乘用車座椅鞭打試驗性能研究與改進(jìn)

符大興，劉華官，李登云，于國超

（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007；2.武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

引言

汽車追尾碰撞事故導(dǎo)致的揮鞭傷是一種常見的傷害[1]，追尾事故會給乘員頸部的骨骼或軟組織造成嚴(yán)重的損傷[2]，這種損傷導(dǎo)致的并發(fā)癥很多，嚴(yán)重時會對人體造成永久的傷害，給人們帶來重大的健康和經(jīng)濟負(fù)擔(dān)。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，通過減小后部撞擊時乘員頭部和軀干之間的相對運動[3]，可以有效的提高座椅的鞭打性能。在汽車發(fā)生追尾碰撞事故時，保證座椅能夠有效的保護人體免受傷害已經(jīng)成為各大汽車公司重點研究的內(nèi)容。

本文依據(jù)2018 版C-NCAP 鞭打試驗要求，運用有限元方法建立某乘用車座椅的鞭打試驗?zāi)Ｐ停槍Ρ薮蛟囼灧抡娼Y(jié)果中得分較低的問題，提出座椅的改進(jìn)方案，對改進(jìn)后的座椅進(jìn)行仿真驗證，結(jié)果表明，更改頭枕的位置以及頭枕骨架的剛度可以有效的提升座椅的鞭打性能。

1 2018 版鞭打試驗評分原則

自2008 年底，歐洲將揮鞭傷試驗列入E-NCAP 評價體系后，鞭打試驗受到越來越多的重視[4]。2012 年開始，C-NCAP 也正式將鞭打試驗納入評分體系，在《C-NCAP 管理規(guī)則》中有較詳細(xì)的評分標(biāo)準(zhǔn)，從2012 年到2018 年期間，鞭打試驗的評分準(zhǔn)則也發(fā)生了相應(yīng)的變化，2018 版C-NCAP鞭打試驗[5]總分從之前的4 分提高為5 分，試驗分值的提高體現(xiàn)了鞭打性能的重要性更高。其中頸部傷害指數(shù)NIC 分值為0～2 分，即NIC 值低于高性能限值時得2 分，高于低性能限值時得0 分，采用線性插值的方法計算處于高低性能限值之間的分?jǐn)?shù)，結(jié)果保留兩位小數(shù)。NIC 值的主要影響因素是頭部加速度與胸部加速度，如圖1-1 所示。頸部載荷和扭矩由0～1 分更改為0～1.5 分，分?jǐn)?shù)計算方式與NIC 值相同，頸部載荷和扭矩如圖1-2 所示。

圖1 頭部、胸部加速度

圖2 頸部載荷、扭矩

2018 版C-NCAP 鞭打試驗評分表中的罰分項也作出了相應(yīng)的更改，座椅靠背動態(tài)張角由2015 版的19°更改為25.5°，需要更好的平衡調(diào)角器強度和靠背設(shè)計。對座椅靠背動態(tài)張角超過25.5°和頭枕干涉頭部空間的情況均扣除2 分，對座椅滑軌動態(tài)位移超過20mm 的情況由扣除4 分更改為5分。此外，測試過程中對碰撞速度的設(shè)定由15.65km/h 提升為20km/h，體現(xiàn)了測試條件越來越嚴(yán)格，對座椅設(shè)計的要求越來高[6]。2018 版鞭打試驗總體評分原則如表1 所示。

表1 2018 版鞭打試驗總體評分原則

2 鞭打試驗?zāi)Ｐ偷慕?/h2>

本文鞭打試驗仿真所用的假人模型是由德國DYNA-More 公司研發(fā)的BioRID II 假人模型，如圖3 所示。該模型是專為LS-DYNA 求解器編寫的，現(xiàn)已被眾多的LS-DYNA用戶所使用，模型試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性已經(jīng)得到廣泛的驗證。BioRID II 假人模型主要用來開發(fā)安全的頭枕和座位，擁有著與真實人體相同的24 節(jié)脊椎結(jié)構(gòu)，包括C1-C7 的7 節(jié)頸椎、T1-T12 的12 節(jié)胸椎和L1-L5 的5 節(jié)腰椎[7]，通過鉸鏈將不同的脊骨連接起來，使脊椎結(jié)構(gòu)只能繞Y 方向轉(zhuǎn)動，試驗假人在座椅上的坐姿更加貼合真實的乘員坐姿，碰撞過程中假人的運動狀態(tài)與真實事故中乘員的運動狀態(tài)一致性很高，從而保證試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。同時在有限元前處理軟件HyperMesh 中將座椅頭枕和靠背劃分六面體網(wǎng)格，設(shè)置座椅頭枕角度和高度等相關(guān)參數(shù)，鞭打仿真用到的座椅模型如圖4 所示。

