驾驶汽车座椅的发展在一个更安全的方向与模拟

孩子们需要很多特殊的装备，父母们甚至在新生儿出院之前就开始为买什么而困惑。对于大多数准父母来说，孩子的安全是一个非常重要的问题，而汽车安全座椅是最重要的。这并不奇怪——美国疾病控制和预防中心(CDC)将美国的机动车事故列为12岁及以下儿童死亡的主要原因¹．

2021年至2022年，婴儿汽车座椅市场预计将增长16.8亿美元²在美国，汽车和汽车座椅制造商密切关注消费者的偏好，以在安全性、便利性和可承受性方面领先于消费者的需求。儿童座椅一直在发展——今天的汽车座椅设计与15年前完全不同。绝大多数家长都希望座椅更安全、更轻、更容易使用、更便携，这就需要对材料和新座椅设计进行额外测试。

汽车座椅研究从何而来

为了应对这些挑战，费城儿童医院(CHOP)损伤研究和预防中心的研究人员正在使用Ansys LS-DYNA仿真软件的碰撞模拟，以更好地了解如何最佳地保护儿童在汽车座椅。

CHOP研究项目工程师、首席项目调查员Jalaj Maheshwari表示:“我们中心的主要任务是通过严格的研究和与行业、政策制定者和政府机构的合作，寻求创新的解决方案，以防止儿童、青年和年轻人受伤，以改进产品设计政策，并教育父母和护理人员正确使用儿童座椅。”Ansys仿真有助于支持我们正在进行的安全研究中的计算建模工作。”

Maheshwari和他的团队的任务是评估为各个年龄段的儿童设计的汽车座椅安全系统，这增加了测试的复杂性。儿科居住者是一个特别具有挑战性的人群。没有一个固定的人体测量法，或人体测量法，可以用于所有情况。18个月大的孩子的算法输入与3岁的孩子完全不同，3岁的孩子与6岁的孩子完全不同，等等。约束系统在出生到11岁的成长轨迹中发生了巨大的变化，从面向后的座椅移动到面向前的座椅，最后是安全带定位的加强座椅。

传统上，儿童汽车安全座椅是通过物理碰撞测试来评估的，方法是将儿童大小的碰撞测试假人固定在正确安装的汽车安全座椅上。然后，试验台或雪橇在不同的脉冲下加速和减速，模拟不同的碰撞场景，以测试乘员的运动和受伤的可能性。在测试过程中，所有元件，从假人定位、安全带和胸夹定位到安全带松紧，都必须符合联邦测试标准。

测试有助于确保儿童座椅提供足够的保护，确保乘员替身或碰撞试验假人符合伤害阈值，或符合美国国家公路交通安全管理局(NHTSA)、消费者报告和其他监管或消费者信息机构确定的协议。

这些物理测试是昂贵的，这使得调查多个碰撞场景在经济上对所有参与者都具有挑战性。虽然物理测试是安全评估的一个重要方面，而且不能被取消，但制造商发现，将物理测试与模拟相结合，可以加快约束评估的速度，并增强在所有类型碰撞中都表现良好的汽车座椅的开发。

你不能总是预测……你能吗?

通常情况下，孩子们会烦躁不安，他们不一定会一直坐直，向前看。此外，CHOP和其他人的研究表明，很大比例的儿童约束系统的安装至少有一个微小的用户错误^3、4，比如松了的腰带，没有用过或放错位置的胸夹等等。使用LS-DYNA可以模拟真实的车内场景，例如不同的座椅姿势，乘客是向前倾还是向内倾⁵、安装错误。其他值得测试的场景——包括由高级驾驶辅助系统技术实现的转向或突然刹车等碰撞前操作——也可能极大地改变孩子在汽车座椅上的位置。

对于CHOP的研究人员来说，当碰撞发生时，评估一个孩子处于尽可能多的位置时会发生什么非常重要。安全带会滑掉吗?如果会，有没有办法防止这种情况发生?还是需要一种先进的约束系统机制来拉安全带，以便在发生碰撞时更好地适合孩子?

