儿童安全座椅仿真模拟

摘 要

近年来，儿童的乘车安全是人们十分关注的问题。据交通管理部门统计，在我国2006年各类事故死亡人数中，因交通事故死亡的人数为89455人，12岁以下儿童在交通事故中的死亡人数为4167人，所占比例4.67%。其中，车内死亡的有683人，占儿童交通事故死亡人数的16.4%。交通事故给儿童及其家庭带来的伤害是巨大的。

本文使用多刚体系统动力学软件MADYMO(Mathematical Dynamic Model)对儿童安全座椅，用六岁儿童假人进行仿真分析，主要研究内容如下：

1，阅读大量有关文献资料后，概述儿童约束系统（Child Restraint System-CRS）的研究内容和方法，重点介绍国内外CRS的研究现状及发展趋势；

2，重点介绍儿童安全座椅Euro-NCAP法规的评价方法和欧洲ECER44/04法规主要内容；

3在消化吸收多刚体系统动力学理论MADYMO软件的基础上，以儿童安全座椅实物为依据，利用MADYMO3D软件建立该类型CRS的仿真模型，针对三岁儿童进行仿真分析；

4，通过对MADYMO3D软件建立该类型CRS的仿真，得到仿真后的结果，以此对照欧洲ECER44/04法规，得出结论该座椅是否符合此法规。

本论文的研究结果可以作为进一步改进儿童安全座椅的参考依据，为进一步进行学龄儿童乘车安全保护研究奠定了基础。

关键词：多刚体系统动力学，MADYMO，仿真，儿童安全座椅

ABSTRACT

In recent years, children's car safety is one of great concern. According to statistics of traffic management in China in 2006 died in various accidents, the number of deaths due to traffic accidents was 89,455 people, children under the age of 12 traffic deaths in 4167 people, the proportion of 4.67%. Among them, the car has 683 people died, accounting for the number of traffic fatalities of children and 16.4%. Traffic accidents to harm children and their families is enormous.

This article uses the multi-body dynamics software MADYMO (Mathematical Dynamic Model) on the child safety seat, with a year-old child dummy to simulate and analyze the main contents are as follows:

1, after reading a lot about literature, an overview of child restraint systems (Child Restraint System-CRS) of the content and methods of the research focuses on domestic and foreign CRS status and development trend;

2, focusing on child safety seat Euro-NCAP regulations, the evaluation and the European ECER44/04 main content regulation;

3, in digestion and absorption of multi-body dynamics theory MADYMO software based on the kind of child safety seats, based on the software used to establish the type of CRS MADYMO3D simulation model, simulation analysis for the year-old children;

4, through the establishment of the type of CRS MADYMO3D software simulation, the results obtained after simulation, this control European ECER44/04 regulations, concluded that the seat meets the regulations.

The results of this paper can serve as a further improvement of child safety seat reference basis for the further security of school-age children ride basis.

