基于汽車座椅鞭打試驗(yàn)的仿真模型改進(jìn)

王晉 趙秀強(qiáng) 王志濤 梁宇 喬鑫

（華晨汽車工程研究院）

基于汽車座椅鞭打試驗(yàn)的仿真模型改進(jìn)

王晉 趙秀強(qiáng) 王志濤 梁宇 喬鑫

（華晨汽車工程研究院）

某項(xiàng)目初始狀態(tài)下的汽車座椅鞭打仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相比存在較大誤差，主要體現(xiàn)在NIC（頸部傷害指數(shù)）和上頸部扭矩這2項(xiàng)指標(biāo)上。通過對假人頸部傷害機(jī)理和鞭打試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)假人的坐姿、座椅的試驗(yàn)狀態(tài)（座墊高度調(diào)節(jié)裝置）和座椅發(fā)泡蒙皮的光滑程度對鞭打仿真試驗(yàn)結(jié)果影響較大。針對上述因素對座椅鞭打仿真模型進(jìn)行了調(diào)整，模型調(diào)整后的仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致性較好。

1 前言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，汽車追尾事故占交通事故的30%左右，追尾事故所造成的人員傷亡占總損傷的60%[1]。汽車發(fā)生追尾時(shí)，前車會受到向前的加速度，座椅推動乘員的軀干向前運(yùn)動，而頭部因慣性作用相對滯后，乘員頭部向后轉(zhuǎn)動從而造成頸部受傷，這類傷害稱之為“揮鞭傷”。為了降低這種受傷風(fēng)險(xiǎn)，2012年7月我國將鞭打試驗(yàn)正式引入C-NCAP評價(jià)體系來考核低速后碰撞頸部保護(hù)能力[2]。

目前，各主機(jī)廠將頸部保護(hù)引入到座椅開發(fā)中。隨著CAE技術(shù)的發(fā)展，在座椅開發(fā)初期，廠商會按照鞭打試驗(yàn)要求對假人的頸部傷害進(jìn)行數(shù)次的仿真分析。然而因仿真分析時(shí)還未進(jìn)行鞭打試驗(yàn)，座椅實(shí)際狀態(tài)還未確定，所以這種分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果存在一定誤差。為此，本文通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，找到了導(dǎo)致該誤差的原因，并對鞭打仿真模型進(jìn)行了改進(jìn)，提高了鞭打仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的吻合度。

2 鞭打試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 鞭打試驗(yàn)

鞭打試驗(yàn)的具體方法為，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，滑車以速度變化量為15.65 km/h的特定加速度波形發(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頸部受到傷害的水平[3]。

鞭打試驗(yàn)根據(jù)測得的BioRIDII型假人頸部傷害值進(jìn)行評分。在2015版C-NCAP中，鞭打試驗(yàn)總分為4分，其中NIC的評分為2分，占總得分權(quán)重的50%，上頸部載荷和下頸部載荷的評分各占1分。

2.2 鞭打仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差分析

某次，鞭打試驗(yàn)得分為3.78分，而鞭打仿真得分僅為2.26分，得分誤差主要體現(xiàn)在NIC和上頸部扭矩這2項(xiàng)指標(biāo)。其中，鞭打試驗(yàn)的NIC最大值為10.44，鞭打仿真的NIC最大值為16.30，折算得分相差0.543分；鞭打試驗(yàn)上頸部扭矩最大值為11.8 N·m，鞭打仿真的上頸部扭矩最大值為38.5 N·m，折算得分相差0.946分。

NIC可以定義為枕骨鉸鏈相對于T1（第1根胸椎）的水平加速度和速度的絕對值：

枕骨鉸鏈相對于T1的水平速度為對其相對加速度的積分，因此，NIC主要考察T1與頭部的相對加速度，即T1與頭部的相對運(yùn)動趨勢。如果頭部與T1相對運(yùn)動越同步，NIC值就越低。在座椅頭枕剛度和靠背剛度確定的情況下，頭后間隙大小會影響T1與頭部的運(yùn)動同步情況。

由于仿真假人與試驗(yàn)假人坐姿及位置存在誤差（仿真假人的H點(diǎn)和骨盆角按照理論位置擺放），導(dǎo)致仿真假人頭后間隙比試驗(yàn)測量值大，同時(shí)，座椅靠背模型剛度比試驗(yàn)座椅大，這使得仿真假人的T1與頭部運(yùn)動同步性比試驗(yàn)差（頭接觸頭枕時(shí)刻比試驗(yàn)晚），最終導(dǎo)致鞭打仿真的NIC值比鞭打試驗(yàn)的NIC值大。

