基于骨架幾何位置調(diào)整的座椅抗鞭打性能優(yōu)化

摘要：為了減小鞭打試驗傷害評估中普遍較高的頸部損傷指標(biāo)（Neck Injury Criterion，NIC）和上頸部伸張彎矩，基于某汽車座椅的LS-DYNA有限元模型和物理試驗結(jié)果，首先對其基本結(jié)構(gòu)和后碰撞下的運(yùn)動響應(yīng)進(jìn)行分析，使用多體動力學(xué)分析軟件（Mathematical DynamicModel， MADYMO）建立座椅鞭打試驗的多體動力學(xué)模型. 然后，通過傷害機(jī)理分析和對座椅主要設(shè)計參數(shù)的靈敏度分析，確定座椅結(jié)構(gòu)中的主要幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，并據(jù)此建立數(shù)值模型. 最后，利用多目標(biāo)優(yōu)化算法，獲得相應(yīng)的座椅抗鞭打性能優(yōu)化方案. 結(jié)果表明，通過調(diào)整座椅骨架橫梁及頭枕位置，提高乘員頭部和下頸部運(yùn)動一致性，使NIC降低58.5%，上頸部伸張彎矩滿足最高性能限值.

關(guān)鍵詞：汽車安全；座椅；鞭打試驗；MADYMO；多目標(biāo)優(yōu)化

中圖分類號：U46 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

追尾碰撞在各類交通事故中所占比例較大，根據(jù)我國道路交通統(tǒng)計和美國交通事故數(shù)據(jù)庫綜合統(tǒng)計，在過去十年間，追尾碰撞占交通事故總比例的25% 以上［1］. 追尾碰撞所引起的長期頸部疼痛會給乘員健康造成持續(xù)傷害，較高的發(fā)生頻率導(dǎo)致不小的社會支出［2］.

各國的新車安全評價協(xié)會（New Car SafetyEvaluation Association， NCAP）基于該事故類型開發(fā)了基于滑臺模擬追尾碰撞中前車座椅的加速度曲線，并使用后碰撞假人的傳感器信號反饋評估頸部傷害，簡稱鞭打試驗［3-8］.我國2021版《C-NCAP管理規(guī)則》也對NIC和上/下頸部載荷的上、下限作了相應(yīng)的規(guī)定.

目前，大部分座椅產(chǎn)品在鞭打試驗中的表現(xiàn)逐漸變好，具體的失分情況也逐漸趨于穩(wěn)定. 對2022年C-NCAP公開的部分車型試驗結(jié)果和某座椅公司2018—2021 年的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)NIC和上頸部伸張彎矩是目前的主要失分項. 因此，在座椅的抗鞭打保護(hù)性設(shè)計中，有必要關(guān)注這兩個傷害值，針對性進(jìn)行優(yōu)化.文獻(xiàn)［9-20］通過有限元仿真和真實試驗等手段，分析了座椅抗鞭打性能的可優(yōu)化參數(shù)及主要優(yōu)化方法，其中主要優(yōu)化方法可以總結(jié)為2種，一種是通過頭枕位置調(diào)整，減小乘員的頭后間隙；另一種是提高頭枕和靠背強(qiáng)度的一致性.

1 鞭打試驗多體運(yùn)動學(xué)模型的建立與驗證

本文以一款新型座椅的LS-DYNA有限元模型以及鞭打試驗數(shù)據(jù)作為研究基礎(chǔ)，座椅的有限元模型如圖1所示，座椅實物模型如圖2所示.其中有限元模型通過材料強(qiáng)度試驗以及精確的三維建模，較好地復(fù)現(xiàn)了實際座椅模型的物理特征.該模型的鞭打試驗性能與座椅實物表現(xiàn)十分接近，可以認(rèn)為該有限元模型具有較高的仿真性，因此，可以作為后續(xù)建模的參考.

