長春工業大學 機電工程學院 李 明
長春工業大學 藝術設計學院 劉?澤 吳軍鳳
摘要：日常生活中使用的汽車交通工具上安裝的成人安全帶和安全氣囊保護措施，對兒童并不適用，若如遭遇碰撞事故，還會給兒童帶來二次傷害。因此，合理設計兒童座椅成為當今兒童安全研究的重要方向，有效解放家長雙手并保護兒童乘車時的安全。通過研究兒童特殊的生理結構，以達到設計出符合兒童使用的汽車兒童安全座椅，才能有效地保障兒童的乘車安全，并減少兒童汽車碰撞事故的傷亡率。在數字化設計的環境下，能快速表達設計意圖，還大大縮短了傳統設計的設計周期。
關鍵詞：兒童安全 保護措施 數字化
中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A
文章編號：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
隨著人們生活方式的多樣化，活動范圍和生產生活的需要，交通代步工具無疑成為了大家的最佳選擇。幾年來，汽車為人們的出行帶來了極大的便捷，使汽車成為了人們出行首選的交通代步工具。隨著人均購買能力逐漸提高，汽車的日漸普及使用，帶來的是汽車數量逐年增加，作為城市中的小乘員兒童，兒童的乘車安全成為了近年來備受關注的研究課題。如果遭遇交通事故，便會威脅到兒童的乘車安全。經研究表明，相比家長使用懷抱的方式和坐在成人腿上，使用汽車兒童安全座椅可以有效降低甚至避免碰撞事故帶來的傷害。兒童是社會發展的未來，每一例的兒童交通事故，帶來的都是兩個家庭的痛苦，對于兒童安全座椅的研究可以有效地預防兒童不可預測的事故。
一、兒童乘車安全
根據問卷調查，車內沒有安裝兒童安全約束系統的家庭占75.66%，感覺沒有必要安裝這些約束系統；家長帶兒童駕車外出，兒童坐在副駕駛的比例為39.95%； 帶兒童乘車時，家長抱著兒童或兒童坐在家長腿上的行為占43.12%；認為安全帶系統、安全氣囊可以保護兒童乘車安全的比例為10.05%。 舉例：車輛行駛過程中，時速在48 km/ h的情況下，由于慣力的作用，發生碰撞事故時，重量為7 kg的嬰兒，瞬間產生的沖擊力在275 kg左右，家長并不能及時護住兒童。 這些安全系統專為成人設計，并不適用于兒童，當發生行車安全事故時并不能有效地防治及保護兒童的自身安全。在中國人口居住人數較大及使用車輛較多的城市，如北京、上海、成都、天津等地，能夠安裝兒童安全座椅的人數為5%左右，正確安裝并使用兒童安全座椅的比例在2%以下。 不過大多數家庭都懂得一些保護兒童的方法，如：當因事離開時，不將兒童獨自留在車內，不讓12歲以下的兒童坐副駕駛座位，行車時車內有兒童，家長會鎖上兒童鎖防止兒童無意打開車門造成不必要的損傷等。安全氣囊裝置在車輛的前端，應該把汽車兒童安全座椅安置在車輛后排座椅上，還有選購與兒童身高和年齡相符合的汽車兒童安全座椅，這些很多家長都不是很了解。正確安裝和使用汽車兒童安全座椅，無論遇到緊急事故情況，還是正常駕駛，都會保護兒童的人身安全，起到緩沖和養護作用。
二、兒童安全座椅使用現狀
（一）使用誤區
對于身材矮小的兒童，汽車安全約束系統并未起到保護作用，應針對不同身材、年齡的兒童使用相應適合的汽車兒童安全座椅，并防止車輛碰撞事故發生時，兒童與汽車其他內飾部件發生二次碰撞，避免增加兒童損傷。兒童有著特殊的生理結構，如果誤用安全約束系統，成人或兒童安全約束帶放在兒童腋下等不恰當位置，不但未發揮保護作用反而會導致其他部位的損傷。未使用兒童安全約束系統，兒童坐在副駕駛位發生碰撞事故，頭部會與高速彈出的汽車安全氣囊相撞，頭部受到損傷可能致命；使用汽車安全帶（如圖1、2)，兒童高度不夠，安全帶反而會從兒童頸部穿過，而不是從胸前穿過，安全帶的著力點位于頸部位置，如遇事故發生兒童會有窒息的危險；成人安全帶剛度過大，容易造成兒童胸部骨折甚至對兒童心臟、胸部內器官造成損傷；成人腰部安全帶系統無法固定在兒童的盆骨處，并且會出現下滑，使兒童腹部內器官受到損傷。
