動(dòng)形態(tài)、假人頭部和胸部的加速度。仿真分析結(jié)果與對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，驗(yàn)證了兒童安全座椅碰撞有限元模型的正確性。

汽車；兒童安全座椅；ECER44；碰撞性能；有限元仿真；實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

隨著我國家用汽車保有量的逐年增加，兒童乘車安全問題越來越突出，不良的乘車習(xí)慣導(dǎo)致兒童乘車安全事故頻發(fā)。而針對(duì)成人設(shè)計(jì)的常規(guī)座椅、安全帶約束系統(tǒng)和安全氣囊并不能很好地保護(hù)兒童，在汽車碰撞事故中，兒童乘員面臨的傷亡風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于成人[1-2]。研究表明，在撞擊速度差為48km/h的汽車碰撞事故中，兒童乘員將受到相當(dāng)于其身體質(zhì)量30至60倍的慣性力作用[3]。若沒有使用任何約束裝置，兒童乘員將被拋出座椅與車內(nèi)物體或其他乘員發(fā)生撞擊，這對(duì)于身體還處于生長發(fā)育階段的兒童乘員是相當(dāng)危險(xiǎn)甚至是致命的[4]。在乘車中正確使用兒童安全座椅，嬰兒(1歲以下)在交通事故中的死亡率可降低71%， 1～4歲的幼齡兒童在交通事故中的死亡率也可降低54%[5]。顯然，使用兒童安全座椅是降低兒童損傷的最有效手段。

目前，我國汽車兒童安全座椅碰撞性能的評(píng)價(jià)仍然主要依賴實(shí)驗(yàn)，嚴(yán)重制約著相關(guān)企業(yè)與國外同行的競爭實(shí)力。在設(shè)計(jì)過程中通過有限元等數(shù)值分析方法評(píng)價(jià)和優(yōu)化產(chǎn)品性能是提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低開發(fā)成本的重要手段之一[6]。本文根據(jù)歐洲兒童乘員約束系統(tǒng)法規(guī)(ECER44)的要求，建立了包括某款提籃式兒童安全座椅、1.5歲假人和約束系統(tǒng)的有限元模型，使用有限元分析軟件LS-DYNA

進(jìn)行正面碰撞仿真分析，并對(duì)照實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從假人運(yùn)動(dòng)形態(tài)、假人頭部和胸部加速度3個(gè)方面對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行有效性評(píng)價(jià)。

1 有限元模型的建立

本文通過有限元仿真分析方法，研究一款已通過ECER44法規(guī)試驗(yàn)，適用于0～1.5歲嬰兒(體重不超過13kg)的G0+組國產(chǎn)汽車兒童安全座椅的碰撞性能。臺(tái)車碰撞實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，包括兒童座椅、1.5歲假人、安全帶與帶扣、ISOFIX底座和ECE座椅等。應(yīng)用Altair HyperMesh前處理軟件，建立整個(gè)碰撞實(shí)驗(yàn)裝置的有限元模型。

圖1 汽車兒童安全座椅臺(tái)車碰撞實(shí)驗(yàn)裝置

1.1兒童座椅及臺(tái)車模型

兒童座椅及臺(tái)車有限元模型如圖2所示。兒童座椅置于ISOFIX底座中，并通過卡鉤固定，同時(shí)ISOFIX底座與ECE座椅的連接通過ISOFIX固定點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈、固定座和靠背管實(shí)現(xiàn)。座椅主體、把手、靠背管和ISOFIX底座等使用殼單元建模；靠背板和ECE臺(tái)車座椅緩沖泡沫使用六面體單元網(wǎng)格，臺(tái)車座椅的金屬板使用殼單元網(wǎng)格。兒童座椅安裝在ECE臺(tái)車座椅上。

圖2 汽車兒童安全座椅結(jié)構(gòu)示意圖

1.2假人與安全帶模型

本文參照Q1.5標(biāo)準(zhǔn)有限元假人模型尺寸和質(zhì)量分布，對(duì)已通過假人碰撞測試實(shí)驗(yàn)的混合三型6歲有限元假人模型[7]，采用尺寸縮放和質(zhì)量平衡的方法，獲得對(duì)應(yīng)的1.5歲假人有限元模型(非標(biāo)準(zhǔn)模型)?？s放方法如下：

a.以6歲假人H點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，根據(jù)Q1.5假人與混合三型6歲假人身長比，將混合三型6歲假人有限元節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)向基準(zhǔn)點(diǎn)壓縮。