MADYMO集成了多體和有限元分析技術(shù)，相比有限元仿真，多體模型仿真在計算效率上有明顯的優(yōu)勢. 本文所建立的MADYMO多體座椅模型主要包括滑軌、坐盆、靠背和頭枕4個部分，分別通過滑軌的平動副、坐盆轉(zhuǎn)動副和頭枕轉(zhuǎn)動副實現(xiàn)連接，并在靠背接觸部分進(jìn)行了一定細(xì)化，根據(jù)座椅靠背接觸特性的差異設(shè)置了不同的接觸表面. 對于多體座椅模型的接觸特性和部件之間的連接剛度特性，本文設(shè)計了總成級的標(biāo)定試驗獲取，基于有限元座椅模型進(jìn)行仿真. 此外，多體座椅模型還包括3個主要轉(zhuǎn)動副結(jié)構(gòu)，其扭轉(zhuǎn)剛度設(shè)計了總成標(biāo)定試驗，以獲取假人與座椅總成之間的接觸力與位移關(guān)系.

所建多體座椅結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示，其中B1～B7均為剛體結(jié)構(gòu)，B1為滑軌部件、B2為坐盆部件、B3為座椅靠背主體、B4為頭枕、B5～B8分別為從上至下的不同座椅靠背分塊部件. J1～J3均為轉(zhuǎn)動副，分別實現(xiàn)坐盆、靠背以及頭枕桿的轉(zhuǎn)動. J4～J7為平動副，實現(xiàn)靠背各位置的壓縮.J8為座椅滑軌平動副.

添加多體假人并給座椅底部輸入試驗獲得的滑臺脈沖加速度曲線，最終建立鞭打試驗多體動力學(xué)模型如圖4所示.運(yùn)行仿真模型，輸出假人的傷害值曲線進(jìn)行驗證.假人NIC、上頸部伸張彎矩My曲線對比結(jié)果分別如圖5和圖6所示，其中峰值和曲線趨勢擬合較好，認(rèn)為該模型具有較高的仿真精度.

2 座椅結(jié)構(gòu)影響因素分析

基于前文統(tǒng)計，本文選擇NIC和My作為低速后碰撞中頸部保護(hù)性能的優(yōu)化指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計. 考慮到目前座椅抗鞭打試驗結(jié)果中，上、下頸部載荷數(shù)值普遍低于限值，以這部分指標(biāo)滿足C-NCAP最高限值作為優(yōu)化設(shè)計中的約束條件.

為探究各變量的影響，需要設(shè)置其變化范圍，設(shè)計參數(shù)定義如表1所示. 利用多目標(biāo)優(yōu)化軟件mode?FRONTIER與MADYMO聯(lián)合仿真，在軟件中通過最優(yōu)拉丁超立方采樣方法建立500個樣本點(diǎn)，建立工作流之后調(diào)用MADYMO得到響應(yīng)值.

座椅設(shè)計變量對NIC的靈敏度排序如圖7所示.由圖7可知，座椅的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)頭枕位置x1與座椅靠背的頸部支撐位置x2是NIC靈敏度的變化中最重要的兩個影響因素. 頸部支撐越靠后，頭枕越靠前，NIC靈敏度越低. 座椅坐墊轉(zhuǎn)軸初期剛度以及頭枕桿剛度等因素影響相對較低.

座椅設(shè)計變量對My 的靈敏度排序如圖8所示.由圖8可知，My的響應(yīng)對座椅幾何結(jié)構(gòu)的參數(shù)相對不夠敏感. 對上頸部的伸張彎矩有較大影響的主要參數(shù)有x10、x3和x5.

綜合2個優(yōu)化目標(biāo)，去掉影響都在0.01以下的設(shè)計變量，進(jìn)行后續(xù)的優(yōu)化方案設(shè)計. 最終確定的設(shè)計變量及其水平范圍如表2所示.

3 響應(yīng)面模型構(gòu)建與多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計

3.1 響應(yīng)面模型構(gòu)建

本文通過徑向基函數(shù)（Radial Basis Function，RBF）方法建立代理模型，在高維非線性模型擬合中依然保證足夠高的精度，并選擇該模型進(jìn)行后續(xù)分析和優(yōu)化. 優(yōu)化過程中將其他傷害值也作為約束條件添加到計算模型中，考慮到上、下頸部的彎矩既要考慮伸張方向，也要考慮彎曲方向，分別輸出正、負(fù)兩端的極值建立對應(yīng)的代理模型.代理模型的擬合系數(shù)如表3所示.

