某車型頭部保護(hù)方案優(yōu)化分析

田佳平，潘萍萍

（1.華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141；2.沈陽工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110136）

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某車型頭部保護(hù)方案優(yōu)化分析

田佳平1，潘萍萍2

（1.華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141；2.沈陽工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110136）

摘 要：文章針對某品牌汽車前排座椅鞭打性能差的問題，展開頭部保護(hù)方案優(yōu)化相關(guān)研究。通過理論分析，找出影響鞭打性能的座椅參數(shù)，并利用鞭打試驗(yàn)與CAE分析相結(jié)合的方法對影響座椅鞭打性能的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，改善了座椅的鞭打性能。仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的可信性和正確性。研究結(jié)果表明，適當(dāng)局部調(diào)整頭后距離，頭枕高度，頭枕強(qiáng)度值及頭枕?xiàng)U剛度可有效改善座椅鞭打性能，降低研發(fā)成本。

關(guān)鍵詞：前排座椅；優(yōu)化設(shè)計(jì)；鞭打性能；頭枕結(jié)構(gòu)

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.04.015

CLC NO.: U462.1Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)04-42-04

前言

汽車的前排座椅是汽車內(nèi)飾的重要組成部分，前排座椅主要由頭枕、靠背和坐墊組成。在前排座椅的設(shè)計(jì)過程中，座椅的安全性越來越受到人們的重視。當(dāng)汽車發(fā)生追尾碰撞事故時，乘員原本保持放松狀態(tài)的頭部和頸部會受到來自頭枕和靠背的作用力，頭部和頸部將發(fā)生相對運(yùn)動。當(dāng)座椅的骨架和頭枕結(jié)構(gòu)不佳時，乘員的頭部和頸部極易受到鞭打損傷[1,2]。世界各國越來越重視座椅的防鞭打性能，我國C-NCAP也在2012年7月正式實(shí)施揮鞭傷試驗(yàn)。本文將對某品牌汽車前排座椅結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以提高其鞭打性能。

1、揮鞭效應(yīng)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

揮鞭效應(yīng)評價(jià)主要包括靜態(tài)評價(jià)和動態(tài)標(biāo)準(zhǔn)。靜態(tài)評價(jià)主要考察假人頭部與座椅頭枕之間的高度和頭后間隙。而C-NCAP動態(tài)評價(jià)則主要考察加速度波形。在C-NCAP 的動態(tài)評價(jià)試驗(yàn)中，研究人員在座椅上安置BIORID II 鞭打假人，用于評價(jià)車內(nèi)乘員追尾碰撞中受鞭打效應(yīng)造成的傷害指標(biāo)。其中主要輸出通道如圖1所示，包括假人頭部加速度、頭部反彈速度、胸椎加速度、頸部剪切力、頸部拉力和頸部扭矩等。

圖1　揮鞭試驗(yàn)傷害指標(biāo)輸出通道

我國的C-NCAP座椅鞭打試驗(yàn)評分原則如表1所示，即針對頸部傷害指數(shù)、上下頸部剪切力、拉力、扭矩等7個頸部傷害值指標(biāo)進(jìn)行考核[3]。如果相應(yīng)的傷害值超出低性能值，則該脈沖波形指標(biāo)得分為0，如果相應(yīng)的傷害值低于或等于高性能值，則該脈沖波形指標(biāo)得分為滿分。介于高性能值和低性能值之間，則需線形插值來計(jì)算該波形得分。同時，靠背張角和頭部干涉的測量結(jié)果作為扣分項(xiàng)，根據(jù)要求的限值來判斷是否需要扣分。

表1　C-NCAP鞭打試驗(yàn)評分原則

2、揮鞭性能理論分析研究

揮鞭傷害的保護(hù)設(shè)計(jì)核心之一就是降低假人頸部傷害值（即NIC數(shù)值）。NIC 是基于假人頭部的水平方向加速度與T1( 即假人第一節(jié)胸椎) 相關(guān)的加速度來計(jì)算的。而計(jì)算T1則需要假人頭部X向加速度以及T1的平均加速度。根據(jù)需要，首先計(jì)算假人頭部與T1的相對加速度。其具體計(jì)算如下：

