側面碰撞中兒童測試假人與人體模型動態響應差異性研究

張學榮+黃碩+許長龍+周進寶

摘 要：采用計算機仿真和試驗相結合的方法，根據ECE R129法規在多剛體動力學分析軟件（Mathematical Dynamic Model，MADYMO）中建立Q3兒童測試假人和Facet兒童人體模型的正碰和側碰仿真模型[1]。通過臺車碰撞試驗驗證所建仿真模型的有效性，研究在側碰情況下，Q3兒童測試假人和Facet兒童人體模型動態響應的差異性。仿真結果發現，在側面碰撞時，Q3兒童測試假人回彈過程中側傾角度明顯大于Facet兒童人體模型，二者頭部加速度曲線以及傷害值較為吻合，但胸部3 ms合成加速度相差較大。研究結果表明，Q3兒童測試假人胸椎相比Facet人體模型剛度較大，Q3兒童測試假人胸椎、腰椎生物仿真度有待進一步提高。

關鍵詞：側碰；動態響應；假人；兒童安全；人體模型

中圖分類號：U461.91文獻標文獻標識碼：A文獻標DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2016.06.11

Abstract：By the method of combining the computer simulation and test， according to the requirements of ECE R129 regulations， for both Q3 dummy and Facet human model， the simulations of frontal and side impacts were conducted in MADYMO and verified by frontal crash tests. The paper studies the difference in dynamic response between the Q3 test dummy and human model under side impact conditions. The results show that the roll angle of Q3 test dummy is greater than that of human model in the process of rebound. The two head acceleration curves and both the damage values are consistent； however， the difference in chest 3 ms synthetic acceleration is large. The study shows that the stiffness of Q3 dummy is greater than that of human model， and the biofidelity of the test dummy should be improved in the thoracic and lumbar regions.

Keywords：side crash； dynamic response； dummy； child safety； human model

隨著乘車安全知識的普及，兒童約束系統已被廣泛使用。目前，兒童安全座椅的保護性能主要通過兒童測試假人來評價。兒童測試假人與真實人體動態響應的差異性對評價結果有著至關重要的影響[2]。

但是現有的安全座椅在交通事故中的表現卻和試驗研究中的結果存在一定差異。本文以歐洲某公司的調查報告為背景，該報告指出，在歐洲消費者測試中獲得“極好”評價的兒童安全座椅安裝在安全星級為頂級的車輛中，兒童安全座椅卻沒能有效地將兒童測試假人約束住，兒童測試假人被拋出安全座椅；然而在交通事故統計中，使用前置護體型兒童約束系統的兒童乘員并沒有被拋出安全座椅[3]。由此可知，現有的兒童測試假人在試驗研究中并不能真實地反映人體的動態響應。本課題據此進行相關研究，找出兒童測試假人與真實人體動態響應的差異所在，分析產生差異的根本原因。

1 仿真模型的建立

碰撞臺車仿真模型是兒童測試假人與Facet兒童人體模型動態響應差異性研究的關鍵，本文根據ECE R129法規分別建立正面、側面碰撞臺車仿真模型[4]。在Hypermesh軟件中進行有限元網格劃分，將有限元模型導入MADYMO軟件中模擬碰撞環境。

1.1 兒童安全座椅仿真模型建立

本研究采用的兒童約束系統模型為某公司開發的前置護體型兒童安全座椅，將兒童安全座椅模型導入兒童安全座椅有限元模型，如圖1所示。

賦予各個部件相應的材料和屬性，對各個部件進行適當配重。有限元模型單元節點信息見表1。

1.2 碰撞臺車座椅仿真模型建立

根據ECE R129法規建立碰撞臺車座椅模型。臺車座椅坐墊和靠背材料為聚氨酯泡沫，密度為43 kg/m3，材料特性通過試驗測得。

1.3 側面碰撞仿真模型的建立

本研究建立的側面碰撞仿真臺車模型為加速型試驗臺車。根據ECE R129法規，在正面碰撞仿真模型的基礎上加入碰撞滑車模型[5-6]，滑車上的門板結構用以模擬車門入侵。

正面碰撞仿真模型建模步驟如下：

（1）將兒童安全座椅和臺車座椅有限元模型分別導出為K文件格式，將K文件中網格節點信息分別導入MADYMO軟件中。

（2）通過預模擬方法對兒童安全座椅模型和假人模型（本研究采用的是Q系列3歲兒童假人）進行初始定位。

（3）根據ECE R129法規確定安全帶D環、帶扣以及錨點的位置建立多剛體安全帶模型；定義安全帶預緊器及卷收器，輸出安全帶各時刻的拉力及有限元安全帶模型的節點信息；將兒童安全座椅模型固定在質心位置，定義安全帶模型與兒童安全座椅模型的接觸，設置相關參數后提交計算；選取安全帶拉力達到60 N時的安全帶位置作為仿真初始位置；重新導入安全帶有限元模型節點信息。

加速型碰撞臺車仿真模型具體建模步驟如下：

（1）在ECE R129法規中，側面碰撞仿真模型在正面碰撞仿真模型基礎上加入侵入門板結構。侵入門板主要由10 mm厚的鋼板以及50 mm厚的填充材料組成，對侵入門板結構進行建模。

（2）將侵入門板有限元模型導出后導入Madymo軟件中，側面碰撞仿真模型如圖2所示。圖2a為Q系列兒童假人側面碰撞仿真模型，圖2b為Facet兒童人體模型側面碰撞仿真模型。

