用仿真方法引导汽车座椅向安全方向发展

孩子们需要很多特殊的装备，父母们往往在新生儿离开医院之前就开始困惑该买什么了。儿童安全是大多数准父母非常关注的问题，而汽车座椅是最重要的问题。这并不奇怪——美国疾病控制与预防中心(CDC)认定，机动车碰撞是美国12岁及以下儿童死亡的主要原因¹。

婴儿汽车座椅市场预计将在2021年至2022年间增长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，以满足他们对安全性、便利性和可负担性的需求。儿童座椅一直在不断发展——今天的汽车座椅设计与15年前完全不同。绝大多数家长都想要更安全、更轻、更容易使用、更便携的座椅，这就需要对材料和新座椅设计进行额外的测试。

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)伤害研究和预防中心的研究人员正在使用万博Ansys LS-DYNA模拟软件碰撞模拟，以更好地了解如何最佳地保护儿童在汽车座椅。

“我们中心的使命主要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，寻求防止儿童、青少年和年轻人受伤的创新解决方案，以改进产品设计政策，并教育父母和照顾者正确使用儿童座椅，”研究项目工程师、CHOP首席项目调查员、MSE贾拉杰·马赫什瓦里(Jalaj Maheshwari)说。A万博nsys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建模。没有一种固定的人体测量法，或人体测量法，可以适用于所有情况。一个18个月大的孩子的算法输入和一个3岁的孩子完全不同，3岁的孩子和一个6岁的孩子完全不同，以此类推。随着孩子的成长，从出生到11岁，约束系统发生了巨大的变化，从面向后的座椅转变为面向前的座椅，最后是安全带定位助推座椅。

传统上，儿童汽车座椅是通过物理碰撞测试来评估的，通过将儿童大小的碰撞测试假人固定在正确安装的汽车座椅上。然后，在模拟不同碰撞场景的不同脉冲下，试验台(或雪橇)进行加速和减速，以测试乘员的运动和伤害潜力。在测试过程中，所有的元素，从假人定位，安全带和胸夹定位安全带松紧，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测试假人符合伤害阈值，或美国国家公路交通安全管理局(NHTSA)、消费者报告和其他监管机构或消费者信息机构确定的协议。

这些物理测试非常昂贵，这使得调查多种碰撞场景对所有相关人员来说都是经济上的挑战。虽然物理测试是安全评估的一个重要方面，不能被取消，但制造商已经发现，将物理测试与模拟相结合可以加快约束评估，并加强在所有类型碰撞中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，孩子们是烦躁不安的，他们不一定一直坐直并向前看。此外，CHOP和其他机构的研究表明，很大一部分儿童约束系统的安装至少有一个轻微的用户错误^3、4，如松散的皮带，未使用或不合适的胸夹，等等。使用LS-DYNA可以模拟真实的车内场景，例如乘客前倾或内倾的不同坐姿⁵，以及安装错误。其他值得测试的场景——包括碰撞前的动作，如转向或由先进的驾驶辅助系统技术启用的突然刹车——也可以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，重要的是要评估当车祸发生时，孩子在尽可能多的位置上会发生什么。安全带会滑落吗?如果会，有没有办法防止这种情况的发生?还是需要一种先进的约束系统机制，在发生撞车事故时，以这样一种方式拉紧安全带，让孩子更好地适应?

让开，笨蛋

拟人试验装置或碰撞试验假人是在物理碰撞试验中评估伤害和约束性能的基本工具。虽然碰撞测试假人很像人类，但它们并不完全是人类。为了提高安全性，了解实际人体的行为是很重要的。利用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，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/测试台的3D计算机辅助设计(CAD)模型。然后，通过对每个部件进行网格划分并分配适当的材料属性来生成有限元模型。儿童、儿童座椅和车辆座椅/试验台的独立有限元模型被带到一个环境中，根据需要进行定位，用安全带有限元模型进行约束，指定边界条件，然后加载到处理器中以运行正在调查的碰撞场景。

在仿真过程中，使用虚拟人体模型需要在不同的边界条件下选择不同的网格尺寸。研究人员评估它们的网格，并将它们分配到每个身体部位。这种活动通常涉及在身体的某些区域进行更精细的网格划分，以保持他们正在使用的几何形状的特征和复杂性。

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性如何在儿童年龄和体型的广泛范围内发生变化。由此产生的数据可以为所有体型和年龄的儿童设计车辆安全系统和儿童约束装置，也可以帮助决策者制定政策和测试标准，对儿童安全产生积极的影响。

万博Ansys LS-DYNA:一个学术研究工具

CHOP在LS-DY万博NA中使用Ansys LS-PrePost进行预处理，提交模拟，并对其结果进行后处理。Maheshwari首先引入了他为特定材料属性创建网格的单个模型。定义了座位环境，然后使用LS-PrePost将乘员定位在座位环境中，这可以是一辆整车，也可以是一个测试雪橇，孩子坐在一个适合年龄的儿童座椅上。

在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定位在车辆环境中，并根据重力进行调整。一旦确定了这些模型，研究小组就会将儿童座椅和儿童限制在车辆上，应用期望的碰撞边界条件，并运行模拟。

Maheshwari说，在现实世界中，车辆碰撞会在瞬间结束，持续120毫秒;然而，根据他们使用的模型的复杂程度，模拟时间可能需要两个小时到七天不等。一旦模拟完成，数据就可以导出以供进一步分析。

控制研究成本，而不是测试

通过所有这些测试，成本确实会增加，这使得模拟成为学术研究的绝佳选择。万博Ansys通过为团队提供更实惠的授权来支持Maheshwari的研究。Ans万博ys许可证并没有限制团队可以运行多少测试，而是限制了许可证的使用寿命。使用LS-DYNA，他们可以运行尽可能多的参数化模拟。目前，他们正在使用虚拟人体模型进行100多次全冲击模拟和计数——这一成就在经济上是令人望而却步的，而且使用物理雪橇测试非常耗时。

参考文献

1. “儿童乘客安全:了解事实”，疾病控制和预防中心(CDC)， 2022年4月14日。
2. “通过COVID-19对婴儿汽车座椅市场的预测和增长，2022年至2025年的竞争格局，细分市场，关键地区概述”，MarketWatch新闻稿，2022年3月16日。
3. 阿博加斯特，Kristy B.， Morris, Shannon D.， Durbin, Dennis R.， Winston, Flaura K.，安全带类型对儿童约束系统滥用的影响- PubMed (nih.gov)， 2002;46:261-9。PMID: 12361512。
4. Microsoft Word -最终报告DOT HS 809671 .doc, nhsta.gov, 2004年1月5日。
5. Maheshwari, Jalaj, Shreyas Sarfare, Clayton Falciani和Aditya Belwadi。“在模拟正面碰撞中，儿童乘员人体模型运动学和动力学响应变化-有和没有自动紧急制动。”交通伤害预防21,no。sup1 (2020): S49-S53。
6. Belwadi, Aditya, Shreyas Sarfare, Sophie Tushak, Jalaj Maheshwari和Srihari Menon。“儿童人体模型在模拟正面机动车碰撞中对后排和前向儿童座椅的反应。”交通伤害预防20,no。sup2 (2019): S143-S144。
7. Beillas、Philippe、Chiara Giordano、Victor Alvarez、Li Xiaogai、Ying Xingjia、Marie-Christine Chevalier、Stefan Kirscht和Svein Kleiven。" PIPER可伸缩儿童人体模型的开发和性能"第14届保护车内儿童国际会议，第19页。2016.