校車兒童約束系統(tǒng)防護性能有限元分析

韓勇，謝金萍，李雄，楊陽，水野幸治，莊首吉（.廈門理工學院，福建廈門6000；2.第三軍醫(yī)大學交通醫(yī)學研究所，重慶0002）.名古屋大學，名古屋6-860；.廈門金龍旅行車有限公司，福建廈門6006）

校車兒童約束系統(tǒng)防護性能有限元分析

韓勇1，2，謝金萍1，李雄1，楊陽1，水野幸治3，莊首吉4
（1.廈門理工學院，福建廈門361000；2.第三軍醫(yī)大學交通醫(yī)學研究所，重慶400042）3.名古屋大學，名古屋464-8603；4.廈門金龍旅行車有限公司，福建廈門361006）

分析兒童乘員在校車正面碰撞中無安全帶約束，使用2點式、3點式和5點式兒童安全帶約束條件下的兒童假人的動力學響應(yīng)和頭、胸部的損傷物理參數(shù)；分析3點式安全帶的兩種誤用情況下的兒童假人的有關(guān)物理損傷參數(shù)。結(jié)果表明，在正面碰撞事故中，使用5點式兒童安全帶更有利于兒童乘員保護；正確使用3點式兒童安全帶可以減輕頭、胸部損傷風險。

校車；兒童約束系統(tǒng)；正面碰撞；防護性能

統(tǒng)計數(shù)字顯示，每年我國有超過1.85萬名14歲以下兒童死于道路交通事故，兒童因交通事故的死亡率是歐洲的2.5倍、美國的2.6倍［1］。交通事故已經(jīng)成為我國兒童意外傷亡中僅次于溺水的第二大原因［2］。歐美日等發(fā)達國家或地區(qū)對兒童乘員保護有專門的法規(guī)要求并已實施，我國在兒童乘員安全方面的研究起步較晚［3］。雖然新版強制性國家標準GB 24407-2012《專用校車安全技術(shù)條件》和GB 24406-2012《專用校車學生座椅系統(tǒng)及其車輛固定件的強度》已正式發(fā)布并實施［4-5］，但是對校車兒童安全帶約束系統(tǒng)的研究文獻較少，且我國的兒童約束系統(tǒng)存在使用率低和誤用率高兩個主要問題。本文采用有限元方法，建立校車前碰撞中6歲學齡兒童座椅約束系統(tǒng)仿真模型，對比分析兒童在無安全帶、使用2點式、3點式和5點式兒童安全帶條件下兒童的運動學響應(yīng)及頭、胸部等動力學參數(shù)，同時對3點式安全帶的兩種誤用情況進行分析，為提高校車兒童保護效率提供參考。

1　模型的建立和驗證

1.1兒童座椅有限元模型的建立

采用逆向工程方法，實際測量某校車企業(yè)提供的兒童座椅，建立兒童座椅的幾何模型并進行網(wǎng)格劃分得到有限元模型。模型由座椅骨架、支撐架、座墊泡沫、靠背泡沫組成，節(jié)點數(shù)為82 531個，單元數(shù)為97 428個，如圖1所示。骨架采用Q235#材料，座墊和靠背采用低密度泡沫材料，其材料屬性通過材料拉伸試驗測得［6］，如圖2所示。校車座椅安全帶帶扣由三維體單元模擬，織帶分別由一維安全帶單元和二維安全帶單元模擬。材料屬性如表1所示。

表1　座椅模型材料屬性

根據(jù)學齡兒童的人體尺寸特點，采用已驗證的混III 6歲兒童假人有限元模型對兒童乘員的運動學和動力學參數(shù)進行分析［6-7］。兒童模型包含頭部、頸部、胸部、上肢和下肢，模型節(jié)點數(shù)為34 844個，單元數(shù)為40 851個。

1.2約束系統(tǒng)有限元模型的建立

為了對比分析校車正面碰撞事故中兒童乘員的動力學響應(yīng)及損傷參數(shù)（頭部加速度、頭部前傾位移量和胸部加速度）以及兒童安全約束系統(tǒng)的防護效率。建立了6種不同使用工況下的仿真模型：無安全帶、2點式兒童安全帶、3點式兒童安全帶、5點式兒童安全帶和兩種錯誤使用方式（誤用3點式成人安全帶和3點式兒童安全帶的肩帶穿過腋下（以下稱為“肩帶穿過腋下”）），如圖3所示。

