随着汽车保有量的日益增加,越来越多的儿童乘坐汽车出行,但汽车内的座椅及安全装置并不适合儿童的身体尺寸。中国每年有大量的儿童乘员死于交通事故,最常见于正面碰撞形态,主要原因是儿童安全座椅的使用率过低、误使用等。儿童安全座椅本身过重及安全带绑定路径不明确、不合适,使得其在车内的配备率极低,而保护效果又很差。本文对增高座椅进行结构优化和安全带路径优化,目的是使增高座椅轻量化,提高使用便利性和能源利用率,并且研究获得安全带约束路径最佳的设计方式,提高碰撞中儿童乘员的安全性。本文通过对增高座椅原始设计的三维模型进行有限元网格划分,在MADYMO中构造增高座椅的碰撞仿真模型,模型的计算运用多刚体动力学和有限元分析方法,并经过试验验证了增高座椅仿真模型的有效性;使用验证后的增高座椅模型,一方面构建ECE R129法规下的Q系列6岁儿童假人的正面碰撞仿真模型,并用于安全带路径优化研究,采用全因子试验设计方法,组合肩带导向和腰带导向这两个因素的三个水平,评价获得最优安全带路径设计方案,另一方面在Optistruct软件中采用结构优化方法中的拓扑优化和尺寸优化,改进壳体和加强筋结构使增高座椅轻量化,确定增高座椅结构优化方案,并使用静力学分析方法验证优化结构的安全性;最后,使用增高座椅结构优化方案构建正面碰撞仿真模型,分别研究结构优化、安全带路径优化和综合优化对儿童乘员安全性的影响。研究结果表明,增高座椅模型的壳体拓扑优化和加强筋尺寸优化经过迭代计算后,可分别减重17.4%和12.1%,优化结果改进后,最终确定的增高座椅结构优化方案可减重11.8%,进一步地正碰研究表明结构优化后Q6儿童假人头部损伤指标下降显著,最大可下降10.3%,对头部安全性能有显著的提升,胸部损伤指标变化微小,基本不影响儿童乘员的安全性;另外,经过9组正碰模拟后,创新性地提出儿童综合损伤评价指标C₁₂₉,并采用增高座椅的安全带匹配评价等级方法,进行静态的几何评价和动态碰撞的定量评价,获得最优安全带路径,即原始腰带导向位置向下偏移20mm、肩带导向位置向上偏移20mm时的安全带约束路径,与原始模型比较分析后显示儿童假人头部和胸部安全性都大幅提升,头部损伤值最大下降了16.8%,胸部损伤值最大下降了20.4%;综合前述两种优化后的计算结果表明,头部损伤值最大下降了19.5%,胸部损伤值最大下降了18.6%,综合优化能使得增高座椅结构减重11.8%的同时,最大程度地提升儿童乘员的安全性。综上,上述研究方法和研究结论对增高座椅的优化设计具有指导意义。