（二）兒童特殊的生理結構
兒童自身有著特殊的身體構造，骨骼還沒有發育完全，頭部在整個身體中的比例和重量偏大，之后隨著年齡的增長，比例漸漸變小（如圖3）。嬰兒時期頭部所占比重為50%以上，頭頸高度為身體總高度的1/4，兒童3歲的時候頭部重量為身體總重的18%，6歲可達到身體總重的16%。成人頭部僅占身體比重的6%，身體總高度頭頸占1/6。
兒童心臟所占的比例大、頭部所占比例也大，因此重心偏高，與成人不同，無法使用成人的安全帶約束系統。發生緊急交通事故時，兒童會被安全帶系統纏繞，隨著肩帶或腰帶轉動。兒童腹部肌肉未發育完全，肌肉不發達比成人有明顯凸起，內部包含肝脾等器官，發生汽車碰撞事故會造成多個器官受到不同程度損傷。
（三）不同時期兒童座椅分類
從嬰兒期到10月、10kg以下體重的兒童，肌肉和骨骼并未完全發育，暫無頸部肌肉，頸部無法直立，可以使用向后式(如圖4)，并內置安全約束系統的兒童安全座椅。兒童成長至10月到4歲之間，體重在8kg-10kg左右時，頸部肌肉和骨骼已經有了一定的發育，但不能承受局部約束，約束點應當越多越好，采用向前式包括兩肩和腰部的5點式全背汽車兒童安全座椅。兒童成長到4歲以后，骨骼和肌肉的發育已有了一定程度，可以使用3點式約束系統，但兒童的身體和體位不適用成人的安全帶系統，應為兒童使用增高墊來配合安全帶系統使用，為了防止肩帶卡住頸部，應為兒童安裝安全帶導向環，并且調整腰部位置來配合腰帶的使用。
三、數字化設計技術
（一）數字化技術
隨著科學技術的日益進步，市場競爭的日益激烈，導致產品的復雜度與技術含量日益增加，產品設計周期漸漸縮短。因此，縮短產品設計周期和減少上市周期，變成了企業競爭的重要因素。這種趨勢下，利用計算機輔助技術完成產品開發，并進行完善的數字化產品開發技術，越來越受到各企業的重視。數字化技術能全面地考慮產品設計與生產的全過程，降低成本，提升產品質量，滿足客戶縮短設計周期的需求，使企業在競爭中始終保持優勢。以三維實體建模為基礎的計算機輔助設計，有線架構、曲面模型和實體模型的表現方式。利用三維建模模型，將產品的創新點、結構全部由三維實體表現出來，并把各項工程要求、縫隙公差等信息以及各部件之間的相對位置，以三維實體的形式全部表現清楚，在此基礎上檢查裝配時是否存在遮擋、部件之間是否有干涉、間隙是否符合要求，改正全部設計過程中不符合工程要求之處，最終完成產品的設計。極大地減少了設計的更改時間、工程模型的制作時間及產品生產準備時間。產品設計的各階段均由數字化技術統一表達，各部門數據實時共享。在設計過程中，同時可進行結構分析、可制造性與安全性計算，如汽車碰撞安全性計算，并借助互聯網進行數字化傳遞，對分析驗證與仿真提供保障。
（二）數字化產品的特點與優勢
1.面向裝配。數字化設計技術的使用，面向整個產品的研發過程，并非單獨部件。包括了工程裝配、造型設計等全部信息，形成數字模型，可以同時被不同設計階段的設計師、工程師所使用。數字化設計技術可以查看高度復雜的部件之間的裝配關系，使項目經理可以隨時查看超過標準的部件，并在早期進行更改，節省了設計成本。
2.面向產品生命周期。從產品的設計、開發到最終的發布，整個生命周期的各個部分信息，全部統一在模型中進行管理和維護。對產品的設計和裝配分析，以及提高產品質量有著重要的作用。
3.具有統一的數據模型。傳統設計的個環節相對獨立，最終使產品復雜度不斷增加，對各部門的合作增加了工作量，導致產品質量下降、設計成本增加和設計周期的增多。數字化技術將產品從設計到生產全部過程的數據統一，數據模型囊括了整個設計。
4.數字化結合了計算機軟件與數據管理技術，極大縮短設計周期，降低產品設計成本，促進了長期生產并提高生產效率。
5.數字化設計將產品設計及實物模型的制作在真正生產之前，設計與檢驗工作全部在計算機上完成。一個項目的設計可由多個設計團隊，在不同地點分步進行，后期統一裝配成為一個完整的數字化模型。該數字化模型完成可制造性分析、功能與成本分析，還可隨時展示給客戶。
