影響乘員追尾傷害因素的研究

翟錫杰，李 偉，王昌勝，胡丕君，許 煒，朱江明，

（1.浙江零跑科技有限公司，杭州 310053；2.浙江大華技術(shù)股份有限公司 杭州，310053）

在各類交通事故中，人體頭頸是最常見的致傷部位，尤其在汽車追尾碰撞事故[1-3]中，頸部傷害的比例高達(dá)77.1 %。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織、美國IIHS等針對汽車追尾碰撞對乘員頸部傷害產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了研究，并制定了相應(yīng)的法規(guī)和安全性評價(jià)體系；歐洲Euro-NCAP 也于2008 年將汽車追尾碰撞頸部傷害列入安全性評價(jià)體系。而中國為了評價(jià)車輛在追尾碰撞事故中乘員頸部所受“揮鞭傷”的程度，在2012版C-NCAP星級評價(jià)體系[4]中增加了新的考核試驗(yàn)項(xiàng)目——鞭打試驗(yàn)。但是，2012版C-NCAP推廣至今，通過研究發(fā)現(xiàn)其中的一些評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)難度有所降低，為了更好地保護(hù)乘客的安全，于2015年正式提出了新版評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。2015版C-NCAP比2012版更加嚴(yán)格，而今年提出的2018版C-NCAP則是基于2015版對乘員上下頸部傷害值的權(quán)重進(jìn)行加權(quán)處理，相對于2015版會更加寬松。因此，本研究以2012版與2015版為基礎(chǔ)進(jìn)行比較分析。

本研究以目前已量產(chǎn)的車型為基礎(chǔ)進(jìn)行鞭打試驗(yàn)，建立仿真模型，并進(jìn)行對標(biāo)分析，得到座椅參數(shù)對鞭打性能的影響趨勢及影響度，將所得到的結(jié)論應(yīng)用到實(shí)際的性能開發(fā)中。

1 2012版與2015版C-NCAP比較

隨著2015版C-NCAP[5]的發(fā)布，得分的難度也隨之上升，而在鞭打試驗(yàn)方面，其與2012版相比主要的差別見表1。

表1 2012版與2015版C-NCAP差別

由表1可知，整體計(jì)算得分的方式發(fā)生變化，本來在 NIC得分方面就比較困難，這種改變使其得高分的難度加大，并且新版對座椅動態(tài)張角的要求更加嚴(yán)格。從表2[6]可以看出2012版與2015版C-NCAP的差距。

表2 2012版與2015版鞭打試驗(yàn)得分對比

由表2可知，一些車型在2012版C-NCAP中的得分盡管達(dá)到了滿分，但在2015版C-NCAP中得分不到3.4分。這只是這兩版鞭打試驗(yàn)得分中摘錄的一部分，說明2015版C-NCAP得高分的難度較2012版大。

2 仿真模型

由于缺少座椅相應(yīng)的材料屬性，同時(shí)考慮到有限元計(jì)算效率的局限性，本研究以多剛體仿真模型[7]作為基礎(chǔ)模型，進(jìn)行一系列的仿真分析優(yōu)化計(jì)算等。

由于2015版C-NCAP中，得分的難點(diǎn)主要集中在NIC方面，因此對標(biāo)結(jié)果主要以NIC為主，并且綜合考慮其它傷害值的影響。所建立的模型如圖1所示，仿真及對標(biāo)曲線對比如圖2所示。

圖1 仿真模型

圖2 仿真及對標(biāo)曲線對比

仿真擬合度誤差α為：

式中：m為試驗(yàn)曲線的峰值；n為仿真曲線的峰值；α為曲線擬合度誤差。

α≤5%即為滿足要求，而α1=4.76%，說明兩條曲線的擬合程度比較一致，仿真模型能夠比較好地模擬出試驗(yàn)的情況。

3 各參數(shù)的影響趨勢及影響度

本研究著重考慮頭后間隙、頭枕高度、頭枕剛度、上靠背剛度、下靠背剛度以及調(diào)角器剛度等因素對座椅性能的影響趨勢。

通過對仿真模型的各個(gè)參數(shù)分別取值，見表3，利用DOE方法[8]依次進(jìn)行仿真計(jì)算，并對所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析。

通過將表3中的各個(gè)參數(shù)帶入到仿真模型中進(jìn)行計(jì)算，可以得到一系列的關(guān)于假人頸部的傷害值[9-10]。將這些傷害值分類處理之后，可以得到如圖3～9所示的結(jié)果。

表3 性能參數(shù)取值

圖3 各因素對上頸部剪切力的影響趨勢

圖4 各因素對上頸部拉伸力的影響趨勢

圖5 各因素對上頸部彎矩的影響趨勢

圖6 各因素對下頸部剪切力的影響趨勢

圖7 各因素對下頸部拉伸力的影響趨勢

圖8 各因素對下頸部彎矩的影響趨勢

圖9 各因素對NIC的影響趨勢

由圖3～9中的變化趨勢可知，這些因素對上頸部剪切力、上頸部拉伸力、下頸部剪切力等的影響因素比較復(fù)雜，但是這三項(xiàng)對頸部傷害值得分的影響程度較低，見表4。因此，對這幾項(xiàng)參數(shù)所造成的影響度[11]進(jìn)行分析時(shí)，這幾項(xiàng)的影響可以忽略。為研究這幾個(gè)座椅參數(shù)對其余4個(gè)頸部傷害指標(biāo)的影響，采用極差分析法[11]（簡稱R法）對主要參數(shù)進(jìn)行了正交試驗(yàn)分析。利用極差分析法可以得到各個(gè)參數(shù)對上頸部彎矩、下頸部拉伸力、下頸部彎矩以及NIC的影響程度，如圖10～13所示。

