毕业论文（设计）儿童乘员的伤害指标及下潜趋势影响因素的研究

1、儿童乘员的伤害指标及下潜趋势影响因素的研究*摘 要：建立了基于多刚体动力学madym0软件的儿童乘员约束系统台车碰撞系统的仿真模型，包括儿 童座椅增高垫，成人安全带系统，后排座椅，6岁儿童假人。研究了成人安全带系统的限力器和预紧器的 相关参数对儿童乘员碰撞响应和损伤值的影响。结杲表明：卷收器预紧器可有效减小儿童乘员伤害值，同 时减小儿童乘员的“下潜"风险。而锚点预紧器会增大儿童乘员的“下潜”风险，锚点预紧器与安全带单向锁 止器配合使用可降低儿童乘员的下潜风险。广泛用于降低成年人碰撞伤害的4kn卷收器式限力器对于儿童 乘员没有明显的保护效果，减小成人安全带限力值可对儿童起到最佳保护作用

2、。关键词：儿童增高垫；碰撞仿真；下潜；预紧器；限力器中图分类号：u467.4 th 122 文献标志码：aan investigation on factors for influencing child injury risk andsubmarining tendencyliang tang1,2, taotao wul,2,qing zhou2, bing deng 5(l beijing forestry university, school of technology, 100083, china,2. state key lab of automotive safety and e

3、nergy, tsinghua university, beijing 100084, china,3. general motors chinasciencelab, shanghai, 201206)abstract: a madymo modeling platform, which includes a booster seat, a vehicle rear seat environment with seatbelt system and child dummy model of hybrid iii 6yo, is built. the effects of loading li

4、miters and pretensioner on impact responses and injury risks of child occupant are investigated the results indicate that retractor loading limiter can reduce the injury values. anchor pretensioner alone will in crease the submarining tendency, but anchor pretensioner plus one-way locking tongue can

5、 reduce the submarining tendency the optimized load level in the load limiter to provide best protection for 6 year-old child also achievedkey words: child booster seat; crash simulation; submarining; pretensioner; load limiter前言在目前的欧美国家关于儿童乘员安全的法规 中ece r44和fmvss213i，h21,其损伤评估标准基 于假人头部加速度、头部位移、胸部加速度

6、和颈 部受力等，但没有腹部的相关评价标准。kate de jager等指出，在儿童乘员碰撞保护中，头部仍是 首要保护的部位，腹部保护的重要性逐渐增加。腹 部伤害主要由“下潜”造成，“下潜”是指在正面碰撞 过程中安全带腹带滑离乘员骨盆，直接佼入腹部的 现象，腹带侵入腹部易引起内脏伤害。儿童由于身 材佼小，易发生“下潜”。arbogast等通过统计 交通事故中16岁以下儿童的伤害情况，得出4岁 到8岁儿童的腹部损伤比例最高，是9岁到16岁 儿童的2.6倍，3岁以下儿童的24.5倍。在已有的 研究中，针对儿童乘员的“下潜''研究较少，主要是 缺乏对于儿童乘员的“下潜平估方法。文屮提出

7、了 一个儿童乘员的“下潜''评估准则，即安全腹带相对 腹部的最大滑移量，同时提出了减小儿童乘员下 潜趋势的设计。文中提出的减小儿童乘员下潜趋势的设计是 使用增高塑并结合使用针对儿童乘员的安全带限 力器和预紧器。现有安全带限力器和预紧器的设计 是针对成年乘员。mertz等凶发现6 kn限力器 能够将混iii 50山假人胸部压缩量降低40%o针对成 人设计的限力值对于儿童乘员相对偏高，会增加儿 童在碰撞中的伤害。文中针对6岁儿童乘员，优化 出儿童乘员的限力器限力值。现有的研究都是针对 卷收器预紧器，锁扣预紧器，对于安全带固定点 处增加锚点预紧器对儿童乘员的保护效果目前还 没有相关研