Key words: multi-body dynamics, MADYMO, Simulation

目 录

第一章 儿童安全座椅研究现状.........................................5

1.1世界其他各国研究现状............................ ............5

1.2我国研究的情况......................................... ....6

第二章 国内外CRS研究的发展趋势....................................7

2.1现代设计理论在儿童乘员约束系统中的应用..................... 7

2.2计算机仿真技术的应用分析................................... 7

2.3系统型研究策略的应用开发................................... 8

第三章 儿童安全座椅Euro-NCAP法规和欧洲ECER44/04法规的主要评价方法.11

3.1儿童安全座椅Euro-NCAP法规的评价方法简介...................11

3.11条件a....................................................11

3.12条件b....................................................13

3.13条件c....................................................13

3.14条件d....................................................15

3.15条件..................................................... 15

3.16条件..................................................... 16

3.2欧洲ECER44/04法规简介......................................18

3.21对约束系统总成的要求...................................... 19

3.22适用于约束系统零部件的规定................................ 19

第四章 儿童安全座椅仿真模型的建立................................. 20

4.1试验座椅模型的建立..................................... 20

4.2成人安全带模型的建立................................... 20

4.3儿童安全座椅模型的建立..................................22

4.4 儿童假人模型的建立......................................23

4.5 人及儿童安全座椅的初始定位..............................24

4.6整体仿真模型............................................26

4.7接触定义 ...............................................26

4.8加速度场................................................27

第五章 仿真模拟结果以及验证........................................29

第六章 全文的总结..................................................34

致谢..............................................................35

参考文献...........................................................36

第一章 儿童安全座椅研究现状

1，世界其他各国研究现状

据我们所知目前世界各国对儿童乘员约束系统的研究主要集中在约束系统设计、分析试验方法、评价标准以及正确使用等4个方面：

1)儿童乘员约束系统的设计兼顾了材料力学、人体工程学、儿童心理学等多方面的因素。当前儿童约束装置主要研究包括：安全带的结构形式、布置方式、佩戴舒适性和适用范围；研究新型适用的安全带；研究合理可靠的儿童乘员约束系统定位装置；智能保护系统(如儿童安全门锁等)等4个方面的研究。如加拿大的France Legault等人研究了顶部系带对儿童约束系统的影响。发现无论用什么固定方式，使用顶部系带的儿童约束获得的颈部伤害数据都比未使用的要好得多。

2)试验方法的优化研究。包括用于保证分析可靠性方面的假人模型的选、试验座椅总成的调整、台车冲撞试验脉冲的优化，侧面碰撞和后面碰撞安全性能分析，以保证分析的完整性。如澳大利亚的Julie Brown等人对儿童座椅的CAUSFIX，UCRA，无上固定点的UCRA，以及使用成人安全带和带上固定点的传统的澳大利亚儿童约束固定系统在侧碰中的性能作了比较。发现在90°、45°侧碰中会引起儿童约束和假人头部较大的前向移动；在45°侧碰中，后向儿童约束中的假人头部会撞向车门。

3)评价标准的研究。包括对假人伤害评价指标的完善和对约束系统性能评价指标的完善。前者主要是在现有的伤害指标基础上，借鉴成人乘员约束系统的评价标准，为儿童乘员约束系统提出了更为详细的伤害标准；后者是指增加以提高使用便利性为目的的新评价标准，更好地推广儿童乘员约束系统的使用。如美国的Brad Resume等人就对FMVSS225-儿童约束系统的试验设备和试验程序进行了概括、总结，并提出了存在的问题和改进方法。

4)基于整车的定位和安装方面的研究与分析。大量试验证明，合理、可靠、正确的使用和安装方式，可以保证儿童约束系统起到有效的保护作用。如英国的Richard Lowne和Peter Roy等人研究了不同的固定方式在前碰、侧碰、追尾、约束带不同松弛度的碰撞实验中，头部位移，头、胸加速度数据进行了比较。发现使用下部两个固定点，外加上部一个固定点的固定方式在减少头部位移和头、胸部加速度方面是最好的。

2，我国研究的情况

尽管CRS已经诞生了三十多年，但是在我国它还是一个新鲜事物，儿童安全问题还未得到真正重视，儿童约束系统的保护作用还未得到正确的认识。从制造能力上讲，国内已经有厂家具有儿童约束系统的生产能力，但是其技术和试验都是由国外技术支持，产品全部外销。国内也有一些企业看到了儿童约束系统在中国市场的潜力，也正在进行这方面的开发，但由于国内缺少相应的技术法规以及试验等方面的技术支持，使这方面的发展受到了一定的制约。从技术上讲,我国还没有正式的标准法规，没有一套完整的试验系统。不过目前，我国的儿童约束系技术标准已经定稿，预计明年开始施行。江苏大学硕士生苗强也对婴儿用后向式儿童装置进行了建模与仿真分析，并对其影响参数提出了改进。此外，清华大学的罗萌，湖南大学的杨杏梅，也对分别对前、后向儿童座椅和增高垫用计算机进行了仿真分析，并对影响其性能，及误用形式进行了仿真。儿童安全座椅的性能和质量，直接关系到其对儿童的保护作用，因此很多国家和地区都有相应的标准。美国的FMVSS、欧洲ECE-R44/03标准，以及日本保安基准都对儿童安全座椅（约束系统）提出了明确的法规和需要达到的指标。首先他们都对座椅的动态性能有着严格的技术要求，对于试验中座椅的移动量也规定得十分明晰。当然在其他方面各自又有着自己的特点。例如，在日本保安基准中，对于座椅的靠背高度手感和带扣的尺寸都要检查。而在美国的相关法规中，则对织物的耐磨强度、耐光强度，以及耐微生物强度提出了具体要求。并与欧洲一样，进行盐雾试验，以考验其抗腐蚀的能力。

第二章 国内外CRS研究的发展趋势

目前，国外CRS研究的主要趋势是：

1.现代设计理论在儿童乘员约束系统中的应用。目前，以虚拟产品开发技

术为主要特点的现代设计理论已逐步深入汽车设计和生产中，显现出其在降低生产成本和提高设计效率方面的卓越贡献。 如美国的Matthew P. Reed和Sheila M. Ebert等人研究的可以在试验中代替真实的婴儿约束、可转后向式约束、复合式约束、增高垫进行试验的代用约束。简化了试验过程中更换约束类型的步骤，并大大节约了试验成本 。

