主動式安全頭枕的開發(fā)與仿真研究*

曹立波，李正坤，龔永堅

(1.湖南大學，汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082; 2.金華職業(yè)技術學院，金華 321007)

前言

追尾碰撞是發(fā)生率僅次于正面碰撞和側面碰撞的主要交通事故形態(tài)，雖然追尾碰撞不像正面碰撞容易對乘員造成嚴重傷害，但卻易于導致乘員發(fā)生包括頸部損傷在內的各種可持續(xù)影響受害者一生的損傷，從而造成巨大的社會醫(yī)療支出［1］。座椅頭枕是一種保護頸部和降低頭部與胸部相對運動的裝置。研究表明，由于考慮乘員舒適性和側面視野等因素，普通頭枕只能起到13% ～18%的頸部防護效果［2］。

法規(guī)對安全性的要求已經促使傳統頭枕的設計越來越靠近乘員頭部，但基于安全性設計的頭枕會影響到乘員舒適性和側面視野［3］。因此，設計一種既不影響乘員舒適性和視野，又能在追尾碰撞時靠近乘員頭部的頭枕裝置成為一種迫切的需求。目前，常見的安全頭枕有:純機械式的頭枕裝置，借助乘員身體的力量觸發(fā)頭枕，使得頭枕靠近乘員頭部，但在使用中存在容易誤觸發(fā)、對身高較低的乘員不觸發(fā)和響應滯后的問題［4］;預響應式頭枕，通過毫米波雷達測速和測距，能準確地預測追尾碰撞的發(fā)生，提供對乘員頸部的有效保護，但由于成本高，主要用于中高檔車輛，難以普及;碰撞響應式頭枕，由傳感器控制，電磁鐵觸發(fā)，響應準確迅速，具有較好的推廣應用價值。

本文中提出了一種基于碰撞加速度信號控制的主動式安全頭枕，它能準確判斷追尾碰撞的發(fā)生，并及時有效地將頭枕靠近乘員頭部，建立了相應的座椅有限元與BioRIDII假人耦合計算模型，對該頭枕的保護效果進行了仿真研究。

1 結構設計

該主動式安全頭枕主要由固定部分和可動部分組成。按功能細分為感知控制模塊、觸發(fā)機構和執(zhí)行機構，可動部分通過執(zhí)行機構與固定部分相連。頭枕包括收攏和展開兩種工作狀態(tài)，平時為收攏狀態(tài)，當追尾碰撞發(fā)生時，頭枕快速展開，向前、向上移動，以保護乘員，頭枕兩種狀態(tài)示意圖如圖1所示。頭枕結構如圖2所示。

1.1 感知控制模塊

為能快速準確地判斷追尾碰撞的發(fā)生，主動式安全頭枕采用加速度傳感器實時采集車輛加速度信息，并以此判斷追尾碰撞是否發(fā)生和碰撞強度，如果碰撞強度達到觸發(fā)閾值，則系統將頭枕解鎖。

1.2 觸發(fā)機構

為使頭枕可動部分能在追尾碰撞發(fā)生后及時快速地展開，采用電磁鐵觸發(fā)，如圖2所示，可動部分平時通過滑桿卡在從動臂的滑槽內，使頭枕處于收攏和鎖止狀態(tài);當追尾碰撞發(fā)生后，控制系統判斷追尾碰撞發(fā)生，發(fā)送信號給電磁鐵，電磁鐵帶動滑桿從滑槽中滑出，釋放頭枕可動部分，在10ms內完成頭枕的釋放動作。

1.3 執(zhí)行機構

為使頭枕快速完成向上向前的運動，采用平行連桿機構，利用拉簧提供動力。如圖2所示，在追尾碰撞發(fā)生后，電磁鐵觸發(fā)機構解除頭枕鎖止狀態(tài)，頭枕可動部分在拉簧回復力的作用下，快速靠近乘員頭部;該機構還具有限位機構，使得頭枕展開到預定位置后鎖止，不會在頭部沖擊力的作用下向后運動。頭枕展開以完成頸部保護功能后，可方便地手動復位。

對主動式安全頭枕進行樣件試制，利用高速攝像儀對樣件展開動作進行記錄，結果如圖3所示。由圖可見，該試制樣件展開動作控制在30ms內，能夠保證頭枕的快速展開，從而為乘員頸部提供有效的保護。