本次鞭打試驗(yàn)所用的座椅帶有座墊高度調(diào)節(jié)功能，整個(gè)座墊的調(diào)高結(jié)構(gòu)可以看作是“四桿機(jī)構(gòu)”。圖1為座墊高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)示意圖。試驗(yàn)中座椅座墊高度由于四連桿轉(zhuǎn)動產(chǎn)生下沉現(xiàn)象，因座墊下沉發(fā)生在頭部與頭枕接觸之后，對頭部和軀干的運(yùn)動起到了緩沖作用，所以會降低上頸部扭矩。然而在搭建仿真模型時(shí)，由于沒有座椅座墊角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的剛度參數(shù)，故臨時(shí)將四連桿鉸鏈的自由度全部約束。這種處理方式產(chǎn)生的結(jié)果是：假人接觸座椅后，座椅靠背將假人軀干約束住，而假人頭部會因?yàn)轭^枕的變形仍有一個(gè)向后移動的趨勢，使得假人頸部產(chǎn)生一個(gè)扭曲，最終導(dǎo)致上頸部扭矩增加。

圖2為鞭打仿真與鞭打試驗(yàn)進(jìn)行至108 ms時(shí)假人頸部扭曲情況對比，由圖2可看出，鞭打仿真時(shí)假人頭部完全被頭枕約束，頸部有明顯的扭曲；盡管鞭打試驗(yàn)假人頭頂明顯高于頭枕上頂面，但頭枕仍對頭部起到支撐作用，故鞭打試驗(yàn)假人頸部無明顯扭曲。

3 鞭打仿真模型的調(diào)整

通過對鞭打試驗(yàn)結(jié)果分析可知，假人頭后間隙（假人的坐姿）和座椅實(shí)際狀態(tài)（座椅的動態(tài)變化）對假人的頸部傷害影響較大，為此對鞭打仿真模型進(jìn)行了調(diào)整。

3.1 按照試驗(yàn)位置調(diào)整假人坐姿

在調(diào)整假人坐姿前，先確認(rèn)座椅位置狀態(tài)與鞭打試驗(yàn)位置狀態(tài)是否一致，包括座椅頭枕高度、座椅滑軌前后位置、座椅座墊高度和頭枕?xiàng)U角度等，其中座椅滑軌前后位置和頭枕?xiàng)U角度可決定假人的頭后間隙。座椅位置狀態(tài)確定后，再對假人位置按照試驗(yàn)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，主要包括H點(diǎn)位置和骨盆角，這2個(gè)參數(shù)可確定假人的頭后間隙和頭枕高度。調(diào)整后的假人位置如圖3所示。假人坐姿按照試驗(yàn)狀態(tài)調(diào)整后的仿真計(jì)算結(jié)果如表1所列。

由表1可知，假人坐姿調(diào)整后，鞭打仿真的NIC值由16.3降為11.8，上頸部扭矩由38.5 N·m降到32.6 N·m，鞭打得分已由2.26分提高到2.92分，增加了0.66分。其中NIC單項(xiàng)得分由1.25分提高到1.66分，增加了0.41分；上頸部扭矩單項(xiàng)得分由0.054分提高到0.26分，增加了0.206分。所以，通過對假人頭后間隙的調(diào)整，假人的NIC值和上頸部扭矩都得到了提高。但NIC得分提高明顯，上頸部扭矩得分提高較低，這說明假人頭后間隙大小對NIC值有直接影響，而對上頸部扭矩影響有限。

3.2 調(diào)整座椅的實(shí)際狀態(tài)

由于座椅座墊帶有調(diào)高機(jī)構(gòu)，初始仿真時(shí)座墊調(diào)高機(jī)構(gòu)（四連桿）鉸鏈臨時(shí)設(shè)置為鎖死狀態(tài)，而試驗(yàn)過程中，座墊調(diào)高機(jī)構(gòu)鉸鏈的轉(zhuǎn)動導(dǎo)致座墊下沉，故將座椅模型的調(diào)高機(jī)構(gòu)鉸鏈自由度放開。因暫不清楚鉸鏈剛度，故放開所有自由度，此次調(diào)整主要考察鉸鏈放開對上頸部扭矩的影響。座椅調(diào)高機(jī)構(gòu)鉸鏈自由度如圖4所示，表2為座椅狀態(tài)調(diào)整后鞭打仿真得分情況。

表2 鞭打仿真計(jì)算結(jié)果（考慮假人坐姿和座椅狀態(tài)）

由表2可知，座墊調(diào)高機(jī)構(gòu)鉸鏈自由度放開后，鞭打得分由2.92分增加到3.43分。其中上頸部扭矩改善很多，由32.6 N·m降低到21.2 N·m，單項(xiàng)得分由0.26分增加到0.67分；NIC得分也略有增加，由1.66分增加到1.76分。故座椅座墊鉸鏈自由度放開后，對上頸部扭矩影響很大。