通過模擬校車前碰撞事故的兒童座椅臺車試驗（sled test），臺車從靜止開始起動，速度增加并產(chǎn)生前碰撞加速度波形。校車前碰撞事故中的加速度-時間曲線參考模擬校車在以30 km/h速度前碰撞中給校車座椅加載的加速度曲線［8］，如圖4所示。

1.3座椅抗后傾靜態(tài)加載試驗驗證

根據(jù)國家標準GB 24406-2012［5］的要求對座椅靠背前部加載方向水平加載荷，加載高度在座椅R點以上343mm的水平面內(nèi)。對裝置設(shè)置一個254mm的邊界條件。圖5為抗后傾加載裝置試驗和仿真中載荷-位移曲線對比。試驗加載裝置最大位移為236mm，仿真值為210mm，與試驗數(shù)據(jù)相差11%，均小于座椅靠背的位移法規(guī)值254mm；試驗狀態(tài)下最大載荷為4 380N，仿真值為4 333N，誤差僅為1.1%，均小于法規(guī)值9 786N。仿真與試驗結(jié)果基本一致，誤差在合理范圍內(nèi)。此外，變形后的座椅沒有進入相距其他座椅原始安裝位置102mm的范圍內(nèi)，座椅、連接件與配件在試驗過程中未完全脫離。

1.4動態(tài)試驗驗證

根據(jù)GB 24406-2012［5］，校車座椅的抗前傾動態(tài)試驗采用P系列6歲兒童假人并通過2點式安全帶將其放置在減速臺車上，以模擬碰撞速度為30 km/h的正面碰撞過程。仿真試驗中，混Ⅲ6歲兒童假人模型在2點式安全帶約束下放置在校車座椅上，并對座椅加載試驗中的臺車減速度曲線（如圖6所示）。該加速度在臺車碰撞減速度波形的允許范圍內(nèi)，符合法規(guī)要求［5］。

由于仿真中采用的是混III6歲兒童假人模型，而試驗中采用P系列6歲兒童假人模型，假人的結(jié)構(gòu)和動力學方面的響應(yīng)差異可能導致結(jié)果有誤差。因此，本文采用與試驗相同的仿真方法，驗證混III6歲假人模型測得的加速度值的響應(yīng)趨勢，以確定兒童座椅有限元模型的仿真結(jié)果是有效的。圖7為假人頭部加速度-時間曲線的仿真與試驗結(jié)果對比圖，兩者趨勢較一致。仿真結(jié)果顯示頭部HIC值為230，與P6兒童假人試驗測得的頭部HIC值212誤差率僅為8%，均小于法規(guī)值500。圖8為仿真和試驗中胸部加速度-時間曲線對比圖，兩者整體趨勢較一致。仿真結(jié)果顯示，胸部損傷指標（ThAC）為23.5 g，與試驗結(jié)果26.5 g誤差較小，符合法規(guī)要求值30 g。仿真試驗中兒童有限元模型的軀干和頭部的任何部分向前位移未超過位于輔助座椅G點前1.1m的橫向垂面；座椅模型的骨架、支撐件及附件未產(chǎn)生失效現(xiàn)象。仿真與試驗的誤差在15%以內(nèi)可認為是有效的［9］。因此，本文認為座椅有限元模型可用于兒童乘員損傷防護效率的研究。

2　仿真結(jié)果分析

2.1運動學響應(yīng)分析

在校車正面碰撞中，兒童乘員的頭頸部、胸部、下肢等是常見的損傷部位［10］。兒童假人在110ms時的運動學響應(yīng)如圖9所示。在無安全帶和使用2點式安全帶工況中，兒童假人上體部沒有約束，頭部與前排座椅靠背碰撞。在正確使用3點式和5點式兒童安全帶工況中，肩帶有效限制兒童的移動，使兒童頭部未與前排座椅靠背發(fā)生接觸。當3點式兒童安全帶的肩帶穿過腋下時，肩帶不能較好地約束兒童身體上部前向運動，頭部與前排座椅靠背發(fā)生碰撞，腹部受肩帶的約束明顯，受力增大，頭部和腹部存在損傷風險。當誤用3點式成人安全帶時，肩帶通過頸部使對假人的頸部約束過載，導致頸部損傷風險增加。