2.计算机仿真技术的应用分析。随着有限元理论的日益成熟，汽车碰撞过

程计算机仿真已成为汽车碰撞安全性分析与改进的重要方法。将计算机仿真技术运用于儿童乘员约束系统的分析研究已成为必然。计算机仿真方法与传统试验方法的有机结合，将给儿童乘员约束系统的研究开辟更广阔的空间。如江苏大学硕士生苗强用动力学软件MADYMO 对婴儿用后向式约束进行的建模与仿真分析。使用多刚体系统动力学软MADYMO对某类型CRS进行了仿真分析，并通过台车试验验证了所建模型的正确性，同时，利用该仿真模型确定了影响CRS安全性能的主要参数，为该类型CRS结构及性能参数的改进提供了参考，同时也为新型CRS的研制提供了理论依据 。

3.系统型研究策略的应用开发。作为车用被动安全防护装置，儿童乘员约

束系统研究需要与汽车生产更为紧密的联合开发，最大程度地发挥儿童乘员约

束系统的安全保护作用。这个系统型的联合体现在包括概念提出、初步设计、

试验验证、结构改进和产品生产的整个开发过程。目前尚未发现有人进行这方

面研究。

此外，CRS研究的重点是更全面地了解车内儿童安全知识；研制更先进、

更复合人体工程学的儿童假人；制定儿童约束装置侧面碰撞法规。

我国应该尽快通过实施制定好的法规强制普及CRS的应用；在CRS的研究

过程中充分应用CAE；研制符合我国儿童体型特征的试验假人，并制定相应的

伤害评价指标。

目前，国外研究人员在CRS的安全性能研究过程中所使用的方法有两种：

试验研究和计算机仿真分析。它们也是汽车被动安全，尤其是乘员约束系统的

主要研究方法。

试验研究通常有台架冲击试验、台车碰撞模拟试验和实车碰撞试验。台架

冲击试验主要用来模拟人体的不同部位与车辆有关部件之间的碰撞，以评价车

辆部件本身的安全性能。实车碰撞试验是综合评价车辆碰撞安全性能最基本的

方法，主要用来对已开发出的成品车型进行按法规要求的试验，以鉴定其是否

达到法规要求。但其开发成本高，开发周期长，因此完全进行实车试验是不现

实的。台车碰撞模拟试验主要用来对车内乘员约束系统进行性能评价，其原理

是利用可调的机构(如缓冲器、程序器、活塞针阎等)使台车获得可重复的、接

近于实车碰撞的减速度波形。与实车碰撞试验不同，台车碰撞模拟试验不仅要

控制碰撞速度，也要控制减速度波形，而实车碰撞试验只控制碰撞速度。 不论是台车碰撞模拟试验还是实车碰撞试验，都要涉及到试验数据的采集与处理。通常采用的数据采集系统为电测量和光测量相结合的系统。试验中要用到大量的传感器和数台高速摄像机。这些数据采集系统以及试验中采用的假人在试验前都进行严格的标定，因此其试验准备工作是十分费时的；另外，碰撞试验都是破坏性试验，因此，试验所需费用是十分昂贵的；并且，由于试验中有一些随机因素的影响，使试验结果往往不够稳定，可重复性差。随着计算机技术在计算速度、内存容量以及图形功能等方面的发展、以及有限元和多体系统动力学建模方法的发展，使得采用计算机仿真方法来进行汽车被动安全性研究成为可能 。

有限元方法出现于二十世纪五、六十年代，但是由于当时的理论尚处于初

级阶段，再加上当时的计算机软硬件也均处于相对较底的水平，有限元法并没

有在工程上得到普及。 直到60年代末70 年代初出现了大型的通用有限元程序，

它们以功能强大、使用方便、计算结果可靠、计算效率高而逐渐形成规模，并逐步商业化，成为结构工程强有力的辅助分析工具。目前，有限元方法已经在现代结构力学、热力学、流体力学和电磁学等诸多领域得到了十分广泛的应用。 汽车碰撞模拟在有限元方法应用领域里具有非常重要的位置，近些年来发展非常迅速。目前，在世界范围内广泛应用的此类大型软件有多刚体动力学软件MADYMO，有限元软件有LS-DYNA3D、PAM-CRASH和MSC/DYTRAN等。本课题用的软件就是多刚体系统动力学软件MADYMO。