在此基礎(chǔ)上，通過積分，計(jì)算出假人頭部與T1之間的相對速度。

進(jìn)而，NIC即可通過假人頭胸X向相對加速度與相對速度計(jì)算得到：

NIC 反應(yīng)了假人頭部與胸部的相對運(yùn)動關(guān)系，NIC 越大，說明假人頭部與胸部的相對運(yùn)動越劇烈，導(dǎo)致頸部受到的剪切力越大。因此設(shè)計(jì)時，假人頭部與胸部的相對運(yùn)動越小越好。同時，也需控制假人上下頸部間的剪切力、拉力和扭矩的差值，以達(dá)到整體改善鞭打性能的目的。通過分析可知，通過設(shè)置合理的靠背與調(diào)角器剛度，減弱座椅靠背對假人背部作用，使頭枕在合理的時刻與頭部作用，減小頭胸加速度差值，提高座椅頭枕剛度，減小頸部向后彎曲程度，都可有效改善頸部NIC傷害值，并提高座椅防揮鞭傷的整體性能。

與全新座椅的開發(fā)不同，本文旨在不更改較多相關(guān)零件的前提下，通過局部優(yōu)化的方法達(dá)到座椅安全性能的要求，以降低開發(fā)成本，實(shí)現(xiàn)效益最大化的目的。座椅頭枕作為鞭打試驗(yàn)中重要的安全件，其結(jié)構(gòu)好壞將直接影響假人在鞭打試驗(yàn)中的傷害指標(biāo)。研究顯示[4]，通過盡可能減小假人頭后間隙的距離，調(diào)整頭枕的高度，調(diào)整頭枕強(qiáng)度及頭枕?xiàng)U剛度的方法能夠從整體上迅速降低假人的傷害指標(biāo)，是一種非常有效的座椅優(yōu)化方法。

3、鞭打試驗(yàn)優(yōu)化方案驗(yàn)證

本文通過對某車型前排座椅的鞭打試驗(yàn)，根據(jù)C-NCAP的評價(jià)指標(biāo)分析形成假人揮鞭傷的主要原因，并通過試驗(yàn)結(jié)果指導(dǎo)改進(jìn)座椅頭枕結(jié)構(gòu)，使其C-NCAP揮鞭傷試驗(yàn)達(dá)到滿分。

3.1 初始試驗(yàn)結(jié)果及分析

C-NCAP中靜態(tài)測量結(jié)果會直接影響座椅的動態(tài)評價(jià)得分。圖2 為座椅實(shí)驗(yàn)圖。圖3為頸部實(shí)驗(yàn)變化示意圖。

圖2　座椅實(shí)驗(yàn)圖

圖3　頸部實(shí)驗(yàn)變化示意圖

根據(jù)試驗(yàn)要求，對本文所研究座椅頭枕的空間幾何尺寸進(jìn)行測量，其結(jié)果如表2所示。在此基礎(chǔ)之上，對A4車型前排座椅按照C-NCAP試驗(yàn)要求進(jìn)行試驗(yàn)，其結(jié)果如表3所示。

表2　頭枕靜態(tài)測量初始空間幾何尺寸

表3　A4前排座椅鞭打試驗(yàn)評分表

從表中可以看出，鞭打試驗(yàn)得分(C-NCAP)為1.09分，頸部上端的拉力(Upper Fz)以及頸部下端的剪切力(Lower Fx)得分較低。通過上文的理論分析可知，這是因?yàn)轭^后距離過大，頭部接觸頭枕的時間較晚，頭枕不能夠及時地對頭部起到支撐作用；與此同時頭枕的高度不適，頭枕不能很好地抑制頭部向上運(yùn)動，使得頭部受創(chuàng)嚴(yán)重。

圖4和圖5分別展示了發(fā)生碰撞時乘員頭部和T1的加速度情況以及NIC的變化情況。結(jié)合兩圖可知，由于座椅頭枕的強(qiáng)度低，不能及時限制假人頭部向后的運(yùn)動趨勢，在碰撞發(fā)生80ms時頭枕便不能抑制頭部的加速運(yùn)動，造成頭部加速度過大。當(dāng)碰撞發(fā)生110ms時，頭部加速度達(dá)到了260m/s2的峰值。在碰撞發(fā)生80ms時，頭部相對于T1的加速度較大，此時的NIC試驗(yàn)值超過了其高性能限值，故NIC得分較低。

圖4　發(fā)生碰撞時頭部和T1的加速度情況

圖5　發(fā)生碰撞時NIC的變化情況

3.2 優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)上文的理論分析并結(jié)合初始試驗(yàn)結(jié)果，在不改變座椅骨架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對座椅頭枕的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。優(yōu)化過程中利用CAE輔助分析和物理實(shí)驗(yàn)對應(yīng)方式。圖6 鞭打?qū)嶒?yàn)仿真分析圖。圖7 物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證圖。

