J Automotive Safety and Energy, Vol. 11 No. 4, 2020
韩 勇1,2，吕春成1，唐 斌1，黄红武1，罗洁思1，余 意1
（1. 厦门理工学院机械与汽车工程学院，厦门 361024，中国；
2. 汽车安全与节能国家重点实验室，北京，100084, 中国)
防护措施。基于2017版美国公路安全保险协会（IIHS）测试规程，采用THUMS 6YO儿童人体有限
元模型，建立汽车25%重叠率刚性壁障正面碰撞仿真模型。对比分析了有、无靠背的两种CRS有限
元模型的运动学响应及头部、胸部等损伤物理参数。结果表明：汽车小偏置碰撞中6岁儿童乘员同时
具有前向和侧向位移；无靠背的增高垫型CRS约束下的儿童乘员头部和胸部加速度值均大于有靠背
的约束工况，并伴有下潜现象发生。针对损伤风险对儿童约束系统装有限力器的安全带在降低碰撞
过程中乘员的胸部合成加速度和肋骨骨折风险上更优于装有的充气式安全带情况，但在一定程度上会
增加头部损伤风险。
关键词：汽车小偏置碰撞；增高垫型；儿童约束系统（CRS）；约束系统；有限元仿真
中图分类号： U 463.1 文献标识码： A DOI： 10.3969/j.issn.1674-8484.2020.04.003
Injury and protection of child occupants in small overlap
impact by booster CRS
HAN Yong 1, 2, LÜ Chuncheng 1, TANG Bin 1, HUANG Hongwu 1, LUO Jiesi 1, YU Yi 1
(1. School of Mechanical and Automobile Engineering, Xiamen University of Technology, Xiamen, 364024, China;
2. State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy, Beijing, 100084, Fujian China)
Abstract: The risk of injury and protective measures for 6-year-old child occupants were investigated by using
a high-backed booster child restraint system (CRS) in small off-set crashes in automobiles. Based on the 2017 version of the Insurance Institute for Highway Safety (IIHS) test protocols, a THUMS 6YO Human FE (finite element) model was used to develop a front impact FE model of rigid wall with 25% overlap rate of automobile.
The kinematic behaviors of the FE models were compared and analyzed, as well as the injury parameters of
head and chest resultant acceleration. The results show that the 6-year-old children have both forward and
lateral displacement in the small overlap impact; The accelerations of the head and the chest of child occupant under the backless booster CRS were larger than those under the high-backed booster CRS with a declination
收稿日期 / Received ：2020-07-20。
基金项目 / Supported by ：国家自然科学基金项目（51675454）；汽车安全与节能国家重点实验室开放基金课题（编号KF2005）；福建省自然科学基金面上项目 (2016J01748)。
第一作者 / First author ：韩勇(1984—)，男(汉)，江西，教授。E-mail：****************。
第二作者 / Second author ：吕春成(1995—)，男(汉)，江苏，硕士研究生。E-mail：*****************。
motion. The optimized child restraint system makes the seatbelts with load limiter being better than that of inflatable seatbelts in reducing the crew's combined chest acceleration and rib fracture risk during a collision, but with increasing head injury risk of some degree.