3.2 多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計

一般情況下，多目標(biāo)優(yōu)化問題可以寫成以下數(shù)學(xué)模型：

以上文中確定的設(shè)計變量作為優(yōu)化變量，以NIC和My作為優(yōu)化響應(yīng)，建立數(shù)學(xué)模型來實現(xiàn)多目標(biāo)優(yōu)化，其數(shù)學(xué)模型如下：

優(yōu)化結(jié)束后，獲得Pareto前沿解集示意圖如圖9所示，綜合NIC和My，選取后者在最高限值邊緣，NIC最低的解作為最優(yōu)解，具體變量參數(shù)如表5所示.

4 多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計結(jié)果分析

遺傳算法收斂的優(yōu)化方案中，主要的優(yōu)化參數(shù)是頭枕幾何位置和上背部支撐位置的調(diào)整，前者向前調(diào)整29.9 mm，后者向后調(diào)整17.8 mm. 除了結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)整，還須提高靠背扭轉(zhuǎn)剛度、坐盆初始的轉(zhuǎn)動剛度以及頭枕桿的扭轉(zhuǎn)剛度，且適當(dāng)減小座椅整體的摩擦力. 座椅優(yōu)化結(jié)果如圖10所示，綠色部件為多體座椅模型優(yōu)化的結(jié)構(gòu)，頭枕更靠近乘員頭部，上背部支撐則遠(yuǎn)離乘員.

將代理模型求解出的優(yōu)化方案代入本文搭建的MADYMO多體模型中進(jìn)行計算驗證，可以得到兩類模型的響應(yīng)值對比，如表6所示. 由表6可以看出，代理模型和多體模型優(yōu)化結(jié)果數(shù)值差別較小，說明代理模型具有較高的精度，仿真計算與多體座椅模型吻合程度較好. 優(yōu)化前、后結(jié)果對比如表7所示，按此方案優(yōu)化，預(yù)計最終可以將NIC降到9.7 m2·s-2，傷害值減少58.5%，其他傷害值評價滿分，最終獲得4.85分以上的鞭打試驗總得分.

NIC與假人頭部與胸部加速度密切相關(guān). 優(yōu)化前、后假人頭部與胸椎T1 水平加速度對比分別如圖11與圖12所示.由圖11可知，在調(diào)整了頭枕和上頸部接觸位置后，乘員頭部接觸時間從80 ms左右提前到50 ms. 由圖12可知，假人胸椎T1關(guān)節(jié)水平加速度幅值雖然也在70～110 ms之間大幅提升，但曲線達(dá)到峰值的時刻相對一致. 因此，圖13將最優(yōu)解的頭部和胸椎T1關(guān)節(jié)的加速度進(jìn)行比較，可以看到，在該方案下，頭部與胸椎T1關(guān)節(jié)的加速度曲線一致性有明顯的改善. 雖然T1加速度峰值增加，但提前的頭部加速度明顯降低了二者之間的差值. 通過保持頭部和下頸部的運(yùn)動一致性，實現(xiàn)對乘員頸部的保護(hù).

5 結(jié) 論

從頸部損傷機(jī)理的角度分析，本文優(yōu)化方案通過調(diào)整座椅靠背上交叉橫梁和座椅頭枕的水平位置來降低鞭打試驗中假人頭部和胸椎T1關(guān)節(jié)的水平加速度差異，也就提高了乘員頸部上、下兩端的相對速度和加速度，使得頸部遭受的鞭打傷害減少.

基于該座椅模型，通過向后調(diào)整座椅骨架上橫梁17.8 mm、向前調(diào)整頭枕29.9 mm，優(yōu)化了鞭打過程中乘員上、下頸部運(yùn)動一致性，使NIC減少58.5%，上頸部伸張彎矩在最高限值內(nèi)，其他傷害值參數(shù)也維持在滿分區(qū)間，C-NCAP 鞭打試驗成績提高至4.85分.

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