长春工业大学 机电工程学院 李 明
长春工业大学 艺术设计学院 刘䶮泽 吴军凤
摘要：日常生活中使用的汽车交通工具上安装的成人安全带和安全气囊保护措施，对儿童并不适用，若如遭遇碰撞事故，还会给儿童带来二次伤害。因此，合理设计儿童座椅成为当今儿童安全研究的重要方向，有效解放家长双手并保护儿童乘车时的安全。通过研究儿童特殊的生理结构，以达到设计出符合儿童使用的汽车儿童安全座椅，才能有效地保障儿童的乘车安全，并减少儿童汽车碰撞事故的伤亡率。在数字化设计的环境下，能快速表达设计意图，还大大缩短了传统设计的设计周期。
关键词：儿童安全 保护措施 数字化
中图分类号：TB472 文献标识码：A
文章编号：1003-0069(2017)11-0110-02
Abstract：The adult safe belt and safe airbag， equipped on the vehicles for daily use， are not applicable to kids. If they encounter an accident， they will bring a secondary damage to kids. Therefore，a reasonable design for kid’s seat has become a major research of children’s safety， efficiently liberates the parents’ hands and safeguards their kids. According to the study on children’s unique physiology structure， we could design a children’s safe seat in vehicle， which effectively ensure the safety of children and decrease the children’s casual rate in a car crash. Besides， it could speedily express the intention of design and largely reduce the designing time of traditional design.
Keywords：children’s safe protection function digital
引言
随着人们生活方式的多样化，活动范围和生产生活的需要，交通代步工具无疑成为了大家的最佳选择。几年来，汽车为人们的出行带来了极大的便捷，使汽车成为了人们出行首选的交通代步工具。随着人均购买能力逐渐提高，汽车的日渐普及使用，带来的是汽车数量逐年增加，作为城市中的小乘员儿童，儿童的乘车安全成为了近年来备受关注的研究课题。如果遭遇交通事故，便会威胁到儿童的乘车安全。经研究表明，相比家长使用怀抱的方式和坐在成人腿上，使用汽车儿童安全座椅可以有效降低甚至避免碰撞事故带来的伤害。儿童是社会发展的未来，每一例的儿童交通事故，带来的都是两个家庭的痛苦，对于儿童安全座椅的研究可以有效地预防儿童不可预测的事故。
一、儿童乘车安全
根据问卷调查，车内没有安装儿童安全约束系统的家庭占75.66%，感觉没有必要安装这些约束系统；家长带儿童驾车外出，儿童坐在副驾驶的比例为39.95%； 带儿童乘车时，家长抱着儿童或儿童坐在家长腿上的行为占43.12%；认为安全带系统、安全气囊可以保护儿童乘车安全的比例为10.05%。 举例：车辆行驶过程中，时速在48 km/ h的情况下，由于惯力的作用，发生碰撞事故时，重量为7 kg的婴儿，瞬间产生的冲击力在275 kg左右，家长并不能及时护住儿童。 这些安全系统专为成人设计，并不适用于儿童，当发生行车安全事故时并不能有效地防治及保护儿童的自身安全。在中国人口居住人数较大及使用车辆较多的城市，如北京、上海、成都、天津等地，能够安装儿童安全座椅的人数为5%左右，正确安装并使用儿童安全座椅的比例在2%以下。 不过大多数家庭都懂得一些保护儿童的方法，如：当因事离开时，不将儿童独自留在车内，不让12岁以下的儿童坐副驾驶座位，行车时车内有儿童，家长会锁上儿童锁防止儿童无意打开车门造成不必要的损伤等。安全气囊装置在车辆的前端，应该把汽车儿童安全座椅安置在车辆后排座椅上，还有选购与儿童身高和年龄相符合的汽车儿童安全座椅，这些很多家长都不是很了解。正确安装和使用汽车儿童安全座椅，无论遇到紧急事故情况，还是正常驾驶，都会保护儿童的人身安全，起到缓冲和养护作用。