圖6　鞭打?qū)嶒?yàn)仿真分析

圖7　物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將優(yōu)化后的頭枕安裝在同一座椅骨架上，并進(jìn)行靜態(tài)測量，其測量結(jié)果如表4所示。對優(yōu)化后的座椅進(jìn)行CAE鞭打試驗(yàn)分析，其NIC數(shù)值曲線如圖8所示。由圖可知，在碰撞發(fā)生70ms時，頭部NIC值最大。同時對比圖9可以看出，在70ms時，頭部加速度急劇的下降，與T1加速度差值較大，考慮是由于頭枕強(qiáng)度較強(qiáng)，其對頭部向前的力阻礙了頭部由于慣性向后運(yùn)動的力，導(dǎo)致了頭部加速度降低。

表4　頭枕靜態(tài)測量初始空間幾何尺寸

圖8　CAE鞭打試驗(yàn)NIC值曲線

圖9　CAE鞭打試驗(yàn)頭部和T1加速度曲線

根據(jù)上述試驗(yàn)失分的原因分析，再次對座椅頭枕進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化后將頭部支撐部分向后移動15mm，頭枕發(fā)泡向前移動5mm，頭后距離由原先的16mm降低到11mm，并將原頭枕?xiàng)U由直徑12.7mm厚2mm的空心桿變?yōu)橹睆?2.7mm厚2mm的實(shí)心桿，以增加頭枕的剛度。優(yōu)化前后的頭枕結(jié)構(gòu)如圖10所示。其中，藍(lán)色代表頭枕優(yōu)化前的結(jié)構(gòu)，綠色代表頭枕結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)。對優(yōu)化后的頭枕進(jìn)行CAE鞭打試驗(yàn)分析，頭部與T1加速度曲線如圖7所示。從圖11可知，由于頭枕剛度與強(qiáng)度的優(yōu)化，使得頭枕在初始階段彈性變形小，不會對頭部出現(xiàn)一個向前的彈力，從而使得頭部加速度與靠背加速度基本能保持一致，降低了NIC值。優(yōu)化后的座椅，其C-NCAP得分為4分滿分，證明了優(yōu)化方案的可行性與正確性。

圖10　優(yōu)化前后座椅頭枕示意圖

圖11　優(yōu)化后CAE鞭打試驗(yàn)頭部和T1加速度曲線

4、結(jié)論

本文針對某車型前排座椅結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題，開展了相關(guān)研究。文章通過理論分析，找出了影響座椅鞭打性能的頭枕參數(shù)，并對其進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。通過試驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的可信性與優(yōu)化結(jié)果的正確性。試驗(yàn)結(jié)果表明，頭后距離過大會降低試驗(yàn)得分，通過減小頭后距離，調(diào)整頭枕高度，優(yōu)化頭枕強(qiáng)度及頭枕?xiàng)U剛度可顯著改善座椅鞭打性能，降低研發(fā)成本，使座椅成本與性能得到兼顧。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄭祖丹,吳斌,于峰,胡偉強(qiáng).追尾碰撞頸部揮鞭傷害的試驗(yàn)研究,汽車技術(shù)[J], 2013(10):47-50.

[2] 楊洪映,防揮鞭傷安全座椅的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究,湖南大學(xué)碩士學(xué)位論文[D],2012年2日.

[3] 中國汽車技術(shù)研究中心, C-NCAP管理規(guī)則[M]. 天津:中國汽車技術(shù)研究中心,2012.

[4] 王鵬翔,陳超卓,徐立偉等. 防揮鞭傷安全座椅的初步研究[J]. 汽車工程,2009,31(12):1149-1152.

中圖分類號：U462.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)04-42-04

作者簡介：田佳平，工程師，就職于華晨汽車工程研究院，主要從事車身部內(nèi)飾設(shè)計(jì)工作，2015年從事研發(fā)質(zhì)量&項(xiàng)目管理工作。

Optimization analysis of the front seat structure of a type car

Tian Jiaping1, Pan Pingping2
( 1.Brilliance Auto R&D Center, Liaoning Shenyang110141; 2.Shenyang Institute of Engineering, Liaoning Shenyang 110136 )

Abstract:In this paper, the problem of A4 type front seat’s poor whiplash performance and high cost were studied.Through the theoretical analysis, the seat’s parameters which affect whiplash performancewere found out. In order to improve the whiplash performance, the parameters were optimized by using the combined method of whiplash test and CAE analysis. The correctness and credibility of theoretical analysis are verified by simulation and tests.The results show that adjusting the headrest’s distance, height, strength and headrest rod’s rigidity can be effective to improve the seat whiplash performance and reduce the cost.

Keywords:Front seat; optimal design; whiplash performance; headrest structure