基于仿真分析的汽車座椅鞭打性能研究和優(yōu)化

陸超

摘 要：針對某款輕型客車的手動八向主駕座椅的座椅鞭打試驗結(jié)果進行改進，通過各個零件的材質(zhì)替換和結(jié)構(gòu)改進，成功提升了傷害考核指標中的評分，文章著重對仿真分析結(jié)果進行分析比較，對不合理的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，取得明顯的改善效果，為整車的被動安全性能提供了足夠的支撐。關(guān)鍵詞：鞭打試驗;汽車座椅;損傷分析中圖分類號：U462.1? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）02-102-04

Abstract： Aiming at the improvement of the seat whip test results of the manual eight way driver seat of a light bus， through the material replacement and structural improvement of various parts， the scores in the injury assessment indexes have been successfully improved. This paper focuses on the analysis and comparison of the simulation analysis results， optimizes the unreasonable structure design， and achieves obvious improvement effect， which is the passive safety performance of the whole vehicle Provide adequate support.Keywords： Whipping test; Car seat; Damage analysisCLC NO.： U462.1 ?Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）02-102-04

前言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，汽車逐漸融入人們的日常生活中，交通追尾事故也時有發(fā)生，被碰撞車輛的車內(nèi)乘員在碰撞加速度與頭部慣性力的共同作用下，頸部會產(chǎn)生一個像被鞭子抽的動作。事故后傷者的頸部會感到不同程度的不適應(yīng)，這種傷害并不致命，但是傷后恢復(fù)的過程非常復(fù)雜、漫長，有些甚至是不可治愈的永久傷害。

為了降低這種受傷的風(fēng)險，在新車開發(fā)過程中就要考慮座椅系統(tǒng)的防揮鞭傷能力。目前美國、歐洲、日韓和我國都先后出臺了相應(yīng)的追尾碰撞的頸部保護的評價規(guī)程，國內(nèi)外對座椅防鞭打性能越來越重視。

本研究依據(jù)EURO-NCAP相關(guān)標準和規(guī)定，就某駕駛員座椅鞭打試驗中的問題進行分析，并建立該駕駛員座椅鞭打仿真分析模型，結(jié)合假人頸部運動響應(yīng)分析，對該座椅結(jié)構(gòu)進行仿真優(yōu)化分析，使其鞭打得分達到目標要求。

1 某座椅鞭打試驗問題分析

1.1 EURO-NCAP鞭打試驗規(guī)程及評價指標

鞭打?qū)嶒炃靶枰瓿勺蔚恼{(diào)整及測量、鞭打假人的標定、試驗假人的安放等準備工作;試驗時將座椅及約束系統(tǒng)仿照原車結(jié)構(gòu)固定在移動滑車上，滑車以固定速度變化量的特定加速度波形（見下圖1）發(fā)射，模擬后碰撞過程。座椅上放置BioRIDII型假人，用以測量后碰撞過程中假人頸部受到傷害的水平。歐洲EURO-NCAP座椅鞭打總分為11分，兩分具體試驗設(shè)置及考核指標見表1。

由于實車和滑臺試驗需要利用樣車，并且機械假人模型會在試驗中受損，不能多次使用，并且需要耗費大量的人力物力去準備、操作，數(shù)據(jù)的捕捉也需要一系列的設(shè)別，并且可能得不到一系列一致性較高的數(shù)據(jù)，研究中采用仿真分析的方法來輔助設(shè)計，和傳統(tǒng)的試驗方式相比，仿真分析具有以下優(yōu)點：

（1）成本低。可以多次進行不同參數(shù)的后碰撞試驗。

（2）分析速度快。某些結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進時，可以及時修改3D數(shù)模導(dǎo)入分析軟件中輸出結(jié)果，大大縮短了開發(fā)周期。

