儿童保护动态评价影响因素研究

郭庆祥 王楠 朱海涛 卜晓兵 张向磊

（1.中汽研汽车检验中心（天津）有限公司，天津 300300；2.天津交通职业学院，天津 300300）

主题词：Q3假人 儿童乘员 影响因素 灵敏度分析

1 前言

中国交通事故深入研究（China In-Depth Accident Study，CIDAS）数据库资料显示，2018 年车辆碰撞事故中后排0～10岁乘员伤亡人数占总伤亡人数的7%，后排儿童的安全性研究越来越受到重视。

2021 年版《C-NCAP 管理规则》规定了在正面碰撞试验中对Q3 儿童假人的头部、颈部和胸部的伤害情况进行评价，Q3儿童假人的伤害评估得分普遍不高。本文基于2021年版《C-NCAP管理规则》对Q3儿童保护效果的影响因素进行研究。

2 分析说明

2.1 数据来源

儿童约束系统的研究方法主要分为实车试验法、台车试验法以及计算机仿真。本文从40余款已完成实车正面碰撞试验的车型（包括小型车、紧凑型车、中级车及SUV 等）中筛选出7 款具有代表性的乘用车，基于其试验结果并结合CAE仿真结果进行分析。选取的车型左侧B柱加速度波形如图1所示，试验结果如表1所示。

表1 试验结果

图1 车辆左B柱波形

2.2 仿真模型与对标

如图2 所示，本文以车型4 的试验结果作为输入，完成了Q3 儿童仿真模型搭建并进行仿真验证，仿真结果图3 所示，应用响应误差评估（Enhanced Error Assessment of Response Time Histories，EEARTH）方法计算曲线拟合精度，结果显示，头部合成加速度、胸部合成加速度及颈部张力曲线的拟合指数均达到0.9以上，故可基于此模型进行后续仿真分析。

图2 仿真验证模型

图3 头部、胸部及颈部伤害拟合曲线

2.3 Q3儿童伤害指标

本文基于2021 年版《C-NCAP 管理规则》中正面碰撞评价指标，研究儿童保护动态评价的各影响因素，相关指标如下：头部伤害指标HIC高性能指标为500，低性能指标为700；头部3 ms累积加速度高性能伤害指标为60，低性能伤害指标为80；颈部张力F高性能伤害指标为1.555 kN，低性能伤害指标为2.840 kN；胸部3 ms累积加速度高性能伤害指标为41，低性能伤害指标为55。

3 儿童座椅因素

对于Q3 儿童的保护，可应用的儿童座椅如图4 所示。

图4 儿童座椅安装方式示意

与通用安全带安装式儿童座椅相比，ISOFIX 固定式儿童座椅更稳定且具有更好的动态性能，但不一定能更加有效地保护儿童乘员，相反还有可能使儿童乘员受到更大的伤害。

前置护体式儿童座椅与五点式安全带儿童座椅相比，其头部与胸部伤害指标评价结果较好，但腹部压力指标会出现不满足法规要求的情况。因为前置护体式儿童座椅中的儿童胸、腹部组织所受应力应变在区域和数值上相对于五点式安全带儿童座椅更大，胸、腹部软组织发生损伤的风险也更大。其中，造成肝脏裂伤的原因可能是前置护体在撞击过程中与腹部直接接触，也可能是在胸部压迫过程中肝脏向下移动，镰状韧带拉紧，导致肝脏撕裂。

五点式安全带儿童座椅能将儿童更好地约束在座椅上且分散碰撞能量，但是在向前运动过程中存在吸能空间不足问题，进而导致颈部、胸部损伤严重。

另外，对于座椅的安装布置，统计试验结果显示，目前正向安装儿童座椅的得分普遍较差，反向摆放儿童座椅普遍比正向摆放效果好。但反向安装座椅存在抗翻转性不足的缺点，易撞击前排造成儿童头部伤害。

4 车身结构因素影响

关于车身结构对儿童保护的影响分析，目前行业内主要应用车辆B柱加速度波形进行车身结构等效评估，波形评价指标包括车辆脉冲指数（Vehicle Pulse Index，VPI）及乘员载荷准则（Occupant Load Criterion，OLC）等，本文采用OLC 来简化车辆B 柱加速度波形，进而分析加速度波形与乘员损伤的关联性趋势，研究车身结构因素对儿童保护的影响。

4.1 乘员载荷准则

在给定某车辆减速度波形的条件下，假定乘员做单纯的前向运动求得乘员平均减速度，用于评价车辆减速度对乘员的作用。乘员载荷准则的计算公式为：

式中，为胸部初始速度；为胸部移动300 mm 时刻速度；为胸部从初始位置运动到65 mm处的持续时间；为胸部从65 mm处运动至300 mm处的持续时间。

4.2 波形因素影响分析

排除约束系统及儿童座椅等因素的影响，采用单因素分析法，仅考虑加速度波形因素进行分析。根据式（1），获得7 款车型的左侧B 柱加速度波形所对应的OLC计算结果，如表2所示。