b.根據(jù)Q1.5假人模型尺寸規(guī)范，微調(diào)主要關(guān)節(jié)坐標(biāo)。

c.根據(jù)Q1.5兒童頭部尺寸，擴(kuò)展兒童頭部模型。

d.根據(jù)Q1.5兒童質(zhì)量分布，通過添加質(zhì)量單元的方法對(duì)假人主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行質(zhì)量調(diào)整。

e.保留原有約束和接觸方式，特別是關(guān)節(jié)處定義的鉸鏈及其局部坐標(biāo)系。

f.使用LS-Prepost中的H-point operations功能，對(duì)H點(diǎn)實(shí)施平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)節(jié)假人的具體位置和整體姿勢。

g.使用LS-Prepost中的Limb operations功能，轉(zhuǎn)動(dòng)各個(gè)關(guān)節(jié)，調(diào)節(jié)肢體的擺放位置。最終獲得圖3所示的1.5歲有限元假人模型。

圖3 假人有限元模型縮放

與實(shí)驗(yàn)相對(duì)應(yīng)，安全帶模型采用“Y”型三點(diǎn)式安全帶，主要約束肩部、胸部和髖部。如圖4所示，假人與安全帶接觸區(qū)域使用二維安全帶單元，非接觸區(qū)域使用一維安全帶單元。

圖4 安全帶模型

1.3材料模型

兒童座椅的靠背板材質(zhì)是發(fā)泡性緩沖材料EPS，在碰撞過程中主要起緩沖作用，使用LS-DYNA軟件中基于應(yīng)變率的163號(hào)泡沫材料模型進(jìn)行描述[8]，不同應(yīng)變速率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示。ECE座椅的泡沫材料選用57號(hào)低密度泡沫材料模型，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6所示[9]。座椅主體、把手及ISOFIX底座外殼使用彈性材料模型，而ISOFIX底座連接件及內(nèi)部鋼材、支撐腳等使用彈塑性材料模型，臺(tái)車座椅金屬板定義為剛體材料模型。

圖5 EPS應(yīng)變率的泡沫材料性能曲線

圖6 ECE座椅泡沫材料性能曲線

2 兒童座椅碰撞仿真模型

2.1碰撞仿真初始狀態(tài)

根據(jù)ECER44要求，將兒童座椅安裝在臺(tái)車座椅ISOFIX固定點(diǎn)位置上并固結(jié)，使兒童座椅緊靠ECE座椅。為了仿真分析這一過程，采用DYNAIN文件實(shí)現(xiàn)碰撞仿真模型初始化。實(shí)驗(yàn)用ECE座椅替代實(shí)車座椅固定在臺(tái)車上。外接電纜連接Q1.5兒童假人和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于傳輸在碰撞過程中Q1.5兒童假人體內(nèi)加速度傳感器的數(shù)據(jù)。臺(tái)車上裝有加速度傳感器，采集碰撞中臺(tái)車所產(chǎn)生的加速度，并由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)。臺(tái)車碰撞前的初始狀態(tài)如圖7所示。

2.2碰撞過程工況加載

依據(jù)歐洲安全標(biāo)準(zhǔn)ECER44，兒童座椅內(nèi)放置被安全帶約束的Q1.5兒童假人，臺(tái)車在滑軌上逐漸加速到50km/h，并保持此速度進(jìn)行初速度為50km/h的正面碰撞，得到臺(tái)車碰撞的加速度波形如圖8所示。加速度曲線基本上處于ECER44規(guī)定的區(qū)域內(nèi)，即圖8中兩條虛線與坐標(biāo)軸構(gòu)成的區(qū)域。

圖7 碰撞實(shí)驗(yàn)初始狀態(tài)

圖8 碰撞加速度曲線

對(duì)應(yīng)正面碰撞實(shí)驗(yàn)，仿真模型工況加載如下：給整個(gè)汽車兒童安全座椅碰撞有限元模型定義汽車前進(jìn)方向上的初始速度為50km/h，同時(shí)給臺(tái)車座椅金屬板一個(gè)如圖8所示的、與初速度方向相反的加速度脈沖載荷，模擬汽車正面碰撞效果。重力方向加載9.8m/s2的重力加速度。

3 碰撞仿真分析與評(píng)價(jià)