（3）試驗數(shù)據(jù)記錄方便，可以隨時調(diào)取。CAE模擬分析不需要任何工具，試驗數(shù)據(jù)可以完整的保存。

（4）模型標準一致，數(shù)據(jù)的可重復(fù)性好。

2 座椅鞭打仿真分析及優(yōu)化

2.1 模型導(dǎo)入與參數(shù)的設(shè)置

通過CAD軟件建模（CATIA或者UG），先導(dǎo)入hypermesh軟件中建立CAE模型：從MADYMO假人數(shù)據(jù)庫中調(diào)入相應(yīng)的BioRIDII假人，并定義假人與座椅靠背動態(tài)張角。座椅的骨架采用殼單元，靠背與坐墊采用實體單元，整體的座椅模型如下圖2所示。導(dǎo)入的模型圖先進行有限元網(wǎng)格的劃分，在形成了完整有限元模型后采用LS-DYNA求解器進行求解，施加相應(yīng)的碰撞加速度載荷，分析假人在特定后碰撞工況下的乘員響應(yīng)與傷害指標。

2.2 仿真分析優(yōu)化

針對某駕駛員座椅按照EURO-NCAP相關(guān)鞭打試驗規(guī)范進行摸底試驗，靜態(tài)測試中頭后間隙值為35.0mm，頭枕高度為7.66mm，假人軀干角為25°，試驗結(jié)果統(tǒng)計如表2。

動態(tài)試驗最終得分為0.61分，EURO-ncap標準評價的總分為0.91分?？梢钥闯龈邚姸仍囼灥梅州^高，低強度和中強度得分為0，原因是歐標中每個指標存在一個上限值，這個項目超過極限值就為零分，而低、中強度脈沖過程中NIC、Nkm、上頸部拉力值等多項指標都超出了極限值，所以評分為零。高強度試驗過程中顯示，靠背下部明顯發(fā)生變形，降低了假人胸部和頭部的加速度差值，依照這個思路，我們可以通過結(jié)構(gòu)設(shè)計在相應(yīng)的速度下，不同的部件發(fā)生變形來降低加速度差值來提升鞭打性能。

已經(jīng)有研究表明，座椅的各部分參數(shù)與假人頸部傷害并不是簡單的一一對應(yīng)，而是多參數(shù)對應(yīng)多目標的綜合匹配系統(tǒng)。對此，提出了以下的方案加以改進：

（1）將頭后間隙值減小到10mm，避免假人頭部到頭枕的距離過大;靠背彎管材料、厚度加強，由QSTE340，T1.2變更為QSTE420，T1.6，提高了靠背上部的剛度，防止頸部的過度彎曲。

（2）靠背接板減弱，材質(zhì)由SAPH440、T1.2變更為剛度更低的H340LA、T0.8，并且增加減重空、工藝孔，使此處在后碰過程中更容易失效。減弱了靠背剛度，縮短了頭部和頭枕的接觸時間，也可以減小NIC傷害值。

（3）設(shè)計良好的頭枕有一個舒適的間隙，使乘員在發(fā)生后碰時能完整的包裹在座椅內(nèi)，并且頭部和胸部的加速度能有一個良好的匹配。通過對整體模型的觀察發(fā)現(xiàn)，原先的頭枕高度設(shè)計過低，導(dǎo)致頭枕的保護作用不強，因此將頭枕上移20mm，在實際行駛過程中，需要使假人的后腦正對頭枕的骨架支撐處，同時這樣在后碰撞過程中，能夠最大程度的對假人的頭部進行保護，降低頸部的損傷。同時靠背材質(zhì)由QSTE340TM提高為強度更高的QSTE420TM，頭枕套桿上下分別延長20mm，座椅靠背骨架上部強度上升，結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

整體改進后的歐標評分見表3，這樣改進后整體的分數(shù)上升到了2.85分，座椅系統(tǒng)的防鞭打性能得到了極大的改善，低等強度和高等強度下均為3分滿分。針對此結(jié)果，需要主要關(guān)注中等強度下座椅的防鞭打性能。

研究表明在合理的范圍內(nèi)，調(diào)角器特性越軟越有利于保護乘客的頸部。從這個方面入手可以改進調(diào)角器的結(jié)構(gòu)來提高鞭打試驗的評價分數(shù)。