2 仿真研究

采用有限元軟件LS-DYNA和多剛體軟件MADYMO建立座椅有限元與BioRIDII有限元假人耦合計算模型，使用耦合計算的方法進行仿真分析。

LS-DYNA與MADYMO耦合計算方法結合了兩個軟件的各自優(yōu)勢［5］:LS-DYNA能準確模擬座椅結構變形;MADYMO假人數據庫中BioRIDII假人的計算精度和效率高，數值穩(wěn)定性好。在耦合計算過程中，LS-DYNA與MADYMO求解器分別計算出座椅結構變形和乘員動力學響應，并進行實時的數據交互，相互之間傳遞接觸力和結構變形位置，耦合計算方法原理如圖4所示。

2.1 座椅有限元模型的建立和驗證

利用 Hypermesh軟件構建某車型駕駛員座椅，包括骨架總成、頭枕和坐墊等完整的有限元模型，如圖5所示，該座椅有限元模型共計102 785個單元，其中殼單元44 830個，實體單元56 442個，梁單元 676個，RBE2單元837個。

使用質量 5.825kg、直徑165mm的剛性擺錘以4m/s的水平速度沖擊頭枕對座椅有限元模型的有效性進行試驗驗證，輸出擺錘的加速度曲線對比。驗證試驗和仿真模型分別如圖6和圖7所示，圖8為試驗和仿真得到的擺錘加速度曲線。由圖可見:仿真結果在峰值及峰值時刻與試驗結果存在一定的差異，但誤差控制在10%以內，且兩條曲線的趨勢基本一致。因此座椅的有限元模型是有效的，可用于后續(xù)的研究。

2.2 追尾碰撞試驗方法

按照C-NCAP法規(guī)中的追尾碰撞試驗方法，根據原車結構將座椅和約束系統固定安裝在臺車上，座椅上放置BioRIDII型假人，臺車速度控制在Δv=15.65±0.8km/h，加速度波形按照C-NCAP要求加載，加速度峰值為10.0g，在0～150ms時間范圍內準確控制以滿足試驗要求。

頸部評價指標分為兩組。一組為通過頭部加速度和胸部加速度計算出的頸部傷害指數NIC;頸部傷害指數NIC是枕骨鉸鏈相對于第一胸椎骨T1的水平加速度和速度的相對值。

另一組為頸部載荷，包括頸部上(第一頸椎骨C1)剪切力Fx、拉力Fz和扭矩My以及頸部下(T1)剪切力Fx、拉力Fz和扭矩My。

2.3 追尾碰撞的仿真研究

按照C-NCAP追尾碰撞試驗方法，采用上述座椅有限元模型進行追尾碰撞仿真分析，碰撞加速度按照法規(guī)要求，反向加載在BioRIDII假人身上，座椅有限元和BioRIDII有限元假人耦合計算模型如圖9所示。分別對乘員使用原結構座椅和安裝主動式安全頭枕座椅進行仿真分析。

原結構座椅和裝有主動式安全頭枕的座椅頭枕展開后的靜態(tài)尺寸如表1所示，其中頭后間隙和頭枕高度的定義如圖10所示。該主動式頭枕展開后使得頭枕升高32mm，頭后間隙減小38mm。

表1 座椅靜態(tài)尺寸 mm

圖11為乘員分別使用原結構座椅與裝有主動式安全頭枕座椅時的頭部和T1加速度對比。在使用原座椅的情況下，在追尾碰撞發(fā)生35ms時，胸部開始承受向前的加速度，頭部由于沒有支撐，不承受向前的加速度，頭部和胸部開始產生相對運動，到75ms時，頭部與頭枕開始接觸，頭部加速度迅速上升，80ms時刻，胸部完全陷入靠背中，胸部加速度達到峰值15g。此后，胸部加速度開始下降，92ms時刻，頭部加速度達到30g的峰值，隨后頭部加速度開始下降，123ms時刻，頭部與頭枕分開，頭部加速度降為0，頭部與頭枕接觸時間為48ms。使用主動式安全頭枕時，在65ms時刻，頭部就已經開始與頭枕接觸，頭部加速度提前上升，使得第一階段頭部和胸部的相對運動減小，頭部加速度在100ms時達到峰值20g，頭部與頭枕接觸時間增加至65ms。

圖12為乘員分別使用原結構座椅與裝有主動式安全頭枕座椅時的頸部傷害指數對比。乘員使用原結構座椅時的頸部損傷指數NIC峰值發(fā)生在78ms，大小為33.4m2/s2;使用裝有主動式安全頭枕座椅時的頸部損傷指數NIC峰值發(fā)生在70ms，峰值為22.1m2/s2。研究表明:NIC值越大，脊髓神經根受刺激導致神經元細胞膜功能受到損傷的幾率越大;NIC峰值達到15m2/s2時，頸部會有50%的損傷風險;NIC峰值達到32m2/s2時，頸部會有100%的損傷風險［6］。而C-NCAP法規(guī)要求的NIC低性能限值為30m2/s2。因此，原結構座椅在追尾碰撞中會使乘員頸部受到損傷，起不到應有的保護效果。而乘員使用主動式安全頭枕時的頸部損傷指數NIC值相比原結構降低了33.8%，顯著降低了頸部損傷風險，并且滿足C-NCAP法規(guī)要求。