二、儿童安全座椅使用现状
（一）使用误区
对于身材矮小的儿童，汽车安全约束系统并未起到保护作用，应针对不同身材、年龄的儿童使用相应适合的汽车儿童安全座椅，并防止车辆碰撞事故发生时，儿童与汽车其他内饰部件发生二次碰撞，避免增加儿童损伤。儿童有着特殊的生理结构，如果误用安全约束系统，成人或儿童安全约束带放在儿童腋下等不恰当位置，不但未发挥保护作用反而会导致其他部位的损伤。未使用儿童安全约束系统，儿童坐在副驾驶位发生碰撞事故，头部会与高速弹出的汽车安全气囊相撞，头部受到损伤可能致命；使用汽车安全带（如图1、2)，儿童高度不够，安全带反而会从儿童颈部穿过，而不是从胸前穿过，安全带的着力点位于颈部位置，如遇事故发生儿童会有窒息的危险；成人安全带刚度过大，容易造成儿童胸部骨折甚至对儿童心脏、胸部内器官造成损伤；成人腰部安全带系统无法固定在儿童的盆骨处，并且会出现下滑，使儿童腹部内器官受到损伤。
（二）儿童特殊的生理结构
儿童自身有着特殊的身体构造，骨骼还没有发育完全，头部在整个身体中的比例和重量偏大，之后随着年龄的增长，比例渐渐变小（如图3）。婴儿时期头部所占比重为50%以上，头颈高度为身体总高度的1/4，儿童3岁的时候头部重量为身体总重的18%，6岁可达到身体总重的16%。成人头部仅占身体比重的6%，身体总高度头颈占1/6。
儿童心脏所占的比例大、头部所占比例也大，因此重心偏高，与成人不同，无法使用成人的安全带约束系统。发生紧急交通事故时，儿童会被安全带系统缠绕，随着肩带或腰带转动。儿童腹部肌肉未发育完全，肌肉不发达比成人有明显凸起，内部包含肝脾等器官，发生汽车碰撞事故会造成多个器官受到不同程度损伤。
（三）不同时期儿童座椅分类
从婴儿期到10月、10kg以下体重的儿童，肌肉和骨骼并未完全发育，暂无颈部肌肉，颈部无法直立，可以使用向后式(如图4)，并内置安全约束系统的儿童安全座椅。儿童成长至10月到4岁之间，体重在8kg-10kg左右时，颈部肌肉和骨骼已经有了一定的发育，但不能承受局部约束，约束点应当越多越好，采用向前式包括两肩和腰部的5点式全背汽车儿童安全座椅。儿童成长到4岁以后，骨骼和肌肉的发育已有了一定程度，可以使用3点式约束系统，但儿童的身体和体位不适用成人的安全带系统，应为儿童使用增高垫来配合安全带系统使用，为了防止肩带卡住颈部，应为儿童安装安全带导向环，并且调整腰部位置来配合腰带的使用。
三、数字化设计技术
（一）数字化技术
随着科学技术的日益进步，市场竞争的日益激烈，导致产品的复杂度与技术含量日益增加，产品设计周期渐渐缩短。因此，缩短产品设计周期和减少上市周期，变成了企业竞争的重要因素。这种趋势下，利用计算机辅助技术完成产品开发，并进行完善的数字化产品开发技术，越来越受到各企业的重视。数字化技术能全面地考虑产品设计与生产的全过程，降低成本，提升产品质量，满足客户缩短设计周期的需求，使企业在竞争中始终保持优势。以三维实体建模为基础的计算机辅助设计，有线架构、曲面模型和实体模型的表现方式。利用三维建模模型，将产品的创新点、结构全部由三维实体表现出来，并把各项工程要求、缝隙公差等信息以及各部件之间的相对位置，以三维实体的形式全部表现清楚，在此基础上检查装配时是否存在遮挡、部件之间是否有干涉、间隙是否符合要求，改正全部设计过程中不符合工程要求之处，最终完成产品的设计。极大地减少了设计的更改时间、工程模型的制作时间及产品生产准备时间。产品设计的各阶段均由数字化技术统一表达，各部门数据实时共享。在设计过程中，同时可进行结构分析、可制造性与安全性计算，如汽车碰撞安全性计算，并借助互联网进行数字化传递，对分析验证与仿真提供保障。
（二）数字化产品的特点与优势
1.面向装配。数字化设计技术的使用，面向整个产品的研发过程，并非单独部件。包括了工程装配、造型设计等全部信息，形成数字模型，可以同时被不同设计阶段的设计师、工程师所使用。数字化设计技术可以查看高度复杂的部件之间的装配关系，使项目经理可以随时查看超过标准的部件，并在早期进行更改，节省了设计成本。
2.面向产品生命周期。从产品的设计、开发到最终的发布，整个生命周期的各个部分信息，全部统一在模型中进行管理和维护。对产品的设计和装配分析，以及提高产品质量有着重要的作用。