盡管上頸部扭矩已得到明顯改善，但距試驗(yàn)值（11.8 N·m）仍有很大差距。從仿真動畫中可知，假人模型頸部在100～130 ms內(nèi)仍有扭曲現(xiàn)象，而試驗(yàn)假人在該時(shí)間段內(nèi)頸部基本無扭曲，這從側(cè)面驗(yàn)證了試驗(yàn)假人上頸部扭矩比仿真值小。另外，從試驗(yàn)錄像可看出，試驗(yàn)假人在整個(gè)試驗(yàn)過程中明顯有一個(gè)向上滑行的趨勢，而仿真動畫中假人向上滑行的趨勢不明顯。圖5為鞭打仿真與鞭打試驗(yàn)時(shí)假人頭部相對位置對比（假人頭部即將離開座椅頭枕瞬間），由圖5可看出，試驗(yàn)假人頭部比頭枕頂部高出很多。

從上述現(xiàn)象可初步判斷假人與座椅之間的摩擦因數(shù)直接影響假人的滑移量，這說明仿真模型中假人與座椅的摩擦因數(shù)比試驗(yàn)時(shí)摩擦因數(shù)大。

3.3 調(diào)整假人與座椅間的摩擦因數(shù)

座椅與假人的摩擦因數(shù)主要由座椅發(fā)泡蒙皮材質(zhì)特性決定，因在沒有座椅樣件的情況下很難確認(rèn)摩擦因數(shù)，所以仿真時(shí)只能參考以前對標(biāo)模型的參數(shù)。在前述的仿真模型基礎(chǔ)上，將假人與座椅的摩擦因數(shù)減小，再次進(jìn)行仿真計(jì)算。圖6和圖7為降低摩擦因數(shù)后假人運(yùn)動姿態(tài)對比結(jié)果，可看出，仿真假人的運(yùn)動姿態(tài)與試驗(yàn)假人的運(yùn)動姿態(tài)基本一致。圖8為降低摩擦因數(shù)后假人頭部高度對比，由圖8可看出，盡管仿真假人頭部高度略低于試驗(yàn)假人，但它已與試驗(yàn)假人頭部高度基本接近。圖9為降低摩擦因數(shù)后NIC和上頸部扭矩對比結(jié)果，由圖9可看出，仿真曲線趨勢與試驗(yàn)曲線趨勢基本一致。

由上述分析可知，通過降低座椅與假人的摩擦因數(shù)，上頸部扭矩峰值由21.2 N·m降到10.2 N·m，與試驗(yàn)峰值11.8基本接近，NIC由10.6降到10.44。這說明假人與座椅的摩擦對上頸部扭矩影響較大，而對NIC影響有限。

4 結(jié)束語

針對某座椅鞭打仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果差異較大的問題，對該座椅鞭打試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明，假人與座椅的相對位置、座椅的狀態(tài)及假人與座椅之間的摩擦因數(shù)對鞭打仿真結(jié)果影響較大。根據(jù)上述因素對座椅鞭打仿真模型進(jìn)行了調(diào)整，模型調(diào)整后的仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致性較好，為進(jìn)一步提高鞭打仿真模型的精確度提供了較好的依據(jù)。

1 周煒，張?zhí)靷b，崔海濤，等.汽車追尾事故乘員的安全性研究.2007中國汽車安全技術(shù)國際研討會，長春，2007.

2 韓亮亮，李佳.某車型座椅鞭打性能提升研究.大眾汽車，2014（2）：19～20.

3 C-NCAP管理中心.C-NCAP管理規(guī)則（2012版）.天津：中國汽車技術(shù)研究中心，2012.

（責(zé)任編輯文 楫）

修改稿收到日期為2015年7月7日。

Improvement of Simulation Model Based on the Vehicle Seat Whiplash Test

Wang,Jin,Zhao Xiuqiang,Wang Zhitao,Liang Yu,Qiao Xin
（Brilliance Automotive Engineering Research Institute）

There is considerable difference between the initial status of seat whiplash simulation result and the test result,which mainly focus on two index:NIC(Neck Injury Criterion)and upper neck torque.It is be found by analysis on the dummy neck injury mechanism and whiplash test data that the sitting posture of dummy,the test status of seat(seat cushion height adjusting device)and the smooth degree of seat upholstery have great influence on whiplash simulation result.The whiplash simulation model is adjusted according to the above factors,and the simulation results of the adjusted model agree well with test results.

Vehicle seat，Whiplash test，NIC，Upper neck torque，Simulation model

汽車座椅 鞭打試驗(yàn) NIC 上頸部扭矩 仿真模型

U467.1+4

A

1000-3703（2015）09-0019-04