表2 OLC计算结果 g

基于2.2节Q3儿童保护仿真模型，获得7款车型的左侧B 柱加速度波形对应的儿童伤害情况，正向、反向安装儿童座椅的Q3儿童伤害结果分别如表3、表4所示。

表3 不同B柱加速度波形下正向儿童座椅仿真结果

由表3 和表4 可知，车身结构对儿童保护有较大影响，随着OLC增大，Q3假人受到的伤害越发严重。对于具体伤害，车身结构因素对儿童头部影响大于胸部，而胸部伤害更多地受到儿童座椅及安全带等约束系统配置的影响。

表4 不同B柱加速度波形下反向儿童座椅仿真结果

5 约束系统影响分析

5.1 总体分析

基于2.1节筛选的7款车型，车型1、车型4及车型7都选用同型号的儿童座椅，如图5 所示，虽然OLC 相差较大，但儿童保护的动态得分均为2 分左右，说明除儿童座椅及车身结构因素外，车辆第二排座椅坐垫刚度及倾角、碰撞空间等因素也会影响儿童保护。

图5 各车型试验情况

5.2 第二排座椅坐垫倾角

利用儿童约束系统模型，采用不同坐垫倾角进行仿真分析。坐垫倾角即坐垫表面与水平面的夹角，根据工程经验并考虑舒适性，本文采用3种不同座椅坐垫倾角进行仿真分析：10°、15°、20°。

反向安装儿童座椅的统计结果如表5所示，儿童座椅有支撑腿，因此坐垫倾角主要影响儿童髋部角度，随着坐垫倾角的增大，假人伤害减小。

表5 不同坐垫倾角下反向儿童座椅仿真矩阵及结果

对于正向儿童座椅，统计结果如表6 所示，基于当前对标模型（车型4），随着坐垫倾角增大，假人伤害减小，但坐垫倾角增大到一定程度后，伤害情况不再明显改善。

表6 不同坐垫倾角下正向儿童座椅仿真矩阵及结果

5.3 第二排座椅坐垫刚度

为了简化分析，本文在对坐垫刚度的分析中通过座椅向最大压缩位移反映坐垫刚度，采用8 种不同压缩量进行评估：25 mm、30 mm、35 mm、40 mm、45 mm、50 mm、55 mm、60 mm。

根据上述设定，采用儿童保护模型进行仿真分析，基础模型压缩量为45 mm，结果如表7 所示，随着坐垫刚度增大，假人伤害减小，但坐垫刚度增大到一定程度后，伤害情况不再明显改善。

表7 不同坐垫刚度下正向儿童座椅结果

5.4 碰撞空间

在某车型Q3 儿童保护滑车试验结果统计中发现，采用反向儿童座椅结果比前向布置儿童座椅低约2分。通过录像对比分析，如图6 所示，发现第二排空间不足导致后向摆放的儿童座椅撞击前排座椅，并与前排座椅骨架发生刚性碰撞，进而导致儿童头部伤害指标超标。

图6 座椅碰撞空间

因此，儿童约束系统防护效果不能忽略儿童与车辆内饰之间发生的碰撞，需保证儿童座椅的碰撞空间，避免撞击前排座椅。

6 灵敏度分析

不同因素对儿童伤害的影响程度存在差异，为了更好地评判各因素对儿童伤害的影响程度，本文参考美国法规FMVSS 208《乘员碰撞保护》中的加权伤害指标（Weighted Injury Criterion，WIC）进行分析，WIC 的值越小，表明乘员受到伤害越小。加权伤害指标的计算公式为：

式中，为头部累积3 ms合成加速度；为胸部累积3 ms合成加速度。

考虑到儿童头部缺乏安全气囊的保护，其潜在危险更大，故式（2）中选择权重系数为0.4，胸部、颈部的权重系数为0.3。

对于灵敏度的分析，本文采用正交试验和极差分析法，选取正向布置和反向布置作为座椅因素，另选取加速度波形、第二排座椅的刚度及坐垫倾角共4 个因素，并根据各因素的趋势分别设置3 个水平进行分析，以L9(3)正交试验表安排试验矩阵，最终确定的正交试验因素及水平如表8所示。

表8 各因素和水平列表

正交试验矩阵及试验结果如表9 所示。其中：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别为各因素的水平1、水平2、水平3的估计值；、、分别为各因素的水平1、水平2、水平3 综合平均值；为极差，即对应因素在其取值范围内试验指标最大综合平均值与最小综合平均值之差。

表9 正交试验矩阵及试验结果

结果表明，对于Q3儿童保护，座椅布置形式的影响最显著，其次是车身结构，再次为第二排座椅刚度和坐垫倾角。

7 结束语

本文基于试验数据统计结果，同时结合仿真分析，完成了Q3儿童保护单因素影响分析，确定了影响Q3儿童保护的主要因素包括儿童座椅形式、车身结构、第二排座椅坐垫刚度及倾角、儿童碰撞空间及车辆安全带。

采用正交试验及极差分析法对各因素的灵敏度进行了分析，结果表明，对于Q3 儿童保护，座椅布置形式为主要影响因素，其次是车身结构，再次为二排座椅刚度和坐垫倾角。