8、究。文中研究了锚点预紧器对儿童乘员 的保护效果，并优化得出儿童乘员所需的预紧呈。1仿真平台描述利用本实验室前期采用逆向工程方法搭建 madym0环境下的儿童约束系统仿真平台，如图 1所示i®。该仿真模型针对汽车后排座椅环境，模 型包括：汽车后排座椅、成人安全带、儿童增高垫、 汽车前排座椅椅背等。其中汽车后排座椅模型和儿 童增高垫模型为有限元模型，汽车前排座椅为facet 模型，成人安全带系统为多刚体和有限元混合模 型。增高垫有限元模型如图2所示。增高垫的材料 参数由材料试验测得。本研究采用madymo假人数据库中hybrid iii系列6岁多刚体儿童假人模型。安全带的布局和 后座环境

9、的尺寸通过测量某款中级车型获得。汽车 坐垫的刚度参考了 ece r44台车试验的要求，卷收 器、预紧器、限力器等参数的定义参考了 madymo 提供的模板，坐垫与增高垫之间摩擦系数和假人与 增高垫之间摩擦系数通过摩擦试验获得，所有的仿 真试验在49 km/h台车试验的环境下进行，台车所 经历的加速度脉冲是从一个ece r44台车试验中 获取的，如图3所示。图1汽车后排座椅环境下的儿童约束系统模型figure 1 child restraint system model in vehicle rear seat图2增高经有限元模型figure 2 finite element model of

10、booster scat图3 ece r44台乍试验测试得到的加速度脉冲 figure 3 sled acceleration based on ece r44 test2儿童座椅约束系统控制参数研究目前安全带限力器和预紧器针对成人设计，对 成年乘员具有很好的保护效果，儿童乘员所用的安 全带限力器的限力值和预紧器的安装位置究竟应 该怎如何设置才能够对儿童乘员给予适当的保护 是一个值得研究的问题。文中将针对儿童增高垫约 束系统対这两个参数进行研究。如前文所述，增高 垫改变了儿童乘员的坐高以及安全带肩带和腹带 相对乘员的走向，所以安全带限力器的限力值和预 紧器的安装位置必须在增高垫和儿童乘员身材的

11、 限定条件下来兀配。根据儿童乘员在交通事故屮的 主要受伤情况，分析时重点关注“下潜”风险以及头 部和胸部损伤指标，为了量化发生“下潜”的趋势， 仿真结果输出了 xz平面内安全带腹带相对腹部的 最大滑移量，滑移量越大说明“下潜”趋势越明显。2.1安全带预紧器影响表 1 预紧器匸况 table 1 load cases for different pretensioners序号描述工况一基准模型，无预紧器工况二卷收冷预紧冷（预紧m 50mm）工况三锚点预紧器（预紧m40mm）工况四锚点预紧器（预紧量为40mm）,带扣处有安全带双向锁止器为研究预紧器在儿童增高垫约束系统屮对儿 童乘员碰撞响应以及保护

12、效果的彫响，本研究通过 改变预紧器的安装位置，分析了如表1所示的四种 工况，其中卷收器预紧器是从肩带一端预紧，锚点 预紧器是从腹带一端预紧，预紧器的预紧量是通过 优化计算得到的在此工况下具有最低伤害的最佳 预紧量。在普通的汽车座椅安全带系统里，安全带肩带 可以通过带扣滑环滑入腹带部分，腹带也同样可以 通过带扣滑环滑入肩带部分。在带扣滑环处使用安 全带双向锁止器，可防止安全带肩带和腹带通过带 扣滑坏的滑动，有对能增加保护效果。工况四中使 用了这样的安全带双向锁止器。表2列出了4种工况下的仿真计算结果，包括 儿童乘员的损伤指标及腹带滑动距离对比。腹带滑 移量越大表示儿童乘员的“下潜”趋势越大。如果