Key words:s mall overlap impact of vehicle;booster;child restraint system (CRS);restraint system;finite element (FE) simulation
全球道路交通事故致人死亡数量已经从2000年的115万人增长到了2016年的135万人，死亡人数逐年增加[1]。道路交通伤害已经成为导致5~29岁儿童和青年死亡的头号杀手[1]。复杂的道路交通环境，不同驾驶员之间的安全意识和驾驶行为等原因导致了不同类型的碰撞事故的发生[2]。导致儿童乘员死亡的汽车碰撞事故中，正面碰撞事故数量占总事故数量的34%[3]。
在汽车的正面偏置碰撞中产生的纵向和横向加速度，易导致车内儿童乘员发生脱离汽车安全带或儿童约束系统约束(child restraint system, CRS)的现象。同时，在纵向载荷和横向载荷综合作用下，儿童乘员的头部及四肢等身体重要部位易与车辆前排座椅、近侧车门以及其他内饰结构接触，容易造成严重损伤[4-5]。
关于儿童乘员保护和儿童约束系统的防护性能研究也较为广泛。曹立波等人根据欧洲新车评鉴协会（The European New Car Assessment Program，Euro-NCAP）对6岁和10岁儿童乘员在40%重叠率偏置碰撞和侧面碰撞下的损伤进行了仿真研究，并根据遗传算法对儿童约束系统的参数进行优化，提高了评价得分[6-7]。胡佳等人根据中国新车评价规程（China-New Car Assessment Program，C-NCAP）和Euro-NCAP使用多种类型的儿童约束系统进行了100%重叠率、40%重叠率的正面碰撞和侧面碰撞的实车测试，结果表明100%重叠率碰撞的3岁假人损伤值要高于40%重叠率碰撞的3岁假人损伤值[8]。李海岩等人使用Pam-Crash软件模拟在汽车正面碰撞中正确以及错误使用约束系统对乘坐在后排的六岁儿童乘员头颈部损伤的影响，结果证明只有正确使用约束系统，才能对六岁儿童头颈部起到最好的保护效果[9]。韩勇等人通过实验设计方法（design of experiment，DOE）基于ECE R44法规建立台车正面碰撞仿真模型优化儿童安全带约束路径，提高CRS防护效率[10]。同时又通过在ECE R129实验条件下，对比分析了Q3和THUMS3 YO有限元模型的响应差异，证明THUMS有限元模型可为儿童假人的发展提供有效依据[11]；探究3岁儿童乘员在动态载荷条件下的运动学方程及不同加载方式的胸部软组织损伤风险，对儿童乘员约束系统的设计具有重要指导意义[12]。
本文基于2017版美国公路安全保险协会（Insurance Institute for Highway Safety，IIHS）测试规程[13]，采用有限元仿真方法，通过THUMS 6YO人体有限元模型和2款不同结构类型的CRS（有无靠背的增高垫型CRS）建立了汽车25%重叠率刚性壁障正面碰撞仿真模型，研究6岁儿童模型的响应差异性对
儿童安全约束系统防护性能的影响，并提出装有限力器的安全带和充气式安全带两种防护措施，为偏置碰撞载荷下儿童乘员的损伤与防护研究提供理论参考依据。
1 研究方法
1.1 有限元模型
汽车有限元模型选用乔治华盛顿大学国家碰撞分析中心（NCAC）基于2001版福特Taurus开发的Taurus 有限元模型[14]。该汽车模型共有802个部件，包括车身、传动系统、座椅等，包含了汽车绝大部分结构；模型共有921 793个节点，973 351个单元。部分转动副零部件使用Joint关键字进行了简化，部分焊接使用Rigid 和Spotweld进行了简化，使用质量点对汽车进行了配重。该汽车有限元模型的有效性得到验证[14]。
六岁儿童乘员模型使用第4版学术型儿童乘员THUMS 6YO人体有限元模型[15]。该人体有限元模型的头部、颈部、胸部、骨盆和四肢骨骼等有效性均已得到验证。同时，对该模型在汽车正面和侧面碰撞时的运动学响应的仿真测试数据和相应的测试条件下的尸体试验数据进行了对比分析，仿真测试中人体有限元模型和尸体试验中尸体的头部、颈部、胸部和盆骨的运动轨迹一致性较好[16-18]。
儿童约束系统有限元模型是基于Britax公司提供的某款增高垫型儿童安全座椅的几何数据建立的[19]。该