计算机技术和现代计算力学的深入发展为汽车碰撞模拟软件的发展及应用提供了良好的基础。虚拟试验的主要优点是：在汽车产品的设计阶段就可以对

其进行模拟分析，并且可以很方便的进行当前实车试验手段无法实现的碰撞形

式的分析研究，全面的发现并解决问题，从而缩短开发周期，降低研制费用；

另外，汽车的零部件繁多、结构复杂，即使是采用非常先进的三维高速摄像手

段，也很难得到汽车内部关键部件的应力变形情况，而数值模拟则可以得到虚

拟模型中任意零部件的应力变形情况，为设计开发人员提供丰富而重要的参考

数据，以改善设计，为人们提供更安全的汽车，占据更有利的市场位置。

实践证明，采用计算机模拟作为一种分析手段用于汽车产品设计和安全性

分析，能够部分代替汽车碰撞试验，从而提高效率、降低成本、缩短开发周期，

已被公认为高效而经济的方法。汽车碰撞模拟已经不再只是应用于科研，并且

在安全性车身开发、碰撞受害者保护、人体生物力学、碰撞试验用标准假人开

发等领域中发挥了重大作用，计算机碰撞模拟技术在汽车安全性设计中的应用

所产生的经济效益十分显著。

国民经济和社会意义：中国平均每天至少有19名15岁以下的儿童因道路

交通意外死亡，77人受伤，儿童因交通事故导致的死亡率是欧洲的2.5倍，美

国的2.6倍 。自20世纪60年代以来，儿童安全保护一直是汽车安全设计要考虑的重要方面。近几年，有关儿童乘员保护方面的研究在欧美日等国家和地区得到了极大的关注，并出台了相应的标准、法规，使儿童乘员在车辆碰撞事故发生中得到了有效的保护。在我国，随着乘用车进入家庭，儿童乘员数量也在不断增加。汽车装备的常规座椅、安全带约束系统和安全气囊是针对成人设计的，在汽车碰撞事故中儿童乘员面临的伤亡风险远远高于成人。因此，儿童乘员的防护成为汽车安全设计必须加以关注的重要问题。研究儿童乘员在汽车碰撞事故中的运动学和动力学响应，为改进汽车的安全性以及儿童乘员座椅-约束系统的安全性设计奠定基础, 从而为减少汽车交通事故中的人员伤亡、社会经济损失做出贡献。

科学意义和应用前景：在对国外相关文献进行研究之后发现，在有关儿童

乘员保护方面的研究中，汽车安全研究者对于婴幼儿乘车安全的关注要多于对

于学童乘车安全的关注。NASS（the National Accident Sampling System）事

故数据库显示，学童乘员（5-12岁）在事故儿童乘员总数中占有的比例较小，但他们却在受伤儿童乘员中占有的比例较大 。因此，汽车安全研究者也应该给学童乘员和幼儿乘员同样的关注。本论文采用计算机仿真的方法，研究了增高型汽车儿童座椅外形设计参数对3岁儿童乘员保护效果的影响。本论文的研究工作为进一步研究学龄儿童乘车安全保护奠定了基础，可望对我国全面开展儿童乘车安全保护研究起到积极的推动作用。

第三章 儿童安全座椅Euro-NCAP法规和欧洲ECER44/04法规主要内容

3.1儿童安全座椅Euro-NCAP法规的评价方法

人体模型在正面撞击和侧面撞击后的脑部反应数据是对儿童用户安全进行评估的起点。了达到这个目的，我们把两个进行撞击实验的人体模型放进汽车厂商提供的儿童座椅中，它们分别代表一个一岁半大小孩和一个三岁大小孩。受模型模拟人体其他部位仿真度的限制，这一动态评价过程只关注头部和胸部。在车尾撞击测试中，我们还会另外在评级与座椅和汽车的作用方式方面对儿童专用安全座椅（CRS）进行评价。类似的，我们会在分类、气囊致残、儿童座椅安全固定装置（ISOFIX）使用性能方面对汽车进行评价。我们会综合这三方面的分数来计算儿童用户保护的分数。

a条件：有后排座椅，座位位置适合测试。

评价过程

1，关于在前面的动态测试和侧面碰撞的动态评价

如果在整个撞击和回弹的过程中，儿童模型从CRS中弹出或者部分地弹出，那么该CRS的动态测试和配伍性两项分数将为零。不然的话，将会按以下方法给出分数。如果CRS在整个撞击过程中完全固定，将按以下方式给出分数。

