兒童保護(hù)動態(tài)評價影響因素研究

郭慶祥 王楠 朱海濤 卜曉兵 張向磊

（1.中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司，天津 300300；2.天津交通職業(yè)學(xué)院，天津 300300）

主題詞：Q3假人 兒童乘員 影響因素 靈敏度分析

1 前言

中國交通事故深入研究（China In-Depth Accident Study，CIDAS）數(shù)據(jù)庫資料顯示，2018 年車輛碰撞事故中后排0～10歲乘員傷亡人數(shù)占總傷亡人數(shù)的7%，后排兒童的安全性研究越來越受到重視。

2021 年版《C-NCAP 管理規(guī)則》規(guī)定了在正面碰撞試驗中對Q3 兒童假人的頭部、頸部和胸部的傷害情況進(jìn)行評價，Q3兒童假人的傷害評估得分普遍不高。本文基于2021年版《C-NCAP管理規(guī)則》對Q3兒童保護(hù)效果的影響因素進(jìn)行研究。

2 分析說明

2.1 數(shù)據(jù)來源

兒童約束系統(tǒng)的研究方法主要分為實(shí)車試驗法、臺車試驗法以及計算機(jī)仿真。本文從40余款已完成實(shí)車正面碰撞試驗的車型（包括小型車、緊湊型車、中級車及SUV 等）中篩選出7 款具有代表性的乘用車，基于其試驗結(jié)果并結(jié)合CAE仿真結(jié)果進(jìn)行分析。選取的車型左側(cè)B柱加速度波形如圖1所示，試驗結(jié)果如表1所示。

表1 試驗結(jié)果

圖1 車輛左B柱波形

2.2 仿真模型與對標(biāo)

如圖2 所示，本文以車型4 的試驗結(jié)果作為輸入，完成了Q3 兒童仿真模型搭建并進(jìn)行仿真驗證，仿真結(jié)果圖3 所示，應(yīng)用響應(yīng)誤差評估（Enhanced Error Assessment of Response Time Histories，EEARTH）方法計算曲線擬合精度，結(jié)果顯示，頭部合成加速度、胸部合成加速度及頸部張力曲線的擬合指數(shù)均達(dá)到0.9以上，故可基于此模型進(jìn)行后續(xù)仿真分析。

圖2 仿真驗證模型

圖3 頭部、胸部及頸部傷害擬合曲線

2.3 Q3兒童傷害指標(biāo)

本文基于2021 年版《C-NCAP 管理規(guī)則》中正面碰撞評價指標(biāo)，研究兒童保護(hù)動態(tài)評價的各影響因素，相關(guān)指標(biāo)如下：頭部傷害指標(biāo)HIC高性能指標(biāo)為500，低性能指標(biāo)為700；頭部3 ms累積加速度高性能傷害指標(biāo)為60，低性能傷害指標(biāo)為80；頸部張力F高性能傷害指標(biāo)為1.555 kN，低性能傷害指標(biāo)為2.840 kN；胸部3 ms累積加速度高性能傷害指標(biāo)為41，低性能傷害指標(biāo)為55。

3 兒童座椅因素

對于Q3 兒童的保護(hù)，可應(yīng)用的兒童座椅如圖4 所示。

圖4 兒童座椅安裝方式示意

與通用安全帶安裝式兒童座椅相比，ISOFIX 固定式兒童座椅更穩(wěn)定且具有更好的動態(tài)性能，但不一定能更加有效地保護(hù)兒童乘員，相反還有可能使兒童乘員受到更大的傷害。

前置護(hù)體式兒童座椅與五點(diǎn)式安全帶兒童座椅相比，其頭部與胸部傷害指標(biāo)評價結(jié)果較好，但腹部壓力指標(biāo)會出現(xiàn)不滿足法規(guī)要求的情況。因為前置護(hù)體式兒童座椅中的兒童胸、腹部組織所受應(yīng)力應(yīng)變在區(qū)域和數(shù)值上相對于五點(diǎn)式安全帶兒童座椅更大，胸、腹部軟組織發(fā)生損傷的風(fēng)險也更大。其中，造成肝臟裂傷的原因可能是前置護(hù)體在撞擊過程中與腹部直接接觸，也可能是在胸部壓迫過程中肝臟向下移動，鐮狀韌帶拉緊，導(dǎo)致肝臟撕裂。

