某車型駕駛員座椅鞭打試驗(yàn)性能研究及改進(jìn)

李海 趙座航 聶仁態(tài) 李雪晴

上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州市 545007

1 引言

在追尾事故中，被碰撞車輛的駕駛員、乘員在碰撞加速度與頭部慣性力的共同作用下，頸部會(huì)產(chǎn)生一個(gè)像鞭子猛抽的動(dòng)作稱為鞭打傷害，追尾事故會(huì)給乘員頸部的骨骼或軟組織造成嚴(yán)重的損傷。通過優(yōu)化座椅設(shè)計(jì)減輕鞭打效應(yīng)對(duì)人體的傷害成為各大汽車廠重點(diǎn)研究的內(nèi)容。

本文根據(jù)C-NCAP 鞭打試驗(yàn)要求，對(duì)某款乘用車的駕駛員座椅運(yùn)用有限元方法建立鞭打模型，針對(duì)鞭打試驗(yàn)分?jǐn)?shù)較低，采用有限元進(jìn)行仿真分析，提出增加靠背剛性、增加頭枕骨架強(qiáng)度以及增加假人靠背穿透量等座椅改進(jìn)方案，并對(duì)改進(jìn)后的座椅再次進(jìn)行仿真分析及實(shí)物試驗(yàn)驗(yàn)證，得到了有利于減小鞭打傷害的方法。

2 鞭打試驗(yàn)評(píng)估方法

《C-NCAP 管理規(guī)則（2021年版）》已經(jīng)實(shí)施，C-NCAP 鞭打試驗(yàn)評(píng)價(jià)通過7 項(xiàng)傷害指標(biāo)分組加和并扣除3 項(xiàng)罰分項(xiàng)形成總體得分，駕駛員座椅的總體得分的最高分是5 分，最低分是0 分且所有的得分均保留到小數(shù)點(diǎn)后三位。7 項(xiàng)傷害指標(biāo)分別設(shè)置低性能限值和高性能限值，分別得分為0 和滿分，處于高、低性能限值之間的測(cè)試值按線性插值方法計(jì)算得分。7 項(xiàng)傷害指標(biāo)分為三組，第一組為滿分為2 分的頸部傷害指數(shù)NIC；第二組為滿分為1.5 分的上頸部剪切力F、上頸部拉力F和上頸部扭矩M；第三組為滿分為1.5 分的下頸部剪切力F、下頸部拉力F和下頸部扭矩M，其中第二組和第三組選取每組最低分為該組得分。3 項(xiàng)罰分項(xiàng)分別是座椅靠背最大動(dòng)態(tài)張角大于等于25.5°時(shí)扣2 分；頭枕干涉頭部時(shí)扣2 分；座椅滑軌動(dòng)態(tài)位移大于20mm 時(shí)扣5 分。2021 版鞭打試驗(yàn)總體評(píng)價(jià)指標(biāo)及評(píng)分原則如表1 所示。

表1 2021版鞭打試驗(yàn)總體評(píng)價(jià)指標(biāo)及評(píng)分原則

3 鞭打試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?/h2>

在有限元前處理軟件HyperMesh 中將座椅中不同組件劃分成不同的網(wǎng)格單元，設(shè)置座椅靠背傾角和頭枕高度等相關(guān)參數(shù)，再按照2021 版C-NCAP 鞭打試驗(yàn)要求將BioRID Ⅱ假人模型移動(dòng)試驗(yàn)位置，并通過LS-DYNA 軟件中的LS-Prepost 模塊調(diào)整假人位置和姿勢(shì)，定義假人和座椅的接觸關(guān)系并定義假人模型受到的重力加速度，再將座椅固定在試驗(yàn)臺(tái)車上，形成如圖1 所示的鞭打仿真模型；再對(duì)試驗(yàn)臺(tái)車施加非移動(dòng)方向的約束以及施加如圖2 所示的X 方向的加速度。

圖1 鞭打仿真模型

圖2 試驗(yàn)臺(tái)車加速度

4 鞭打試驗(yàn)仿真結(jié)果與分析

從試驗(yàn)結(jié)果看出，鞭打試驗(yàn)總分較低的主要原因是頸部傷害指數(shù)NIC 得分較低，該項(xiàng)得分0.941 分僅占滿分的47%。頸部傷害指數(shù)NIC 主要評(píng)價(jià)頭部枕骨鏈相對(duì)于胸部T1 的水平加速度和速度的相對(duì)值，體現(xiàn)頭部和胸部之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的劇烈程度，計(jì)算公式如下：

式中，相對(duì)加速度

相對(duì)速度

頭部加速度曲線、胸部T1 加速度曲線與NIC 值的仿真曲線如圖3 所示，仿真開始時(shí)，假人頭部與背部均沒有與座椅發(fā)生碰撞，頭部加速度曲線、胸部T1 加速度曲線與NIC值均為0；在37ms時(shí)，假人背部接觸座椅靠背，座椅靠背給假人背部一個(gè)向前作用力并有一個(gè)上提的趨勢(shì)，這導(dǎo)致頸椎下部伸展而上部彎曲，頸部載荷產(chǎn)生，座椅靠背與假人背部之間產(chǎn)生作用力并逐漸增大，即T1 加速度逐漸增大，此時(shí)假人頭部由于慣性保持在初始位置，假人頭部尚未與座椅頭枕發(fā)生接觸，頭部加速度為0，胸部與頭部產(chǎn)生了加速度差值，NIC 值開始產(chǎn)生并隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化；在64ms 時(shí)，由于頸部剪切力的作用，假人頭部開始向后轉(zhuǎn)動(dòng)并與座椅頭枕發(fā)生接觸，頭枕緩沖了頭部的后仰運(yùn)動(dòng)，頭枕與頭部相互作用使得假人頭部加速度開始產(chǎn)生并逐漸增大；在73ms 時(shí)，頭部加速度驟然下降，導(dǎo)致假人胸部與頭部的加速度差值即NIC 迅速增加，在82ms 時(shí)NIC 達(dá)到最大為19.65 m/s，按照線性插值法計(jì)算出NIC 得分為0.941 分。