正面撞击动态测试的总分

正面撞击动态测试的总分按以下方式计：

取以下三个值中的最低值

头部和CRS的冲击头部暴露头部偏移＋颈部压力的分数＋胸部的分数

正面撞击满分可得12分

侧面撞击

取以下三个值中的最低值

头部和CRS的冲击头部暴露头部偏移＋颈部压力的分数＋胸部的分数

侧面撞击动态评价最多可得到12分

2，关于CRS的标注的评价

如果汽车上后面两个座位的CRS上的标签完全符合以下“CRS标注要求”和相关的“额外的CRS标注要求”，那么该CRS装置会得到4*2分。否则的话，将会得到0分。

如果CRS，或者是CRS的某个部分，被批准用于不同的配置，那么欧洲NCAP将评价每一种配置的标注。如果所有受批准的配置都符合要求，那么CRS会得到这项分数。

3，关于儿童专用安全座椅的汽车的应用接口的评价

对于后方座位外侧位置，指数是评估所有组合儿童专用安全座椅和车辆的调整，除非他们明确排除在外，这是以在座位上，或在车辆上的永久标记。这些标记必须清楚可见儿童专用安全座椅，用户安装。目前，这种评估不评估空间要求。

凡有不兼容问题，对儿童专用安全座椅被授予两点。否则，评价得0分。

此项评价最多可得到2*2分。

4，关于使用CRS的前排座位上的评价
安全气囊及警告标志

如果汽车前排座位装有保护乘客的安全气囊和有一个正面的保护安全气囊警告标志的存在，且充分符合要求，那么将得到给关于儿童保护的两分。

如果对这个模型的变体没有合适的安全气囊，由Euro NCAP测试，但它可以作为一选项，可以和装有安全气囊的汽车一起评估，如果没有合适的安全气囊，那么也将得到给关于儿童保护的两分，不论警告标签的存在。

如果汽车配备了存在自动检测系统，这种安全气囊将省却CRS任何向后的风险，将获得3分给儿童保护评分。
如果没有前座乘客的正面装有安全气囊的保护，以在任何变种模型范围，二分是颁发给儿童保护评分。

如果是安全气囊可选的，评估将基于汽车安全气囊的可选安装。如果前排座位乘客的正面装有安全气囊的保护及以下均符合要求后，2分是颁发给儿童保护评分。

如果所有的向前或向后面对乘客座位配备三点式安全带，1分是颁发给儿童保护评分。

此项评价最多将获得8分。

5，关于ISOFIX的评价

如果两方的乘客座位符合全部所达到的要求，一分是基于此的儿童保护评分。 关于三个或多个通用ISOFIX位置，如果车辆在符合全部所达到要求，一分是基于此的儿童保护评分。

关于最大分配的ISOFIX，如果车辆在符合全部所到达条件，一分是基于此的儿童保护评分。

此项评价最多可获得三分。

6，关于综合的CRS的评价

凡车辆提供了两个或更多的综合CRS中，作为标准设备，1分给予奖励，以作为保护儿童的分数。车辆无后座，一分的情况下将获得一个或更多的乘客座位提供综合的CRS。

一个或多个组的I-III综合的CRS，如果车辆是提供一个或多个“组三”综合的CRS，作为标准，1分给予奖励，以保护儿童的分数。

此项评价最多可达2分。

至此有后排座椅，座位适合测试位置条件下的评价结束，它可达到百分之百的得分，最多为49。

b条件：后排空间有限，但可配有更小的儿童安全座椅的

评价过程：同上。

c条件：后排空间有限，没有更小的儿童安全座椅，Euro NCAP确定的合适

评价过程：

1，关于在前面的动态测试和侧面碰撞的动态评价

如果在整个撞击和回弹的过程中，儿童模型从CRS中弹出或者部分地弹出，那么该CRS的动态测试和配伍性两项分数将为零。不然的话，将会按以下方法给出分数。如果CRS在整个撞击过程中完全固定，将按以下方式给出分数。

正面撞击动态测试的总分

正面撞击动态测试的总分按以下方式计：

取以下三个值中的最低值

头部和CRS的冲击头部暴露头部偏移＋颈部压力的分数＋胸部的分数

正面撞击满分可得12分

侧面撞击

取以下三个值中的最低值

头部和CRS的冲击头部暴露头部偏移＋颈部压力的分数＋胸部的分数

侧面撞击动态评价最多可得到12分

2，关于CRS的标注的评价

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/48896a06001ca300a6c30c22590102020640f278.html