圖10 各因素對上頸部彎矩的影響度

圖11 各因素對下頸部拉伸力的影響度

圖12 各因素對下頸部彎矩的影響度

圖13 各因素對NIC的影響度

由圖10～13可知，在上頸部彎矩的影響度中，占主要因素的分別為調(diào)角器剛度、頭枕高度和頭后間隙；在下頸部拉伸力的影響度中，占主要因素的分別為頭枕高度、頭后間隙和調(diào)角器剛度；在下頸部彎矩的影響度中，占主要因素的分別為頭枕高度、調(diào)角器剛度、頭枕剛度、上靠背剛度、下靠背剛度和頭后間隙；在NIC的影響度中，占主要因素的分別為頭后間隙、調(diào)角器剛度、上靠背剛度、頭枕剛度、頭枕高度和下靠背剛度。

因此，在給座椅供應(yīng)商制定性能目標(biāo)時(shí)，按照不同的座椅性能提出不同的參數(shù)要求，特別是座椅調(diào)角器的剛度，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期務(wù)必對其提出可靠的性能要求，這一點(diǎn)必須引起重視。

4 案例分析

在某一項(xiàng)目前期開發(fā)階段制定的安全目標(biāo)是2012版C-NCAP（總分62分）碰撞得分56分，但由于規(guī)則更改，2015版C-NCAP總分變?yōu)?1分，并且座椅鞭打試驗(yàn)得分難度增大。前期座椅的鞭打試驗(yàn)得分按照2012版C-NCAP規(guī)則，得到3.3分，但是換算成2015版規(guī)則，得到2.49分，見表4，不滿足3.5分的性能要求。

前期基礎(chǔ)鞭打試驗(yàn)的假人傷害值得分見表4，座椅的初始狀態(tài)如圖14所示。

由表4可知，上頸部彎矩扣分非常嚴(yán)重，其次是NIC，再次就是下頸部彎矩。后續(xù)的優(yōu)化會主要以這3個(gè)傷害值作為最終目標(biāo)，在保持其它傷害值不增大的前提下，盡量提升這3個(gè)傷害值的得分。

根據(jù)上文得出的結(jié)論來看，要想減小上頸部彎矩、NIC以及下頸部彎矩這些傷害值，均需要考慮調(diào)整調(diào)角器的剛度。但是，由于本項(xiàng)目已經(jīng)處在項(xiàng)目開發(fā)的中期，如果調(diào)整調(diào)角器剛度則存在法規(guī)項(xiàng)以及扣分項(xiàng)的風(fēng)險(xiǎn)，所以調(diào)角器的剛度因素不在此階段考慮。

表4 初始狀態(tài)鞭打試驗(yàn)得分表

圖14 座椅初始狀態(tài)

結(jié)合上頸部彎矩傷害值影響曲線（圖3）以及影響度（圖10），可以看出關(guān)鍵因素是頭枕高度、頭后間隙，其次是上靠背剛度、下靠背剛度；結(jié)合NIC傷害值影響曲線（圖9）以及影響度（圖13），可以看出關(guān)鍵因素是頭后間隙，其次是上靠背剛度、頭枕剛度；結(jié)合下頸部彎矩傷害值影響曲線（圖8）以及影響度（圖12），可以看出關(guān)鍵因素是頭枕高度，其次是頭枕剛度、上靠背剛度、下靠背剛度。

通過以上說明，可以提出的修改方案如圖15所示。

圖15 修正之后的座椅狀態(tài)

具體的修改方案：（1）減少頭后間隙，由原先的40 mm調(diào)整為15 mm，通過將頭枕?xiàng)U角度17.5°調(diào)整為9°并增加頭枕厚度來實(shí)現(xiàn)。（2）增大頭枕的高度，由原先的-10 mm調(diào)整為0 mm。（3）減少頭枕剛度，通過增加頭枕的厚度來實(shí)現(xiàn)。（4）增加上靠背的剛度，通過削減上靠背上面的泡棉來實(shí)現(xiàn)。按照以上方案進(jìn)行鞭打試驗(yàn)，得到如圖16～18的試驗(yàn)曲線。

圖16 NIC傷害值曲線

圖17 上頸部彎矩傷害值曲線

圖18 下頸部彎矩傷害值曲線

由圖16～18可知，NIC、上頸部彎矩以及下頸部彎矩的峰值有了非常明顯的改善，具體得分見表5。

由表5可知，與初始狀態(tài)的得分進(jìn)行比較，在NIC、上頸部彎矩以及下頸部彎矩得分方面提升非常明顯，并且也滿足最初設(shè)定的性能要求。這說明這次方案比較好地解決了座椅開發(fā)過程中不能夠滿足鞭打試驗(yàn)性能的問題，為后續(xù)項(xiàng)目開發(fā)提供了更多的經(jīng)驗(yàn)。

表5 方案修改后鞭打試驗(yàn)得分表

5 結(jié)論

通過對以上數(shù)據(jù)、圖示、表格的分析處理可以得出以下結(jié)論。

（1）影響NIC傷害值的參數(shù)主要是頭后間隙及調(diào)角器剛度，通過減小頭后間隙并適當(dāng)?shù)卣{(diào)大調(diào)角器剛度，可以減少NIC傷害值；上頸部彎矩則可以通過調(diào)整調(diào)角器剛度、頭后間隙及頭枕高度來減小傷害值；而下頸部彎矩則主要通過調(diào)整頭枕高度及調(diào)角器剛度來減小。

（2）本文從仿真角度找到了影響鞭打試驗(yàn)中假人傷害值的各個(gè)因素的影響趨勢以及影響程度，再把這些結(jié)論應(yīng)用到實(shí)際的項(xiàng)目開發(fā)過程中，并且比較好地解決了實(shí)際存在的問題。