五點(diǎn)式安全帶兒童座椅能將兒童更好地約束在座椅上且分散碰撞能量，但是在向前運(yùn)動過程中存在吸能空間不足問題，進(jìn)而導(dǎo)致頸部、胸部損傷嚴(yán)重。

另外，對于座椅的安裝布置，統(tǒng)計試驗結(jié)果顯示，目前正向安裝兒童座椅的得分普遍較差，反向擺放兒童座椅普遍比正向擺放效果好。但反向安裝座椅存在抗翻轉(zhuǎn)性不足的缺點(diǎn)，易撞擊前排造成兒童頭部傷害。

4 車身結(jié)構(gòu)因素影響

關(guān)于車身結(jié)構(gòu)對兒童保護(hù)的影響分析，目前行業(yè)內(nèi)主要應(yīng)用車輛B柱加速度波形進(jìn)行車身結(jié)構(gòu)等效評估，波形評價指標(biāo)包括車輛脈沖指數(shù)（Vehicle Pulse Index，VPI）及乘員載荷準(zhǔn)則（Occupant Load Criterion，OLC）等，本文采用OLC 來簡化車輛B 柱加速度波形，進(jìn)而分析加速度波形與乘員損傷的關(guān)聯(lián)性趨勢，研究車身結(jié)構(gòu)因素對兒童保護(hù)的影響。

4.1 乘員載荷準(zhǔn)則

在給定某車輛減速度波形的條件下，假定乘員做單純的前向運(yùn)動求得乘員平均減速度，用于評價車輛減速度對乘員的作用。乘員載荷準(zhǔn)則的計算公式為：

式中，為胸部初始速度；為胸部移動300 mm 時刻速度；為胸部從初始位置運(yùn)動到65 mm處的持續(xù)時間；為胸部從65 mm處運(yùn)動至300 mm處的持續(xù)時間。

4.2 波形因素影響分析

排除約束系統(tǒng)及兒童座椅等因素的影響，采用單因素分析法，僅考慮加速度波形因素進(jìn)行分析。根據(jù)式（1），獲得7 款車型的左側(cè)B 柱加速度波形所對應(yīng)的OLC計算結(jié)果，如表2所示。

表2 OLC計算結(jié)果 g

基于2.2節(jié)Q3兒童保護(hù)仿真模型，獲得7款車型的左側(cè)B 柱加速度波形對應(yīng)的兒童傷害情況，正向、反向安裝兒童座椅的Q3兒童傷害結(jié)果分別如表3、表4所示。

表3 不同B柱加速度波形下正向兒童座椅仿真結(jié)果

由表3 和表4 可知，車身結(jié)構(gòu)對兒童保護(hù)有較大影響，隨著OLC增大，Q3假人受到的傷害越發(fā)嚴(yán)重。對于具體傷害，車身結(jié)構(gòu)因素對兒童頭部影響大于胸部，而胸部傷害更多地受到兒童座椅及安全帶等約束系統(tǒng)配置的影響。

表4 不同B柱加速度波形下反向兒童座椅仿真結(jié)果

5 約束系統(tǒng)影響分析

5.1 總體分析

基于2.1節(jié)篩選的7款車型，車型1、車型4及車型7都選用同型號的兒童座椅，如圖5 所示，雖然OLC 相差較大，但兒童保護(hù)的動態(tài)得分均為2 分左右，說明除兒童座椅及車身結(jié)構(gòu)因素外，車輛第二排座椅坐墊剛度及傾角、碰撞空間等因素也會影響兒童保護(hù)。

圖5 各車型試驗情況

5.2 第二排座椅坐墊傾角

利用兒童約束系統(tǒng)模型，采用不同坐墊傾角進(jìn)行仿真分析。坐墊傾角即坐墊表面與水平面的夾角，根據(jù)工程經(jīng)驗并考慮舒適性，本文采用3種不同座椅坐墊傾角進(jìn)行仿真分析：10°、15°、20°。

反向安裝兒童座椅的統(tǒng)計結(jié)果如表5所示，兒童座椅有支撐腿，因此坐墊傾角主要影響兒童髖部角度，隨著坐墊傾角的增大，假人傷害減小。

表5 不同坐墊傾角下反向兒童座椅仿真矩陣及結(jié)果

對于正向兒童座椅，統(tǒng)計結(jié)果如表6 所示，基于當(dāng)前對標(biāo)模型（車型4），隨著坐墊傾角增大，假人傷害減小，但坐墊傾角增大到一定程度后，傷害情況不再明顯改善。