（三）數字化下的座椅設計
在設計汽車兒童安全座椅的曲面造型過程中，數字化設計通常指的是外表面數據，即CAS面、A面和三維渲染。從前期草圖開始加入數字化設計，造型師們不必在紙上表現自己的設計意圖，而是通過數位板和繪圖軟件在計算機屏幕上，實時創作和修改，可以隨意切換設計桌面的大小，解決了很多線性關系和大小比例的題，減小了設計成本的投入，并借VR技術迅速實現產品的1:1效果展現，展示效果更真實。隨著ALIAS、ICEM Surf 等設計軟件投入使用，數字化在設計中的參與度逐步提高，不僅可以展示座椅多種型面的實際效果，還有許多檢測曲面質量的工具，例如斑馬線檢測高光走勢，避免前期造型的失誤，減少了后期極大的返工工作量，而且對后期工程的模型制作也很重要，可以避免接近角、離去角等工程問題，對部件內部遮擋、縫隙錯位等問題可以及早發現和解決。前期模型制作完畢，問了更好地展示設計效果，造型師對產品的模型數據進行三維渲染，從座椅表面漆的顏色搭配、防護效果的展示、座椅外觀的紋理到環境的搭配，進行實時可視化的調整。用戶可以根據產品展示，決定下一步的設計需求。通過VR電腦技術，模擬一個三維虛擬世界，提供給用戶聽、視和觸覺的感受，并且可以直接看到最終的設計產品。CAS面和三維渲染之后，座椅的設計進行到A面階段，需滿足審美要求、內部曲面質量要求、工程后續結構設計要求和制造工藝要求，是對產品造型的關鍵，反映的是工程階段的最終形態
數字化技術不受產品成本和地理位置的制約，不浪費生產資源，不消耗成本，設計以數字化數據的形式存在，實時地進行修改與調整，在各方面都有著明顯的優勢，可以鼓勵設計師大膽創新，推動設計發展。相信在科技高速發展的未來，數字化技術將會得到更廣泛的使用，推動整個產品設計行業的發展。
（四）模擬碰撞試驗
運用MADYMO軟件計算程序進行模擬物理動力學響應，并對乘員損傷和車輛碰撞進行分析，來評價兒童安全座椅的設計參數影響。汽車座椅模擬的外形根據試驗臺的尺寸建立，由數據庫中“力-變形”函數定義座椅接觸特性。為了方便檢測碰撞時座椅對兒童的保護性能，開發模擬人類的假人進行試驗，用真人進行碰撞試驗會是十分危險。模擬碰撞后，經過MADYMO軟件計算輸出結果，實時計算頭部、胸部的加速曲線，這些結果將會運用在兒童乘員的防護研究。
（五）數字化設計的發展
隨著科技的發展、互聯網技術的普及和用戶的需求，未來的發展趨勢將會是互聯網與設計相結合，通過數據信息連接數據庫，構建一種全新的服務模式，一個龐大的數據工廠。實體模擬、曲面造型、檢測評估等都會通過數字化技術相連接。產品進行虛擬設計和制造，提高企業生產效率，縮短設計周期。企業通過數字化技術與互聯網，可以進行異地設計，再最接近用戶群的地點生產制造，與世界上任意地點建立動態聯盟企業。數字化技術連接了設計師與用戶的距離，提高了設計質量，增強了企業的市場競爭力，將滿足人們不斷增長的工作和生活需求。
總結
汽車安全帶系統和安全氣囊，在遇到交通碰撞事故時，能有效降低乘員的死亡率。但是為成人設計的安全系統，在兒童身上并不適用。汽車兒童安全座椅是為兒童專門設計的安全系統，可以有效保障兒童乘車時的安全。設計適合兒童的乘車安全裝置，將成為兒童安全研究的重要方向。數字化設計的應用，解決了模擬碰撞試驗真人測試的危險問題，所得數據可靠性高。產品設計全周期通過數字化技術共享數據信息，造型師和設計師可隨時進行異地工作，后期數模工程組裝節省了大量了設計成本，在設計過程中實時發現并解決問題，這些優勢為企業的發展增加了市場競爭力，在未來將會發揮更大的作用。
圖1 兒童使用成人安全帶的情況圖2 兒童安全帶的正確使用圖3 兒童身體成長比例圖4 向前式與向后式
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