13、腹 带滑离骯部骼骨(假人中有对应的硬结构)的支椁， 侵入了腹部软组织，即发生了“下潜”。对于6岁假 人，结合仿真动i田i和对假人的测量能够得到临界腹 带滑动量(刚好发生“下潜”吋，腹带的滑动量)为 30mm。儿童乘员碰撞过程中的头部、胸部合成加 速度时间历程的对比如图4(a). (b)所示。骨盆向后 转角时间历程曲线如图4(c)所示，而乘员的下潜趋 势随骨盆向后旋转角度的增大而增加,，m2,o表2不同预紧器工况下损伤指标及响应峰值table 2 injury index and peak values for differenl cases损伤指标法规工况一工况二工况三工况四头部hic1570

14、0259239253470头部位移x (mm)550316295303336头部位移-z (mm)800237230232250头部合成加速度(g)8052.649.952.667.0颈部 nij (neck injury)10.940.880.901.01胸部3ms合成加速度(g)5553.545.850.361.7胸部3rns垂向加速度(g)/17.318.218.312.5胸部压缩量(mm)5236.835.635.435.0腹部3ms合成加速度(g)6051.450.452.356.5xz平血腹带相对腹部滑移最(mm)/31233324仿真工况二中在卷收器处增加了预紧器，与基 准模型相

15、比，比较表2屮的头部损伤指标可见，增 加预紧量有利于降低头部损伤指标hic和头部前 向最大位移；由颈部损伤指标比较可见，尽管幅度 不大，但肩带预紧还是可以降低颈部损伤指标nij； 由胸部损伤指标比较可见，肩带预紧，会减少胸部 3ms合成加速度和胸部压缩暈，胸部垂直加速度有 所增加，但远小于法规规定值；由“下潜”指标可见, 腹部滑移量由基准模型的31mm降低为23mm,表 明“下潜''趋势降低。这是由于适当增加肩带预紧 量，腹带通过滑环进入肩带，有利于减少腹带间隙, 减小了骨盆向前运动的位移，从而减小骨盆后向转 角(如图4(c),降低了“下潜”风险。仿真工况三屮在锚点处加预紧器有

16、利于减小 头部、颈部和胸部位移，但却有较大的腹部滑移量, 即较大的“下潜"风险，这是因为锚点处的预紧器在 预紧时，肩带通过滑环滑入腹带，致使肩带间隙减 小，腹带间隙却无显著减小。在安全带锁扣处加上 安全带双向锁止器(工况四)，防止了肩带和腹带之 间的相互滑动，所以肩带间隙不会减小，上身前向 运动趋势增加；腹带间隙减小，骨盆前向运动减少, 从而减小了腹带滑移量，即减小了乘员的“下潜”风 险，但由于安全带肩带部分依然有较大的间隙，从 而造成了较大的头部、颈部和胸部伤害值。综上所述，增加卷收器预紧器能够降低假人与 约朿系统的初始间隙，降低假人的各项损伤指标， 增加锚点预紧器同样能够降低主要

17、损伤指标，但却 增加了“下潜”的风险。预紧器对“下潜叩勺影响与预 紧位置有关，若要消除“下潜"趋势，需要结合肩带 限力器引起的胸部“前倾效应下面一节将对限力 器的影响进行讨论。(b)头部合成加速度损伤指标峰值法规工况一工况二工况三h1c15700259317285头部位移-x(mm)550316385321头部位移-z(mm)800237227237头部合成加速度(g)8052.656.851.9颈部 nij (neck injury)10.940.820.96胸部3ms介成加速度(g)5553.540.451.5胸部3ms垂向加速度(g)/17.318.117.7胸部压缩s(rnm

18、)5236.830.636.5腹部3ms合成加速度(g)6051.454.651.7xz平面腹带相对/312831腹部滑移smm表4不同限力工况下损伤指标及响应参数峰值tabic 4 injury indcx and peck values for different eases(a)胸部合成加速度(b)头部合成加速度©骨盆后向角位移图4不同预紧工况的假人响应曲线对比figure 4 comparisons of impact responses for different cases2.2肩带限力器影响现有的安全带限力器是针对成年人设计的，不 能对儿童乘员起到很好的保护作用。本研究