表6 不同坐墊傾角下正向兒童座椅仿真矩陣及結(jié)果

5.3 第二排座椅坐墊剛度

為了簡化分析，本文在對坐墊剛度的分析中通過座椅向最大壓縮位移反映坐墊剛度，采用8 種不同壓縮量進(jìn)行評估：25 mm、30 mm、35 mm、40 mm、45 mm、50 mm、55 mm、60 mm。

根據(jù)上述設(shè)定，采用兒童保護(hù)模型進(jìn)行仿真分析，基礎(chǔ)模型壓縮量為45 mm，結(jié)果如表7 所示，隨著坐墊剛度增大，假人傷害減小，但坐墊剛度增大到一定程度后，傷害情況不再明顯改善。

表7 不同坐墊剛度下正向兒童座椅結(jié)果

5.4 碰撞空間

在某車型Q3 兒童保護(hù)滑車試驗結(jié)果統(tǒng)計中發(fā)現(xiàn)，采用反向兒童座椅結(jié)果比前向布置兒童座椅低約2分。通過錄像對比分析，如圖6 所示，發(fā)現(xiàn)第二排空間不足導(dǎo)致后向擺放的兒童座椅撞擊前排座椅，并與前排座椅骨架發(fā)生剛性碰撞，進(jìn)而導(dǎo)致兒童頭部傷害指標(biāo)超標(biāo)。

圖6 座椅碰撞空間

因此，兒童約束系統(tǒng)防護(hù)效果不能忽略兒童與車輛內(nèi)飾之間發(fā)生的碰撞，需保證兒童座椅的碰撞空間，避免撞擊前排座椅。

6 靈敏度分析

不同因素對兒童傷害的影響程度存在差異，為了更好地評判各因素對兒童傷害的影響程度，本文參考美國法規(guī)FMVSS 208《乘員碰撞保護(hù)》中的加權(quán)傷害指標(biāo)（Weighted Injury Criterion，WIC）進(jìn)行分析，WIC 的值越小，表明乘員受到傷害越小。加權(quán)傷害指標(biāo)的計算公式為：

式中，為頭部累積3 ms合成加速度；為胸部累積3 ms合成加速度。

考慮到兒童頭部缺乏安全氣囊的保護(hù)，其潛在危險更大，故式（2）中選擇權(quán)重系數(shù)為0.4，胸部、頸部的權(quán)重系數(shù)為0.3。

對于靈敏度的分析，本文采用正交試驗和極差分析法，選取正向布置和反向布置作為座椅因素，另選取加速度波形、第二排座椅的剛度及坐墊傾角共4 個因素，并根據(jù)各因素的趨勢分別設(shè)置3 個水平進(jìn)行分析，以L9(3)正交試驗表安排試驗矩陣，最終確定的正交試驗因素及水平如表8所示。

表8 各因素和水平列表

正交試驗矩陣及試驗結(jié)果如表9 所示。其中：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分別為各因素的水平1、水平2、水平3的估計值；、、分別為各因素的水平1、水平2、水平3 綜合平均值；為極差，即對應(yīng)因素在其取值范圍內(nèi)試驗指標(biāo)最大綜合平均值與最小綜合平均值之差。

表9 正交試驗矩陣及試驗結(jié)果

結(jié)果表明，對于Q3兒童保護(hù)，座椅布置形式的影響最顯著，其次是車身結(jié)構(gòu)，再次為第二排座椅剛度和坐墊傾角。

7 結(jié)束語

本文基于試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，同時結(jié)合仿真分析，完成了Q3兒童保護(hù)單因素影響分析，確定了影響Q3兒童保護(hù)的主要因素包括兒童座椅形式、車身結(jié)構(gòu)、第二排座椅坐墊剛度及傾角、兒童碰撞空間及車輛安全帶。

采用正交試驗及極差分析法對各因素的靈敏度進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，對于Q3 兒童保護(hù)，座椅布置形式為主要影響因素，其次是車身結(jié)構(gòu)，再次為二排座椅剛度和坐墊傾角。