2.2頭部最大位移量

圖10為頭部的拋射位移曲線。無安全帶與2點式兒童安全帶工況下的兒童頭部最大位移大于3點式和5點式兒童安全帶。在無安全帶和2點式兒童安全帶約束工況下，兒童身體上部由于無安全帶約束，頭部前向運動并直接碰撞到前排座椅靠背后反彈，并伴隨有頭部后仰，導致頸部處于伸展狀態(tài)，頸部損傷風險較大。在3點式和5點式兒童安全帶的約束條件下，兒童頭部都未與前排座椅靠背發(fā)生接觸，頭部前向位移量小，頭頸部損傷風險較小。在3點式兒童安全帶肩帶跨過腋下的誤用工況中，頭部拋射特性與2點式兒童安全帶的工況相似，肩帶對兒童假人上部未起到約束作用，導致頭部位移過大。在誤用3點式成人安全帶工況下，由于肩帶穿過頸部，約束了頭部的前向位移，然而對頭頸部的致傷風險更大。

2.3頭部加速度分析

6種工況的假人頭部的合成加速度如圖11所示。無安全帶工況下乘員的加速度在95ms時達到最大值964m/s2，2點式兒童安全帶的假人頭部加速度在100ms時達到峰值1 380m/s2，明顯高于3點式與5點式兒童安全帶工況，也大于FMV2213中頭部合成加速度規(guī)定值80 g，這是由于兒童假人在慣性作用下撞擊前排座椅靠背，碰撞沖擊力傳遞到頭部導致的。在3點式兒童安全帶肩帶穿過腋下的誤用工況下，在85ms時，由于兒童的上軀干受到一定的約束作用，頭部加速度達到小波峰，之后安全帶穿過腋下，導致上軀干不受約束；在105 ms時，頭部與前排座椅靠背發(fā)生碰撞，加速度達到最大值，超過FMVSS213中頭部合成加速度的耐限值80 g。在誤使用成人安全帶的工況中，肩帶通過兒童頸部位置，碰撞過程中肩帶勒住乘員的頸部，作用力傳遞到頭部。加速度較低但出現(xiàn)多個波峰，可認為肩帶持續(xù)作用于頸部，兒童頸部肌肉和韌帶尚未發(fā)育完全，易導致頸部骨折造成致命傷害［10］。

2.4胸部加速度分析

如圖12所示，在無安全帶工況中，假人胸部在碰撞后的75ms內(nèi)沒有受到約束，在95ms、115ms和125ms達到峰值，分別由于假人頭部、手部以及胸部碰撞到前排座椅靠背導致的。2點式兒童安全帶工況中，假人胯部受到約束，使約束力傳遞至胸部。在70ms時，達到峰值。在3點式和5點式兒童安全帶工況中，假人胸部加速度峰值在55ms和65ms達到。這是由于安全帶肩帶約束作用力的結(jié)果，且由于5點式兒童安全帶的雙肩帶設(shè)計有效地約束了假人的運動。因此，胸部加速度峰值較3點式工況小。在誤使用3點式成人安全帶的情況下，胸部加速度在68ms時，達到最大波峰后出現(xiàn)了第2波峰，且大于3點式兒童安全帶肩帶穿過腋下的工況的最大波峰值。這是由于3點式成人安全帶的回彈運動，肩帶持續(xù)加載胸部導致第2次峰值的出現(xiàn)。因此，誤用工況降低了兒童約束系統(tǒng)的防護性能，兒童乘員損傷風險增加。正確使用安全帶可減少兒童乘員的損傷風險［11-12］。

3　結(jié)論

本文建立了校車兒童座椅約束系統(tǒng)模型，分析了無安全帶，使用2點式、3點式、5點式兒童安全帶和兩種誤用安全帶的乘員損傷參數(shù)和約束防護性能?？傻贸鲆韵陆Y(jié)論：

1）不使用安全帶與使用2點式兒童安全帶情況下，兒童的頭部合成加速度大于法規(guī)值80 g。使用5點式兒童安全帶的兒童頭部加速度與胸部加速度分別比使用3點式兒童安全帶小6.3%和8.8%。在4種工況下，5點式兒童安全帶能夠最有效降低兒童假人的傷害指標。在有條件的情況下，建議兒童座椅使用5點式安全帶。

2）兩種誤用情況中，3點式兒童安全帶肩帶穿過腋下的情況下，兒童的頭部最大加速度達到了93.8 g，無法達到法規(guī)要求。誤使用成人安全帶情況下，肩帶作用于兒童脆弱的頸部，容易造成窒息。兒童安全帶的誤用可對兒童乘員造成頭頸部的重大損傷，使得安全帶的保護作用大打折扣。

3）建議適當增加前后排座椅之間的空間，以避免頭部與前座椅靠背的碰撞，有效降低頭部傷害值。

［1］高偉，陳鵬.汽車正面碰撞中兒童乘員約束系統(tǒng)的仿真研究［J］.湖北汽車工業(yè)學院學報，2010，24（4）：16-19.