在保證仿真加載工況與試驗(yàn)條件一致的前提下，使用LS-DYNA軟件進(jìn)行碰撞仿真分析。通過碰撞過程中假人運(yùn)動(dòng)形態(tài)、假人頭部和胸部的加速度響應(yīng)，定量地評(píng)價(jià)仿真模型的準(zhǔn)確性。

3.1假人運(yùn)動(dòng)形態(tài)

圖9,10分別是碰撞發(fā)生初始時(shí)刻、60ms和120ms時(shí)的假人運(yùn)動(dòng)形態(tài)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從假人運(yùn)動(dòng)形態(tài)來看，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。

3.2頭部加速度分析

圖9 碰撞過程假人運(yùn)動(dòng)形態(tài)仿真結(jié)果

圖10 碰撞過程中假人運(yùn)動(dòng)形態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖11為假人頭部合成加速度仿真分析與碰撞試驗(yàn)結(jié)果。由圖11可知，兩條曲線的整體波形基本一致，頭部最大碰撞加速度仿真結(jié)果42.0g(在66.8ms處)，稍大于試驗(yàn)最大峰值40.7g(在71.9ms處)。

圖11 假人頭部合成加速度仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

頭部損傷指數(shù)HIC (Head Injury Criteria)作為表征乘員頭部損傷的關(guān)鍵指標(biāo)，采用式(1)進(jìn)行評(píng)價(jià)：

(1)

式中：a(t)為頭部質(zhì)心處合成加速度，數(shù)值為重力加速度g的倍數(shù)；t1為碰撞過程HIC值計(jì)量初始時(shí)刻，t2為碰撞過程HIC值計(jì)量結(jié)束時(shí)刻，t2-t1=15ms,且為加速度積分值最大的時(shí)間段。

由圖11的頭部加速度仿真曲線計(jì)算得到的HIC15值為140.1，大于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的116.6，遠(yuǎn)小于ECER44法規(guī)的規(guī)定值570。

3.3胸部加速度分析

圖12為試驗(yàn)與仿真得到的假人胸部合成加速度曲線。兩者比較，仿真最大峰值為43.7g,略大于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的41.1g，符合ECER44法規(guī)中胸部合成加速度不得超過55g的規(guī)定。同時(shí)，從胸部合成加速度整體趨勢看，仿真結(jié)果也與實(shí)驗(yàn)基本一致。

4 結(jié)束語

本文使用混合三型6歲假人有限元模型經(jīng)縮放獲得1.5歲假人模型，建立了ISOFIX型兒童座椅碰撞仿真分析有限元仿真模型，根據(jù)ECER44要求進(jìn)行了正面碰撞仿真分析。通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)與有限元仿真的假人運(yùn)動(dòng)形態(tài)、頭部和胸部合成加速度曲線及HIC15可知，臺(tái)車實(shí)驗(yàn)與仿真碰撞結(jié)果基本吻合，而且仿真分析加速度稍大于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了包括1.5歲假人模型在內(nèi)的整個(gè)碰撞仿真分析模型的可靠性。以此為基礎(chǔ)，今后將進(jìn)一步進(jìn)行兒童座椅碰撞安全性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究和開發(fā)工作。

圖12 假人胸部合成加速度

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TheSimulationAnalysisandEvaluationonCrashworthinessofCarChildSafetySeat

PENG Xuanquan1, ZANG Mengyan1, XU Shaoen2, XIAO Nairen2

(1.South China University of Technology, Guangdong Guangzhou, 510640, China)(2.Zhongshan Lerado Group, Guangdong Zhongshan, 528400, China)

According to requirements of the European child occupant restraint system regulations (ECER44), it builds the child safety seats collision performance simulation finite element model with the establishment of basket-type child safety seats and 1.5-year-old dummy finite element model. Based on the finite element analysis software LS-DYNA simulation of the frontal-impact process, it obtains the dummy movement patterns, the dummy's head and chest acceleration during the collision course. The simulation analysis of consistency with the experimental results shows that the impact of child safety seats finite element model is correct.

Child Safety Seat; ECER/4; Collision Safety Performance; Finite Element Simulation; Trial Evaluation.

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.08.008

2014-07-26

廣東省中山市優(yōu)勢傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)項(xiàng)目(ZSEI-2012659066)；廣東省技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目(2013389031)

彭炫權(quán)(1989—)，男，廣東中山人，華南理工大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)檐囕v工程。

U491.6+1

B

2095-509X(2014)08-0032-05