圖3 頭部加速度曲線、胸部T1加速度曲線與NIC值的仿真曲線

如圖4 所示，進(jìn)一步分析碰撞過程中座椅骨架的受力情況可知，73 ms 時(shí)頭部加速度驟然下降的原因?yàn)椋嚎勘痴{(diào)角器連接板下端剛性不足，靠背調(diào)角器連接板下端變形偏大，骨架發(fā)生屈服，致使座椅靠背帶動(dòng)頭枕向后傾倒，造成頭枕對(duì)假人頭部的支撐變?nèi)酢?/p>

圖4 座椅骨架的受力情況

5 座椅方案改進(jìn)

通過公式的理論分析初步判斷減小NIC值即減小胸部與頭部加速度的差值的思路為：在現(xiàn)有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上改善座椅靠背，增加靠背骨架剛性、增加假人穿透量，改善頭枕外形、頭枕前后位置、頭枕內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)，增加頭枕對(duì)假人頭部支撐，同時(shí)還要適當(dāng)減小胸部加速度并適當(dāng)增大頭部加速度、縮短頭部加速度與胸部加速度峰值時(shí)間差。具體改進(jìn)方案如下所述：

（1）更改靠背調(diào)角器連接板結(jié)構(gòu)，減小碰撞過程中靠背調(diào)角器連接板變形量，進(jìn)而增強(qiáng)靠背調(diào)角器連接板剛度，能夠改善座椅靠背后傾的問題，使靠背能更好支撐人體，如圖5a 和圖5b 所示。同時(shí)應(yīng)注意控制調(diào)角器與靠背連接板之間焊點(diǎn)的數(shù)量與質(zhì)量。

圖5

（2）增加頭枕高度，將現(xiàn)有的低于假人頭部的頭枕頂端調(diào)整至與假人頭部頂端平齊，提高頭枕對(duì)頭部的支撐，提前阻止了頭部的后仰運(yùn)動(dòng)從而減小上下頸部載荷，如圖6a 和圖6b 所示。

圖6

（3）頭枕內(nèi)部增加塑料件，增大頭枕對(duì)假人頭部的支撐，進(jìn)而適當(dāng)增加頭枕對(duì)假人頭部支撐，加大假人頭部加速度，如圖7a 和圖7b 所示。

圖7

（4）背上部鋼絲后移，同時(shí)降低靠背發(fā)泡硬度，增加假人背部穿透量，使假人頭部更早地與頭枕接觸，減小胸部加速度，從而減小假人頸部傷害指數(shù)及頸部曲張量，如圖8a 和圖8b 所示。

圖8

6 鞭打優(yōu)化仿真結(jié)果

經(jīng)過改進(jìn)后，如圖9 和圖10 所示，靠背調(diào)角器連接板下端變形減小，最大應(yīng)變降低至0.067，靠背骨架幾乎不變形。

圖9 改進(jìn)后座椅骨架的受力情況

圖10 改進(jìn)后座椅頭枕的受力情況

經(jīng)過改進(jìn)后，頸部傷害指數(shù)NIC 明顯下降，NIC 得分為1.62 分，占滿分的81%，相較改進(jìn)前提升了34%，鞭打試驗(yàn)總體得分得以提高，對(duì)比結(jié)果如表2 所示。

表2 鞭打試驗(yàn)改進(jìn)前后損傷對(duì)比

7 試驗(yàn)驗(yàn)證

如圖11 所示，根據(jù)仿真試驗(yàn)結(jié)果，重新組織實(shí)物進(jìn)行試驗(yàn)，以驗(yàn)證試驗(yàn)仿真分析結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果差異，為改進(jìn)當(dāng)前產(chǎn)品及后續(xù)項(xiàng)目提供鞭打設(shè)計(jì)依據(jù)。

經(jīng)過改進(jìn)后試驗(yàn)驗(yàn)證，表3 所示，NIC 的最大值為11.49 m/s，頸部傷害指數(shù)NIC 明顯下降，按照線性插值法計(jì)算出NIC 得分為1.683 分，鞭打試驗(yàn)得分提升至4.683 分。

表3 改進(jìn)后實(shí)物試驗(yàn)的鞭打得分

8 結(jié)語

本文針對(duì)某車型駕駛員座椅2021 版鞭打試驗(yàn)得分較低的問題，建立座椅鞭打試驗(yàn)的仿真模型，對(duì)模擬碰撞過程中的受力情況和仿真結(jié)果進(jìn)行分析研究，通過更改靠背調(diào)角器連接板結(jié)構(gòu)、調(diào)整頭枕高度、增加頭枕內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)、調(diào)整靠背支撐鋼絲位置的方法改善頸部傷害指數(shù)，改善后鞭打試驗(yàn)得分明顯提高，能夠有效地減小車輛追尾事故中駕駛員的頸部鞭打損傷，為改進(jìn)當(dāng)前產(chǎn)品及后續(xù)項(xiàng)目提供鞭打設(shè)計(jì)依據(jù)。