3.具有统一的数据模型。传统设计的个环节相对独立，最终使产品复杂度不断增加，对各部门的合作增加了工作量，导致产品质量下降、设计成本增加和设计周期的增多。数字化技术将产品从设计到生产全部过程的数据统一，数据模型囊括了整个设计。
4.数字化结合了计算机软件与数据管理技术，极大缩短设计周期，降低产品设计成本，促进了长期生产并提高生产效率。
5.数字化设计将产品设计及实物模型的制作在真正生产之前，设计与检验工作全部在计算机上完成。一个项目的设计可由多个设计团队，在不同地点分步进行，后期统一装配成为一个完整的数字化模型。该数字化模型完成可制造性分析、功能与成本分析，还可随时展示给客户。
（三）数字化下的座椅设计
在设计汽车儿童安全座椅的曲面造型过程中，数字化设计通常指的是外表面数据，即CAS面、A面和三维渲染。从前期草图开始加入数字化设计，造型师们不必在纸上表现自己的设计意图，而是通过数位板和绘图软件在计算机屏幕上，实时创作和修改，可以随意切换设计桌面的大小，解决了很多线性关系和大小比例的题，减小了设计成本的投入，并借VR技术迅速实现产品的1:1效果展现，展示效果更真实。随着ALIAS、ICEM Surf 等设计软件投入使用，数字化在设计中的参与度逐步提高，不仅可以展示座椅多种型面的实际效果，还有许多检测曲面质量的工具，例如斑马线检测高光走势，避免前期造型的失误，减少了后期极大的返工工作量，而且对后期工程的模型制作也很重要，可以避免接近角、离去角等工程问题，对部件内部遮挡、缝隙错位等问题可以及早发现和解决。前期模型制作完毕，问了更好地展示设计效果，造型师对产品的模型数据进行三维渲染，从座椅表面漆的颜色搭配、防护效果的展示、座椅外观的纹理到环境的搭配，进行实时可视化的调整。用户可以根据产品展示，决定下一步的设计需求。通过VR电脑技术，模拟一个三维虚拟世界，提供给用户听、视和触觉的感受，并且可以直接看到最终的设计产品。CAS面和三维渲染之后，座椅的设计进行到A面阶段，需满足审美要求、内部曲面质量要求、工程后续结构设计要求和制造工艺要求，是对产品造型的关键，反映的是工程阶段的最终形态
数字化技术不受产品成本和地理位置的制约，不浪费生产资源，不消耗成本，设计以数字化数据的形式存在，实时地进行修改与调整，在各方面都有着明显的优势，可以鼓励设计师大胆创新，推动设计发展。相信在科技高速发展的未来，数字化技术将会得到更广泛的使用，推动整个产品设计行业的发展。
（四）模拟碰撞试验
运用MADYMO软件计算程序进行模拟物理动力学响应，并对乘员损伤和车辆碰撞进行分析，来评价儿童安全座椅的设计参数影响。汽车座椅模拟的外形根据试验台的尺寸建立，由数据库中“力-变形”函数定义座椅接触特性。为了方便检测碰撞时座椅对儿童的保护性能，开发模拟人类的假人进行试验，用真人进行碰撞试验会是十分危险。模拟碰撞后，经过MADYMO软件计算输出结果，实时计算头部、胸部的加速曲线，这些结果将会运用在儿童乘员的防护研究。
（五）数字化设计的发展
随着科技的发展、互联网技术的普及和用户的需求，未来的发展趋势将会是互联网与设计相结合，通过数据信息连接数据库，构建一种全新的服务模式，一个庞大的数据工厂。实体模拟、曲面造型、检测评估等都会通过数字化技术相连接。产品进行虚拟设计和制造，提高企业生产效率，缩短设计周期。企业通过数字化技术与互联网，可以进行异地设计，再最接近用户群的地点生产制造，与世界上任意地点建立动态联盟企业。数字化技术连接了设计师与用户的距离，提高了设计质量，增强了企业的市场竞争力，将满足人们不断增长的工作和生活需求。
总结
汽车安全带系统和安全气囊，在遇到交通碰撞事故时，能有效降低乘员的死亡率。但是为成人设计的安全系统，在儿童身上并不适用。汽车儿童安全座椅是为儿童专门设计的安全系统，可以有效保障儿童乘车时的安全。设计适合儿童的乘车安全装置，将成为儿童安全研究的重要方向。数字化设计的应用，解决了模拟碰撞试验真人测试的危险问题，所得数据可靠性高。产品设计全周期通过数字化技术共享数据信息，造型师和设计师可随时进行异地工作，后期数模工程组装节省了大量了设计成本，在设计过程中实时发现并解决问题，这些优势为企业的发展增加了市场竞争力，在未来将会发挥更大的作用。
图1 儿童使用成人安全带的情况图2 儿童安全带的正确使用图3 儿童身体成长比例图4 向前式与向后式
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