圖3 BioRID Ⅱ假人模型

圖4 座椅模型

按照2018 版C-NCAP 鞭打試驗要求將BioRID II 假人模型的位置和姿勢進(jìn)行放置，通過 LS-DYNA 軟件中的LS-Prepost 模塊進(jìn)行假人位置和姿勢的調(diào)節(jié)。將假人模型移動至座椅H 點處，由于假人模型放置在座椅上會存在一定的誤差，因此將假人模型移至座椅H 點前方10mm 處，并調(diào)節(jié)假人模型的手臂、膝蓋和腳踝等關(guān)節(jié)處的角度，將假人模型與座椅之間的接觸定義為面與面接觸。對假人模型施加一個沿Z 方向向下的重力場，即定義假人模型受到的重力加速度為9.8m/s2，保證整個假人模型與座椅更好的貼合，鞭打試驗?zāi)Ｐ驼w處于靜平衡的狀態(tài)。

圖5 X 向加速度曲線

圖6 鞭打仿真模型

鞭打試驗中要求將座椅固定在滑車上，滑車需要保證座椅只能前后移動，在仿真模型中將滑車除X 方向以外的五個自由度進(jìn)行全約束，以保證座椅只能在X 方向進(jìn)行前后移動。按照法規(guī)要求在X 方向施加如圖5 所示的加速度。在碰撞試驗結(jié)束后，為防止假人模型由于慣性作用向前傾倒損壞，建立三點式安全帶模型，將安全帶模型與車身的連接設(shè)置為剛性單元連接，建立好的鞭打試驗?zāi)Ｐ腿鐖D6 所示。

3 鞭打試驗仿真結(jié)果與分析

3.1 頸部傷害指數(shù)NIC

頸部傷害指數(shù)NIC 主要評價頭部枕骨鉸鏈相對于胸部T1 的水平加速度和速度的相對值[8]，體現(xiàn)頭部和胸部之間相對運動的劇烈程度。計算公式如下：

頭部與胸部的加速度曲線如圖7 所示，從圖中看出，仿真剛開始時，假人頭部與背部均沒有與座椅發(fā)生碰撞，頭部與胸部的加速度幾乎為零，在40ms 時，假人背部最先與座椅靠背發(fā)生接觸，兩者之間開始產(chǎn)生作用力并逐漸增大，導(dǎo)致胸部加速度開始產(chǎn)生并逐漸增大，此時頭部尚未與頭枕發(fā)生接觸，兩者之間沒有產(chǎn)生作用力，頭部的加速度依然為零。在78ms 時，假人背部與座椅靠背之間的作用力達(dá)到最大，胸部加速度達(dá)到一個峰值。在83ms 時，假人頭部與座椅頭枕開始接觸，頭部與頭枕之間開始產(chǎn)生作用力變形，頭部加速度開始產(chǎn)生并逐漸增大，在123ms 時，假人頭部與座椅頭枕之間的作用力達(dá)到最大，頭部加速度達(dá)到峰值，此時座椅頭枕的變形量也達(dá)到最大。

圖7 頭部、胸部加速度仿真曲線

頸部傷害指數(shù)NIC 的仿真曲線如圖8 所示，從圖中看出，在仿真剛開始時，由于假人頭部與胸部沒有與座椅發(fā)生接觸，進(jìn)而兩者均沒有產(chǎn)生加速度，導(dǎo)致與頭部和胸部加速度差值有關(guān)的NIC 值也保持為零，在40ms 時，胸部加速度開始產(chǎn)生并不斷增大，此時的頭部尚未接觸頭枕，頭部加速度為零，頭部與胸部產(chǎn)生了加速度差值，導(dǎo)致NIC 值開始產(chǎn)生并不斷增大。胸部加速度在78ms 時達(dá)到一個峰值，此時頭部加速度依然為零，頭部與胸部的加速度差值達(dá)到最大，NIC 值達(dá)到最大值18.20m2/s2。

頭部與頭枕在83ms 時發(fā)生接觸，頭部加速度開始產(chǎn)生并不斷增大，此時的胸部加速度處于持續(xù)下降的階段，頭部加速度逐漸超過胸部加速度，NIC 值在97ms 開始反向增大，隨著頭部加速度的不斷增大以及胸部加速度的不斷減小，兩者的加速度差值在104ms 左右又達(dá)到一個峰值，NIC 值反向達(dá)到最大值25.00m2/s2。仿真結(jié)束后，按照線性插值的方法計算出NIC 項得分為1.07 分。