儿童约束系统的有限元模型分为有无靠背两种形式，在本文中有靠背的儿童约束系统被称为CRS A，无靠背的儿童约束系统被称为CRS B。如图1所示，儿童约束系统有限元模型有效性的验证是根据Britax儿童座椅的ECE R44试验规程设置[20]。仿真实验中，采用ECE R44法规台车模型、Hybrid III 6YO假人模型，并
图2 仿真测试边界条件
图4 骨盆合成加速度
图5 汽车25%偏置碰撞模型
图1 CRS 验证仿真测试模型
图3 胸部合成加速度
使用汽车安全带对假人进行约束。台车的加速度曲线处于法规要求的通道之内，如图2所示。
图3与图4所示为儿童安全座椅试验与仿真中儿
童假人胸部、骨盆合成加速度曲线对比。假人胸部合成加速度曲线走势和峰值的出现位置相似性较好，试验和仿真的胸部加速度最大值分别为35.96g 和39.50g ，误差为9.8%；骨盆合成加速度曲线对比图、骨盆的合成加速度曲线的变化趋势和峰值比较吻合，试验和仿真的骨盆合成加速度的最大值分别为36.18 g 和40.44 g ，g 误差为11.8%。因此，本文建立的儿童约束系统的有限元模型有效，可以作为基础模型用于后续儿童乘员安全防护研究。
ECE 台车
安全带
Hybrid III 6YO
CRS
-10
010*******
100150
a / g
t / ms
010*******
100
200a / g
t / ms
试验
仿真
102030400100
200
a / g
t / ms
试验
仿真
1.2 小偏置碰撞模型的建立
根据2017版IIHS 测试规程建立汽车25%重叠率刚性壁障碰撞模型，车辆的初始速度为64km/h 。如图5所示，6岁儿童假人和儿童约束系统被放置在汽车后排座椅靠驾驶员侧的座位上。汽车和儿童约束系统通过*Contact_Automatic_Single_Surface 各自建立一个自身接触，其他面-面接触使用*Contact_Automatic_
Surface_To_Surface 进行设置。驾驶员、副驾驶乘员和后排女性乘员使用质量点来代替。
6岁儿童乘员 刚性壁障
2 结果分析
2.1 运动学响应
儿童汽车安全座椅图6 为CRS A 、B 约束下的THUMS 6YO (6岁)儿童乘员在汽车小偏置碰撞中的运动学响应。图6 a 表
明： 碰撞发生之后，由于惯性的作用儿童乘员向前运动，直到受到安全带腰带和肩带的约束作用，儿童乘员的躯干和骨盆处的前向位移受到限制，仅有头部继续向前运动，在116 ms 时刻乘员头部前向位移达到最大值。分别在112 ms 和120 ms 时刻，儿童乘员的左右下肢分别撞到汽车前排座椅靠背。在儿童乘员前向运动的过程中，儿童约束系统的靠背和头枕也随乘员的躯干一起向前运动。从74 ms 时刻开始，儿童乘员开始出现明显的横向运动，开始向车门侧移动。随后，在106 ms 时刻儿童约束系统的侧翼撞击到车门，而后儿童乘员靠
近车门的手臂撞到车门，之后儿童乘员和约束系统开始出现反弹。在反弹阶段，儿童乘员和儿童约束系统的靠背和头枕开始远离车门，同时向汽车后排座椅靠背方向运动。儿童约束系统的靠背在232 ms 时刻与汽车后排座椅靠背发生碰撞。
图6 b 表明：碰撞发生后，儿童乘员虽受到汽车安全带的约束，但前向运动明显，在此过程中，出现了下潜现象[20]：安全带腰带由原来位于乘员盆骨处滑向儿童乘员腹部的位置，盆骨及以下的身体部位逐渐失去约束。同时安全带肩带的约束位置并未发生明显的改变，乘员的上躯干受到约束。基于上述原因，儿童乘员发生了严重的倾斜，躯干由最开始的直立姿势变成斜躺姿势。在反弹阶段，乘员的头部先于后背撞击到汽车后排座椅靠背，而后盆骨及以下身体部位开始明显地后向运动，同时双腿发生了弯曲（小腿绕膝盖弯曲）。另在碰撞过程中乘员的下肢和前排座椅靠背发生碰撞，靠近车门侧的手臂和车门内侧结构发生撞击。
2.2 头部和胸部损伤参数
图7和图8所示的分别为汽车小偏置碰撞中受到CRS A 和CRS B 约束的6岁儿童乘员的头部合成加速度曲线和胸部合成加速度曲线。
60
t / ms 120
图6 2种约束下的乘员运动学响应图7 头部合成加速度
图8 胸部合成加速度
180
240
由图7可知：在前半阶段两曲线的走势和波峰的具有相似性；但是在后半阶段CRS A 和CRS B 约束的儿童乘员头部合成加速度存在波峰。这是由于在碰撞的后半阶段，儿童乘员和约束系统出现反弹，受到CRS A 约束的儿童乘员头部和CRS A 的头枕发生撞击，受到CRS B 约束的乘员头部和汽车后排座椅的
靠背发生撞击造成的。其中在CRS B 中的头部加速度峰值远大于CRS A 中的峰值，表明乘员头部和汽车后排座椅靠背发生撞击的剧烈程度大于和CRS A 头枕发生撞击的剧烈程度。