让开，笨蛋

拟人测试装置或碰撞测试假人是物理碰撞测试中评估伤害和约束性能的必要工具。虽然碰撞测试假人很像人类，但它们并不是真正的人类。为了提高安全性，了解实际人体的行为是很重要的。使用LS-DYNA和经过验证的虚拟人体模型，CHOP可以用不同人体测量的儿童模型模拟不同的碰撞条件⁶．为此，该团队必须首先根据工程数据，从特定尺寸开发儿童座椅和车辆座椅/试验台的3D计算机辅助设计(CAD)模型。在此基础上，通过对构件进行网格划分并赋予相应的材料属性，生成有限元模型。儿童、儿童座椅和车辆座椅/试验台的各个FE模型被置于一个环境中，根据需要进行定位，用安全带约束FE模型，分配边界条件，然后加载到处理器中以运行正在调查的碰撞场景。

在仿真中使用虚拟人体模型需要在不同的边界条件下使用不同的网格尺寸。研究人员评估他们的网格，并将其分配到身体的每个部位。这一活动通常涉及在身体的某些区域进行更精细的网格划分，以保持他们所使用的几何结构的特征和复杂性。

人体模型是Maheshwari模拟的关键组成部分，以帮助评估儿童约束的安全方面如何随着儿童年龄和尺寸的变化而变化。由此产生的数据可以为所有大小和年龄的儿童设计车辆安全系统和儿童约束装置，还可以帮助政策制定者制定政策和测试标准，对儿童安全产生积极的变化。

Ansys LS-DYNA:一个学术研究的工具

CHOP使用LS-DYNA中的Ansys LS-PrePost进行预处理，提交模拟，并对结果进行后处理。Maheshwari首先引入他为特定材料属性创建网格的单个模型。座椅环境被定义，然后LS-PrePost用于在座椅环境中定位乘员，座椅环境可以是一辆整车或测试雪橇，儿童坐在适合其年龄的儿童座椅上。

LS-DYNA中运行的不同类型的预模拟有助于定位乘员，并变形或压缩座椅以反映物理世界。儿童座椅和人体模型放置在车内环境中，并根据重力进行调整。一旦这些模型确定下来，团队将儿童座椅和儿童约束在车辆上，应用所需的碰撞边界条件，并运行模拟。

马赫什瓦里说，在现实世界中，车祸会在瞬间结束，持续120毫秒;然而，根据所使用模型的复杂程度，模拟时间可能需要2小时到7天不等。模拟完成后，可以导出数据进行进一步分析。

控制研究成本，而不是测试成本

有了所有这些测试，成本真的会增加，这使得模拟成为学术研究的一个很好的选择。Ansys为Maheshwari的研究提供了支持，使该团队能够负担得起授权费用。Ansys许可证并不限制团队可以运行多少测试，而是限制许可证的生命周期。使用LS-DYNA，他们可以运行尽可能多的参数模拟。目前，他们正在进行100多次全冲击模拟，并使用虚拟人体模型进行计数——这一成就在经济上是令人望而却步的，而且与物理雪橇测试相比费时。

参考文献

1. “儿童乘客安全:了解事实”，疾病控制和预防中心，2022年4月14日。
2. “到2022年至2025年，通过COVID-19竞争格局、细分市场和关键地区概述，婴儿汽车座椅市场预测和增长”，MarketWatch新闻稿，2022年3月16日。
3. Arbogast, Kristy B.， Morris, Shannon D.， Durbin, Dennis R.，和Winston, Flaura K.，安全带类型对儿童约束系统滥用的影响，PubMed (nih.gov)， Annu Proc协会Adv自动医学2002;46:261-9。PMID: 12361512。
4. 微软Word -最终报告DOT HS 809 671.doc, nhsta.gov, 2004年1月5日。
5. Maheshwari, Jalaj, Shreyas Sarfare, Clayton Falciani和Aditya Belwadi。“儿童乘员人体模型在模拟正面碰撞时座椅姿势变化的运动学和动力学响应变化-有和没有自动紧急制动。”预防交通伤害21、no。sup1 (2020): S49-S53。
6. Belwadi, Aditya, Shreyas Sarfare, Sophie Tushak, Jalaj Maheshwari和Srihari Menon。“在模拟正面机动车碰撞时，儿童后排和前排儿童座椅中缩放的儿童人体模型的响应。”预防交通伤害sup2 (2019): S143-S144。
7. Beillas, Philippe, Chiara Giordano, Victor Alvarez, Xiaogai Li, Xingjia Ying, Marie-Christine Chevalier, Stefan Kirscht和Svein Kleiven。“PIPER可扩展儿童人体模型的开发和性能。”第14届国际汽车儿童保护会议，第19页。2016.