2 碰撞仿真模型有效性驗證

2.1 碰撞仿真環境設定

按照正面碰撞臺車試驗方法進行相應的仿真，正面碰撞臺車試驗如圖3所示。給正面碰撞仿真模型施加與臺車試驗中相同的加速度波形，加速度波形如圖4所示。

ECE R129法規中對碰撞臺車試驗加速度波形有明確規定，加速度波形須處于規定波形區間，具體波形區間如圖5所示。

2.2 碰撞仿真模型有效性驗證

仿真模型有效性驗證主要包括運動學響應驗證和動力學響應驗證。運動學響應主要包括兒童安全座椅模型的變形情況以及兒童假人的運動姿態等；動力學響應主要包括兒童假人的頭部、胸部、髖部加速度響應時間歷程曲線以及兒童假人的傷害指標等[7]。

2.2.1 運動學響應有效性驗證

對比仿真動畫以及臺車試驗錄像，對仿真模型運動學響應進行驗證[5]，圖6所示為仿真與試驗中兒童假人運動學響應對比。

由圖6可知，不同時刻仿真模型中兒童假人的運動姿態與碰撞臺車試驗中兒童測試假人的運動姿態基本一致，兒童安全座椅模型變形程度與試驗基本吻合，認為該仿真模型運動學響應準確。

2.2.2 動力學響應有效性驗證

圖7～9為仿真與試驗中兒童假人動力學響應特性曲線對比，表2為仿真與試驗兒童假人主要傷害指標具體數值對比。

由表2可知，仿真與試驗中兒童損傷評價指標數值誤差范圍控制在12%內，頭部、胸部、髖部加速度曲線基本吻合，說明該仿真模型對兒童損傷情況的預測基本滿足要求，認為該模型的動力學響應準確。

Q3兒童測試假人與Facet兒童人體模型動態

響應差異性研究

3.1 Q3兒童測試假人與Facet兒童人體模型動態響應的差異性

3.1.1 運動學響應的差異性

假人肩部與側碰保護裝置接觸后，兩者頭部運動軌跡有較大不同，具體如圖10所示。Q3兒童測試假人頭部y向運動150 mm開始回彈，Facet兒童人體模型頭部y向運動167 mm開始回彈，仿真終止時刻兩者頭部質心z向高度差達到17 mm。

Q3兒童測試假人與Facet兒童人體模型雙臂運動姿態亦有較大差異。假人與安全座椅接觸后，假人四肢繼續向前運動，此時假人繞著z軸發生細微轉動，假人髖部在xy面的運動軌跡如圖11所示。Facet兒童人體模型雙臂發生接觸，Q3兒童測試假人雙臂并沒有互相接觸，右臂向上甩動幾乎與頭部發生接觸。兩者髖部在yz面內的運動軌跡如圖12所示。Q3兒童測試假人與安全座椅接觸后，在回彈過程中，髖部抬起高度明顯高于Facet兒童人體模型。Q3兒童測試假人髖部抬起高度為37 mm，Facet兒童人體模型髖部抬起高度為13 mm。50 ms時刻兩者運動姿態如圖13所示，從圖中可以明顯看出，Q3兒童測試假人與安全座椅接觸后，假人上肢向反方向偏轉幅度大于Facet兒童人體模型；頸椎彎曲程度亦有所不同，Facet兒童人體模型頸部除彎曲外還發生一定程度的扭轉，頭部向左側轉動；Q3兒童測試假人頭部并沒有發生明顯轉動。

3.1.2 動力學響應的差異性

圖14和圖16分別為Q3兒童測試假人與Facet兒童人體模型頭部、胸部以及盆骨的y向加速度時間歷程曲線。由圖可知，兩者頭部以及盆骨y向加速度時間歷程曲線吻合度較好，胸部y向加速度時間歷程曲線差異較大。Q3兒童測試假人與Facet兒童人體模型主要損傷指標傷害值對比見表3。選取HIC36、頭部3 ms合成加速度以及胸部3 ms合成加速度3項損傷指標做出對比，明顯可以看出兩者HIC36以及頭部3 ms合成加速度較為近似，胸部3 ms合成加速度相差較大。Facet兒童人體模型胸部3 ms合成加速度小于ECE R129法規規定的539 m/s2，Q3兒童測試假人胸部3 ms合成加速度遠大于法規規定的閥值，說明Q3兒童測試假人胸部側面仿真度與真實人體存在較大差異。

4 兒童測試假人改進建議

4.1 兒童測試假人的脊椎結構

兒童測試假人胸椎、腰椎剛度較大，不能像真實人體那樣彎曲。通過優化兒童測試假人的脊椎結構，尤其是胸椎、腰椎部分，提高脊椎的柔韌度，進一步提高兒童測試假人脊椎的生物仿真度。

4.2 提高兒童測試假人四肢的生物仿真度

兒童測試假人四肢的生物仿真度相對較低，肘關節以及膝關節僅有一個自由度，需要增加自由度來提高測試假人四肢的生物仿真度。在碰撞試驗中，兒童測試假人四肢的甩動與人體發生接觸常常造成二次傷害，因此提高當前兒童測試假人四肢的生物仿真度十分必要。

5 結論

（1）基于ECE R129法規在MADYMO中建立碰撞仿真模型，通過試驗驗證所建仿真模型的有效性。

（2）在側面碰撞中，Q3兒童測試假人與Facet兒童人體模型運動學響應存在較大差異。在回彈過程中，Q3兒童測試假人側傾角度明顯大于Facet兒童人體模型，該差異主要是由Q3兒童測試假人胸椎剛度較大造成的。

在動力學響應中，Q3兒童測試假人與Facet兒童人體模型的頭部加速度曲線以及傷害值較為吻合，胸部動力學響應差異較大。除了胸椎剛度的影響，碰撞過程中兒童測試假人雙臂的甩動也對測試結果影響較大。

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