圖8 NIC 仿真曲線

3.2 頸部剪切力Fx

頸部剪切力是評價假人頭部相對于軀干向后的作用力。剪切力越大，表明頸部受到的傷害程度越大，對乘員的危害性越大。其計算公式如下：

從頸部剪切力的定義可以看出，假人頭部與胸部的作用力差值導(dǎo)致頸部剪切力的產(chǎn)生，在仿真曲線上表現(xiàn)為頭部與胸部加速度的差值，假人頭部與胸部的加速度差值在40ms左右產(chǎn)生，上頸部剪切力也在此時開始產(chǎn)生并不斷增大，隨著假人頭部與頭枕接觸并產(chǎn)生作用力，假人背部與座椅靠背之間作用力的減小，頭部與胸部之間的運動差異減小，導(dǎo)致上頸部剪切力減小，仿真曲線如圖9 所示。根據(jù)C-NCAP 中的規(guī)定，仿真結(jié)束后，上頸部剪切力取正值，其最大值達(dá)到了66N，小于高性能限值340N，該項得分為1.50 分。

圖9 上頸部剪切力

圖10 下頸部剪切力

下頸部剪切力仿真曲線如圖10 所示，從圖中看出，當(dāng)加載到40ms 左右的時候，胸部與頭部產(chǎn)生加速度差值，兩者的運動差異導(dǎo)致下頸部剪切力開始反向增大，在63ms 時達(dá)到一個峰值，頭部加速度在83ms 時產(chǎn)生并不斷增大，此時的胸部加速度處于下降階段，下頸部剪切力正向增大，在110ms 時達(dá)到最大值295N。根據(jù)C-NCAP 中的規(guī)定，仿真結(jié)束后，下頸部剪切力取正值，其最大值達(dá)到了295N，小于高性能限值340N，該項得分為1.50 分。

3.3 頸部拉力Fz

頸部拉力是評價頸部的受拉伸情況，其計算公式如下：

上頸部拉力仿真曲線如圖11 所示，從圖中看出，仿真剛開始時，假人頭部與胸部均沒有與座椅發(fā)生接觸，上頸部拉力幾乎為零，在40m 時候，假人背部與座椅靠背接觸并產(chǎn)生作用力，此時的頭部與頭枕尚未接觸便沒有產(chǎn)生作用力，假人頸部拉力在頭部與胸部存在不同作用力的情況下開始產(chǎn)生，隨著頭部與胸部作用力差值的增大而增大，在63ms 左右達(dá)到峰值。在83ms 時，頭部與頭枕接觸并產(chǎn)生作用力，此時胸部作用力不斷減小，導(dǎo)致上頸部拉力沿正向迅速增大，在110ms 左右達(dá)到最大值598N。根據(jù)C-NCAP 中的規(guī)定，仿真結(jié)束后，上頸部拉力取正值，其最大值達(dá)到了598N，處于高性能限值和低性能限值之間，按照線性插值的方法計算得分為1.22 分。

圖11 上頸部拉力

圖12 下頸部拉力

下頸部拉力仿真曲線如圖12 所示，圖中的下頸部拉力在40ms 時開始沿著負(fù)方向增大，主要是因為在40ms 左右的時候胸部與頭部開始產(chǎn)生作用力差值，在63ms 時達(dá)到一個峰值，在83ms 時，頭部與頭枕開始產(chǎn)生作用力并迅速增大，此時胸部作用力逐漸減小，導(dǎo)致下頸部拉力迅速增大，在105ms 左右達(dá)到最大值398N。根據(jù)C-NCAP 中的規(guī)定，下頸部拉力取正值，其最大值達(dá)到了398N，處于高性能限值和低性能限值之間，按照線性插值的方法計算得分為1.32 分。

3.4 頸部扭矩My

頸部扭矩主要是評價伸張和拉伸兩個方向的作用，其計算公式如下：

上頸部扭矩仿真曲線如圖13 所示，從圖中看出，上頸部扭矩在40ms 時開始增大，此時假人背部與座椅靠背發(fā)生接觸，座椅靠背產(chǎn)生的支撐力使假人背部停止向后運動，而假人頭部尚未接觸頭枕，在沒有頭枕的支撐作用下，頭部依然保持向后的運動狀態(tài)，假人背部與頭部運動狀態(tài)的差異導(dǎo)致上頸部產(chǎn)生扭矩，在125ms 時，上頸部扭矩達(dá)到最大值13.7Nm，處于高性能值和低性能值之間，根據(jù)線性插值的方法計算該項得分為1.41 分。

下頸部扭矩仿真曲線如圖14 所示，從圖中看出，下頸部扭矩在40ms 左右開始正向增大，在63ms 左右達(dá)到一個峰值，然后開始減小為零，當(dāng)頭部與頭枕接觸并產(chǎn)生作用力，胸部作用力逐漸減小時，下頸部扭矩沿著負(fù)方向增大，在115ms時，下頸部扭矩達(dá)到最大值8.00Nm，小于高性能限值12Nm，該項得分為1.50 分。