表2列出了追尾碰撞中的評價指標的性能閾值和乘員使用原結構座椅與安裝主動式安全頭枕座椅時的乘員響應參數。由表可見:使用原結構座椅時的損傷參數除了上頸部剪切力外均超過了低性能限值，對乘員頸部的保護性能欠佳;而采用主動式安全頭枕后，乘員頸部損傷指數NIC和頸部載荷均有所降低，并且顯著優(yōu)于C－NCAP法規(guī)的低性能限值，說明主動式安全頭枕能有效地降低乘員頸部損傷，起到保護乘員頸部的作用。

表2 追尾碰撞中乘員響應峰值

2.4 主動式頭枕設計參數的仿真研究

為了更好地了解頭枕展開位置對乘員追尾碰撞動力學響應和頸部損傷的影響，為優(yōu)化硬件設計提供理論指導，提高汽車追尾碰撞頸部損傷的防護性能，在上述研究的基礎上，以頸部損傷指數NIC作為評價指標，對主動式頭枕的設計參數進行研究。

調整主動式頭枕展開位置進行追尾碰撞仿真分析。取主動頭枕未展開、展開至中間位置和完全展開3種情況進行分析，仿真結果如圖13所示。由圖可見:追尾碰撞中主動式頭枕展開位置不同對頸部損傷有很大影響;頭枕完全展開時，在70ms時刻NIC就已經達到峰值22.1m2/s2;頭枕展開到中間位置時，76ms時達到NIC峰值28.5m2/s2;頭枕未展開時，82ms時才達到 NIC峰值38.3m2/s2。NIC峰值的出現時刻與頭枕接觸時刻一致，說明頭枕越靠近乘員頭部，頭部與頭枕接觸越早，乘員頸部損傷越小。由于頭枕展開位置確定須綜合考慮座椅種類，展開時間等因素，具體頭枕展開位置的確定有待進一步研究。

3 結論

開發(fā)了一種基于碰撞加速度信號控制的主動式安全頭枕，能夠在追尾碰撞發(fā)生后60ms內展開，使頭枕前移32mm，上移38mm。該頭枕裝置展開后，可通過手動方便地復位。建立了座椅有限元和BioRIDII假人的耦合計算模型，并根據C－NCAP法規(guī)追尾碰撞試驗方法對未安裝和安裝主動式安全頭枕的兩種座椅進行了仿真研究。通過與乘員使用原座椅結構仿真結果對比可知，該主動式安全頭枕使乘員在追尾碰撞中頸部損傷指數NIC降低33.8%，可顯著降低頸部損傷，對乘員頸部有明顯的保護作用。同時，通過對主動式頭枕設計參數研究發(fā)現，隨著頭后間隙的減小與頭枕高度的增加，主動式頭枕具有更好的頸部保護效果，對頭枕的設計具有一定的指導意義。

［1］Gerald Locke，Eric Veine，Andrew Merkle，et al.Influence of Seatback Content and Deflection on FMVSS 202a Dynamic Response［C］.21stESV Conference，Paper No.09 －0324.

［2］Brian D Stemper，Narayan Yoganandan，Frank A Pintar.Effect of Head Restraint Backset on Head－Neck Kinematics in Whiplash［J］.Accident Analysis and Prevention，2006，38:317 －323.

［3］Sawada M Hasegawa.Development of New Whiplash Prevention Seat［C］.19thESV Conference，Paper No.05 －0288.

［4］Anders Kullgren，Anders Lie，Claes Tingvall.The Effect of Whiplash Protection Systems in Real－Life Crashes and Their Correlation to Consumer Crash Test Programmes［C］.Paper No:07 －0468.

［5］Prabhu Setru，Jiri Kral，Swarna Rajeswaran.IIHS Side Impact U－sing DYNA－MADYMO Coupling［C］.8thInternational LS－DYNA Users Conference.2004:47－54.

［6］Kullgren A，Eriksson L，Bostr?m O，et al.Validation of Neck Injury Criteria Using Reconstructed Real－Life Rear－End Crashes With Recorded Crash Pulses［C］.18thInternational Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles(ESV)，2003，Paper No.1－14.