為了保證高速碰撞下的乘員安全，可以采取降低調(diào)角器剛度的方法來提高鞭打性能，設(shè)計初期在調(diào)角器下方連接處開設(shè)長方形吸能槽，并切除附近部分翻邊來降低剛度CAE輸出結(jié)果顯示，在低速和高速碰撞下表現(xiàn)良好，評分達到1.09，在中速下的評分較低，為0.67，總體的評分為2.85。中等強度下頭部回彈速度和靠背脊柱上端加速度超過下限值，為0分，有很大的改進余地。

低強度和高強度脈沖下分數(shù)為3分滿分，中強度下加速度和頭部回彈速度超過限度，為0分，為此，對調(diào)角器的形狀進一步改進來增加中速碰撞下的評分。一共提供了兩種改進的方案。兩種改進方案的形狀如下表4所示：

兩種方案下的低強度、高強度動態(tài)試驗仿真得分均為滿分，中等強度下的評分分別為0.72和0.81?？梢悦黠@看出，圓角矩形孔面積更大，調(diào)角器剛度更小。圓形的吸能槽構(gòu)造在中等強度下，頭部回彈速度明顯降低，達到了4.44ms?-1，T1加速度也有了明顯的下降，到了14.16g，仍然超過最低限度值（13.1g），所以此項依然是0分。其他各項指標性能均有小幅度上升。而圓角矩形結(jié)構(gòu)中T1加速度這一項不再是零分，達到了12.74g，進入了標準的范圍內(nèi)，動態(tài)試驗仿真總體得分為2.99，到達了好的評價。

3 總結(jié)

本研究依據(jù)EURO-ncap相關(guān)規(guī)范，在某款駕駛員座椅的

開發(fā)過程中，結(jié)合后碰撞試驗中乘員頸部損傷響應(yīng)及傷害的各項指標，采用CAE仿真分析的方法分析了鞭打試驗中假人頸部傷害值過大的原因，并據(jù)此進行了大量的座椅的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終實現(xiàn)了該座椅的鞭打性能優(yōu)化改進設(shè)計。給整車被動安全提供了足夠的支撐。

（1）調(diào)角器剛度降低能夠明顯提升中等強度下，汽車座椅的防揮鞭傷性能。

（2）座椅的各部分參數(shù)與假人頸部傷害并不是簡單的一一對應(yīng)，而是多參數(shù)對應(yīng)多目標的綜合匹配系統(tǒng)。各個部分的整體優(yōu)化配合能夠最大限度的提升座椅的防揮鞭傷性能。

參考文獻

[1] 金景旭，宋學(xué)偉，黃炫，等.汽車座椅頭枕和調(diào)角器匹配對揮鞭傷影響研究[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報， 2013（10）：1280-1286.

[2] 黨雪芒，方銳，謝書港，等.某駕駛員座椅鞭打性能分析及優(yōu)化[J].機電工程， 2015， 32（2）：190-195.

[3] 趙建新.汽車座椅開發(fā)中鞭打性能的改善研究[J].現(xiàn)代制造， 2017（21）：109-112.

[4] 黃炫.基于C-NCAP鞭打試驗座椅參數(shù)對頸部損傷的影響[D].吉林大學(xué)， 2012.

[5] 梁劍.汽車追尾碰撞中乘員頸部保護的仿真分析與研究[D].長安大學(xué)，2017.

[6] 李瑞生.某汽車座椅鞭打性能的研究與優(yōu)化[D].吉林大學(xué)，2016.

[7] 王晉，趙秀強，王志濤，等.基于汽車座椅鞭打試驗的仿真模型改進[J].汽車技術(shù)， 2015（9）：19-22.

[8] 韓亮亮，李佳.某車型座椅鞭打性能提升研究[J].大眾汽車， 2014（2）.

[9] 陳春柳，譚園芳，彭中華.某車型座椅鞭打性能研究及改進[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2014（23）：27-29.