由图8可知：在100~150 ms 之间，CRS B 约束下的儿童乘员胸部合成加速度明显大于CRS A 约束下的胸部合成加速度。这可能是由于CRS A 的靠背承担了一部分汽车安全带的作用力，而CRS B 没有靠背，安全带的力全部作用于儿童乘员胸部，其中，CRS A 中汽车安全带和儿童乘员胸部接触力的最大值为2.823 kN ，CRS B 中安全带和乘员胸部之间的接触力最大值为3.108 kN 。
2.3 重要器官损伤参数
Baumgartner 等人的相关研究表明当脑组织的应力达到15~20 kPa 时会有脑震荡出现[21]。
50
100
100200
a / g
t / ms
CRS A CRS B
50
100
100
200
a
/
g
t
/ ms
CRS A CRS B
(a) CRS A 约束
(b) CRS B 约束
图9 脑组织的Von Mises 应力云图
图10 肋骨、心脏肺部的第一主应变云图
CRS B
CRS B
CRS A
CRS A 图9所示是不同约束系统中的儿童乘员的头部脑组织Von Mises 应力云图，其中CRS A 和CRS B 对应的最大值分别为6.49、8.48 kPa 。可以明显看出这两种工况下头部脑组织的应力值均未超过损伤阈值，但是在CRS B 对应的工况中应力分布明显高于CRS A ，这主要是在碰撞反弹中头部和汽车后排座椅靠背发生撞击引起的。
LYU Wenle 等人在前人研究的基础上对成人肋骨密质骨的骨折应变范围进行了比例缩放，从而得到了儿童肋骨骨折的极限应变范围为3.6%~4.5% [22]
。
-4204060
-2
10 20 /10
-2
/10-
2
-2
40
80
/10-2
(a)肋骨
(b)心脏(c)肺部
-4204060
/10
-
4 图10 a 所示是不同增高垫约束下的儿童乘员的肋骨第一主应变云图，其中在CRS A 和CRS B 中对应的肋骨变形最大值分别为42.91%和58.17%。肋骨的挤压变形主要由安全带肩带的约束造成，安全带肩
带过第一跟肋骨处的应变值都较大。CRS B 对应的工况中安全带肩带的约束力主要作用到胸部，没有头枕靠背等结构共同承担肩带的约束力，因此这2种情况下肋骨的应变值超过骨折阈值较多，骨折风险较高。
YAMADA 等人对人类心肌组织的测试数据表明0-9岁儿童心肌组织的极限拉伸应变为62.9±6.9%，且第一主应变达到30%时，心肌组织便出现损伤[23]。
图10 b 所示为不同增高垫约束下的儿童乘员的肺部第一主应变云图，其中CRS A 和CRS B 对应的最大值分别为40.50%和49.39%。心脏局部受到肋骨和胸椎的挤压以及外力的挤压导致应变集中，在2种工况下心脏的应变值都较大，出现心脏挫伤的风险较高。
Gayzik 等人利用试验和仿真相结合的方法对肺部的损伤进行研究，指出肺部第一主应变能够很好的预测肺部显影损伤，并且给出了肺部有限元模型的应变达到35%时肺组织会出现损伤的结论[24]。
图10 c 所示是不同增高垫约束下的儿童乘员的心脏第一主应变云图，其中CRS A 和CRS B 对应的最大
值分别为128.34%和145.81%。两种情况的乘员肺部的第一主应变值都远远超过了损伤耐限值，所以肺部出现肺部挫伤甚至破裂的风险高。
3 约束系统的优化分析
根据损伤参数分析研究发现，使用CRS B 的儿童乘员的头部和胸部损伤风险高于其他几个儿童约束系统所对应的风险值，因此针对约束系统CRS B 进行优化。Katarina Bohman 等人研究发现对于在汽车后排座椅乘坐的使用增高垫型儿童安全约束系统的6岁儿童乘员，当使用安装限力器的汽车安全带时，其头部、颈部和腹部的损伤参数明显低于使用未安装限力器安全带的情况[25]。Srinivasan 等对正面碰撞中后排使用充气式安全带的乘员的损伤进行了分析，结果表明充气式安全带相对于普通安全带能降低乘员头部前向位移量和胸部压缩量，肋骨骨折以及脊椎损伤的风险降低[26]。
本文对约束系统的优化方案是在前人关于对安全带限力器和充气式安全带研究结果的基础上进行，使用该方案分析限力器和充气式安全带对处于汽车小偏置碰撞中的儿童乘员的防护效果进行分析。
根据限力器的工作原理，使用LS-Dyna 中的关键字*ELEMENT_SEATBELT_RETRACTOR 模拟限力
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