19、通过改 变安全带限力器限力值，设计分析了三种工况对儿 童乘员的保护效果，如表3所示。限力器的位置在 卷收器处，限力值分别为2.5和4.0kno基准模型 中没有限力器。三种工况的仿真计算损伤指标及响 应参数峰值对比如表4所示，加速度时间历程曲线 和胸部压缩量曲线分别如图5(a)(b)(c)所示。仿真工况二中限力值为2.5kn,比较表4所示 的胸部损伤指标可见，减小限力值，有利于减小胸 部最大3ms合成加速度以及胸部压缩量。从骨盆相 对角位移(如图5(d)所示)和腹带相对腹部滑移量 可以看出肩带限力器能够降低“下潜"风险。骨盆后 向角位移越大，“下潜''风险越大；峰值的时

20、间点越 早，说明假人的“前倾效应”引起盆骨相对胸部提前 反弹，“下潜"趋势被抵消，引起反弹的因素正是上 身的“前倾效应"(如图6所示)。限力值4.0kn情况下(工况三)，各损伤指标和 响应参数与基础模型区别不大。说明对于6岁儿童, 4kn的肩带限力值过大，对乘员的响应影响不明显。综上所述，对于6岁儿童，使用2.5kn左右的 肩带限力器可降低假人的胸部伤害指标，并通过假 人胸部的“前倾效应”抵消了“下潜"趋势。表3限力器工况table 3 load eases for different load limiter工况描述工况一基准模型，不加任何限力器工况二在卷收器处

21、加限力器，限力值为2.5rn工况三在卷收器处加限力器，限力值为4kn(c)胸部压缩最(d)骨盆后向角位移图5不同限力工况的假人响应illi线对比figure 5 comparisons of impact responses for different cases(a)无限力器(工况一)(b)限力值2.5kn (工况二)(c)限力值4kn (工况三)图6肩带限力对假人运动姿态的影响(动画时刻t二150 ms)figure 6 effect of shoulder belt load limiter force on dummyposture (time: 150ms)3结论本研究通过进行儿童乘

22、员约束系统的碰撞仿 真优化分析，针对6岁儿童乘员使用增高垫和安全 带，得出以下结论：(1) 卷收器预紧器能减小安全带肩带和腹带的 初始间隙，冇利于减小儿童乘员头部、颈部和胸部 伤害值，同时减小儿童乘员的“下潜”风险。(2) 锚点预紧器能通过滑环减小肩带的初始间 隙，从而减小头部胸部的伤害值，却增加了“下潜" 风险，可以通过安全带锁止器来限制肩带和腹带的 相互滑动來减小“下潜”风险。(3) 广泛用于降低成年乘员碰撞伤害的4kn卷 收器式限力器，对于儿童不能起到明显的保护效 果。对于6岁儿童，在卷收器处加2.5kn的限力器 可有效减小儿童乘员胸部加速度和胸部压缩量，也 能降低“下潜”趋势

23、。参考文献(references)1 goldwitz j, van a w. fmvss child occupant protection regulations. society of automobile engineers (sae) paper no. 2006-01-113, 2006.2 bell r and burleigh d. an empirical comparison of the fmvss 213 and ece r44.03 standards for child restraints society of automotive engineers, sae

24、paper no. 973312: 195-20, 1997.3 kate d j, michiel v r. philippe l, et al. assessing new child dummies and criteria for child occupant protection in frontal impactc./ the 19th intemational technical conference on the enhanced safety of vehicles (esv). paper no.05-0157.4 胡佳.基于试验和有限元仿真的儿童乘员正而和侧面 碰撞安全研

25、究.长沙：湖南大学，2008.5 arbogast k b, chen i, nance m l, et al. predictors of pediatric abdominal injury riskj. stapp car crash journal. 48:479-494, 2004. klinich k d. pritz h b, beebe m s, et al. survey of older children in automotive child restraintsc. / proceedings of the 38th stapp car crash conference. sae paper no. 942222, 1994.71 bilston l and sagar n. geometry of rear seats and child restraints compared to child anthropometry j st