［2］公安部交通管理局.中華人民共和國道路交通事故統(tǒng)計年報（2008年度）［R］.2009.

［3］馬瑞雪，王欣，覃禎員，等.專用小學生校車座椅的CAE仿真分析及試驗驗證［J］.客車技術(shù)與研究，2012，34（1）：5-7.

［4］GB 24407-2012，專用校車安全技術(shù)條件［S］.北京：中國標準出版社，2012.

［5］GB 24406-2012，專用校車學生座椅系統(tǒng)及其車輛固定件的強度［S］.北京：中國標準出版社，2012.

［6］胡佳.基于試驗和有限元仿真的兒童乘員正面和側(cè)面碰撞安全研究［D］.長沙：湖南大學，2008.

［7］FTSS.LS-DYNA Model of the Hybrid III 6-Year Old Child Dummy UserManual，April2005.

［8］田中良知.幼児専用車の安全に関する研究［M］.東京：交通安全環(huán)境研究所，2011.

［9］葉松奎，吳長風，黃登峰.校車座椅動態(tài)試驗乘員損傷研究與優(yōu)化［J］.客車技術(shù)與研究，2014，36（5）：17-20.

［10］楊杏梅，楊濟匡，亓向翠.側(cè)面安全氣囊對兒童乘員的損傷防護效率［J］.江蘇大學學報，2011，32（4）：379-384.

［11］楊杏梅.轎車碰撞事故中兒童乘員的損傷防護技術(shù)研究［D］.長沙：湖南大學，2010.

［12］馬偉.車輛正面碰撞中兒童乘員約束系統(tǒng)的仿真研究［D］.武漢：武漢理工大學，2008.

修改稿日期：2015-04-30

◆產(chǎn)品推介

鄭州奧特科技有限公司（封面）

浙江流遍機械潤滑有限公司（封二）

濰柴動力股份有限公司（封三）

新南風加熱制冷（滄州）有限公司（封底）

鄭州宇通客車股份有限公司（前插一）

安徽安凱汽車股份有限公司（前插二）

中通客車控股股份有限公司（前插三）

深圳市沃特瑪電池有限公司（前插四）

精進電動科技（北京）有限公司（前插五）

鄭州宇通客車股份有限公司（前插六）

鄭州多元客車裝備有限公司（中插一）

國欣長盛（天津）機電銷售有限公司（中插二）

長春市恒豐客車裝備有限公司（中插三）

北汽福田北京歐輝客車分公司（中插四）

上海凱倫電子技術(shù)有限公司（后插一）

東風康明斯發(fā)動機有限公司（后插二）

無錫市新高汽車電機廠（后插三）

河谷（佛山）汽車潤滑系統(tǒng)制造有限公司（后插四）

大連威而裝備技術(shù)有限公司（后插五）

《客車技術(shù)與研究》理事單位名錄（后插六）

FEA on Protective Performanceof Child Restraint System in SchoolBus

Han Yong1，2，Xie Jinping1，LiXiong1，Yang Yang1，KojiMiuzno3，Zhuang Shouji4
（1.SchoolofMechanicaland Automobile Engineering，Xiamen Universityof Technology，Xiamen 361024，China；2.Traffic Medical Research Institute，Third MilitaryMedicalUniversity，Chongqing 400042，China；3.DepartmentofMechanicalScienceand Engineering，Nagoya University，Nagoya 464-8601，Japan；4.Xiamen Golden Dragon Van Co.，Ltd，Xiamen 361006，China）

The dynamic response and injury physical parameters of child'shead and chestare analyzed in school bus front impact conditions，including no safety belt，2-point child safety belt，3-point child safety belt and 5-point child safety belt.Moreover，the injury parameters of child dummy are analyzed in two types ofmisuse of 3-point safety belts.The results show that in the front impact accidents，the 5-point child safety belt can supply better protection for children，and the injury risk of the head and chest can be reduced by using 3-point safety belt correctly.

schoolbus；child restraintsystem；frontal impact；protectiveperformance

U467.1+4；U461.91

A

1006-3331（2015）05-0001-05

國家自然科學基金（31300784）；廈門市科技計劃項目（3502Z20153023）；國家外國專家局高端外國專家團隊項目（GDT20143600027）

韓勇（1984-），男，副教授；博士；研究方向：汽車碰撞安全關(guān)鍵技術(shù)及人體損傷防護等。