圖13 上頸部扭矩

圖14 下頸部扭矩

最后根據(jù)C-NCAP 鞭打試驗評分原則，頸部載荷和扭矩每項取最低分，該座椅的鞭打試驗總得分為3.61 分，座椅的鞭打得分較低，鞭打性能有很大的優(yōu)化空間。

4 座椅方案改進(jìn)

座椅鞭打試驗總體評分原則中NIC 值所占的比重較高，從仿真結(jié)果的分析中可以看出，NIC 值得分較低，可以優(yōu)化的空間很大，因此要想獲得較高的鞭打性能得分，提高頸部傷害指數(shù)NIC 值是關(guān)鍵[9]。

從NIC 值的理論計算公式可以看出，影響NIC 值的主要因素是頭部與胸部加速度差值。從仿真曲線也可以看出，當(dāng)頭部與胸部加速度產(chǎn)生差值的時候，NIC 值便開始產(chǎn)生，當(dāng)頭部與胸部加速度差值達(dá)到最大的時候，NIC 值也達(dá)到最大值。縮小頭部與頭枕之間的距離，即減小頭后間隙可以讓頭部更早與頭枕接觸，使頭部更早的產(chǎn)生加速度。頸部剪切力是頭部相對于背部向后的作用力，增加頭枕桿的剛度可以增大頭部與頭枕之間的作用力，進(jìn)而增加頭部加速度，從而有效的降低NIC 值和頸部剪切力。頸部扭矩主要反映的是頸部所受的伸張和彎曲作用力，頸部拉力主要反映的是頸部受拉伸的作用力。調(diào)高頭枕位置可以讓頭枕更早的接觸頭部，減小頭部向后彎曲，有效的減小頸部產(chǎn)生的拉力和扭矩。

圖15a 優(yōu)化前結(jié)構(gòu)

圖15b 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)

圖16a 優(yōu)化前骨架

圖16b 優(yōu)化后骨架

根據(jù)上述分析，在控制座椅開發(fā)成本的前提下，對座椅的詳細(xì)改進(jìn)方案如下所述：

①將頭枕桿向前轉(zhuǎn)動6°，使假人頭部后表面與頭枕接觸表面之間的距離由62mm 減小到30mm，同時將假人頭部頂端與頭枕頂端之間的距離由-18mm 提高到-7mm，加快頭部接觸頭枕，保證頭部能夠盡早產(chǎn)生加速度，如圖15 所示。

②在頭枕桿位置上增加支撐板，增大頭枕桿以及頭枕局部發(fā)泡的剛度，提高頭部加速度，如圖16 所示。

5 鞭打優(yōu)化仿真結(jié)果

NIC 值優(yōu)化對比結(jié)果如圖17 所示，優(yōu)化后的NIC 值由18.20m2/s2降到12.10m2/s2，NIC 得分由1.07 分提高到1.63分，分值有明顯的提高。

圖17 NIC 值

上頸部剪切力優(yōu)化對比結(jié)果如圖18 所示，最大值由66N減小到60N，獲得1.50 分。下頸部剪切力優(yōu)化對比結(jié)果如圖19 所示，最大值由295N 減小到150N，獲得1.50 分。

圖18 上頸部剪切力

圖19 下頸部剪切力

上頸部拉力優(yōu)化對比曲線如圖20 所示，最大值由598N減小到360N，得分由1.22 分提高到1.50 分，下頸部拉力優(yōu)化對比曲線如圖21 所示，最大值由398N 減小到220N，得分由1.22 分提高到1.50 分。

圖20 上頸部拉力

圖21 下頸部拉力

上頸部扭矩優(yōu)化對比結(jié)果如圖22 所示，最大值由13.7Nm 減小到9.8Nm，得分由1.41 分提高到1.50 分。下頸部扭矩優(yōu)化對比結(jié)果如圖23 所示，最大值由8Nm 減小到4.2Nm，獲得1.50 分。

圖22 上頸部扭矩

圖23 下頸部扭矩

經(jīng)過優(yōu)化后，座椅頸部各傷害值均有明顯的提升，結(jié)果如表2 所示。鞭打得分得到了很大的提高，達(dá)到了優(yōu)化效果。

表2 鞭打試驗優(yōu)化前后損傷對比

6 結(jié)語

本文針對某乘用車2018 版鞭打試驗得分較低的問題，建立座椅鞭打試驗的仿真分析模型，對鞭打試驗的仿真結(jié)果進(jìn)行分析研究。通過改進(jìn)座椅頭枕結(jié)構(gòu)以及增加支撐板，保證假人頭部盡早接觸座椅頭枕以及增大假人頭部接觸頭枕時的加速度，優(yōu)化后的假人頸部傷害指數(shù)明顯降低，鞭打試驗得分明顯提高，能夠有效的減小車輛碰撞事故中車內(nèi)人員的頸部鞭打損傷。