基于仿真的鞭打試驗(yàn)影響因素分析

陳長(zhǎng)亮，董玉德，陳 超，李龍慶

（1.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，合肥 230009； 2.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津 300300；3.蕪湖瑞泰汽車零部件有限公司，蕪湖 241000）

前言

汽車事故中追尾事故約占全部事故的30%［1-4］，是一種常見(jiàn)的交通事故［5］。人體頸部屬于相對(duì)脆弱的部位［6］，在追尾事故中頸部傷害［7］較為常見(jiàn)，在汽車追尾事故中，人體頸部受到傷害的風(fēng)險(xiǎn)占70%以上［8-9］。頸部傷害又稱揮鞭傷，是交通事故中最為嚴(yán)重的次要性傷害，雖不致死，但其潛伏期及治療期長(zhǎng)、并發(fā)癥多，嚴(yán)重影響患者的日常生活［10］，為降低這種受傷的風(fēng)險(xiǎn)，C-NCAP（China-new car assessment program）在2012年版管理規(guī)則中正式引入了鞭打試驗(yàn)［11-14］，并從2012年7月開始正式實(shí)施，以鞭打試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)汽車座椅對(duì)頭部和頸部的保護(hù)性能。

在座椅設(shè)計(jì)階段即可考慮汽車座椅揮鞭傷性能，但影響座椅揮鞭傷性能的因素很多，須有針對(duì)性地提取出對(duì)揮鞭傷影響較為明顯的幾個(gè)因素進(jìn)行分析。但多因素分析需要開展多輪次試驗(yàn)，不僅試驗(yàn)（包括耗材）費(fèi)用非常昂貴，試驗(yàn)周期也長(zhǎng)，因此，須通過(guò)仿真分析來(lái)解決問(wèn)題。首要任務(wù)是驗(yàn)證基礎(chǔ)仿真模型的準(zhǔn)確性，在確?；A(chǔ)模型計(jì)算可行的前提下，采用仿真對(duì)這些主要影響因素進(jìn)行分析，找出這些因素對(duì)汽車座椅揮鞭傷的影響規(guī)律，以便在座椅開發(fā)過(guò)程中對(duì)這些因素進(jìn)行考慮。

1 揮鞭傷CAE分析與試驗(yàn)對(duì)比

運(yùn)用有限元前處理軟件建立的鞭打分析模型如圖1所示。

按照鞭打試驗(yàn)規(guī)程要求進(jìn)行鞭打試驗(yàn)。仿真模型與實(shí)際試驗(yàn)的假人姿態(tài)盡可能保持一致，如圖2所示。

圖1 有限元模型

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

經(jīng)多次修正基礎(chǔ)模型后，計(jì)算獲得的頸部傷害指數(shù)（NIC）與實(shí)際物理試驗(yàn)的測(cè)量曲線基本一致，如圖3所示。

圖3 NIC對(duì)比

上頸部正向剪切力FUx、上頸部正向拉力FUz、上頸部扭矩MUy、下頸部正向剪切力FLx、下頸部正向拉力FLz和下頸部扭矩MLy的CAE分析與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分別如圖4～圖9所示。

圖4 上頸部F U x對(duì)比

圖5 上頸部F U z對(duì)比

圖6 上頸部扭矩M U y對(duì)比

圖7 下頸部正向剪切力F L x對(duì)比

圖8 下頸部正向拉力F L z對(duì)比

圖9 下頸部扭矩M L y對(duì)比

假人頭部與頭枕接觸歷程的CAE分析與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如圖10所示。

表1為各損傷指標(biāo)CAE與試驗(yàn)結(jié)果絕對(duì)值峰值的的對(duì)比。

圖10 假人頭部與頭枕接觸歷程

表1 CAE與試驗(yàn)結(jié)果絕對(duì)峰值的對(duì)比

由于試驗(yàn)座椅及假人模型無(wú)法在CAE中精準(zhǔn)模擬，會(huì)造成仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果存在差異。但從CAE和試驗(yàn)對(duì)比來(lái)看，趨勢(shì)基本一致，故可認(rèn)為采用CAE手段來(lái)研究關(guān)鍵因素的影響是可行的。

2 座椅各因素對(duì)頸部傷害的影響分析

2.1 座椅靠背剛度及其轉(zhuǎn)動(dòng)剛度對(duì)頸部傷害的影響

把骨架鋼絲、靠背發(fā)泡和包覆面套的整體抗變形能力稱為靠背剛度，用Ka表示。把靠背骨架和調(diào)角器抗轉(zhuǎn)動(dòng)變形（轉(zhuǎn)動(dòng)圓心為調(diào)角器中心）的能力稱為靠背轉(zhuǎn)動(dòng)剛度，用Kb表示。把靠背剛度劃分為4個(gè)等級(jí)，分別為1，2，3，4，代表靠背剛度在工程實(shí)際范圍內(nèi)按照一定規(guī)律依次升高；將靠背轉(zhuǎn)動(dòng)剛度劃分為4個(gè)等級(jí)，分別為10，15，20，25，代表靠背轉(zhuǎn)動(dòng)剛度在工程實(shí)際范圍內(nèi)按照一定規(guī)律依次升高。兩組等級(jí)組合成16個(gè)方案，通過(guò)計(jì)算16個(gè)方案的仿真結(jié)果，研究靠背對(duì)頸部損傷的影響，結(jié)果見(jiàn)表2。

由表可見(jiàn)，僅有NIC和上頸部扭矩MUy失分（評(píng)分規(guī)則參見(jiàn)《C-NCAP管理規(guī)則（2015版）》），其余指標(biāo)均不失分，因此僅對(duì)NIC和MUy兩項(xiàng)結(jié)果進(jìn)行研究。把靠背剛度和靠背轉(zhuǎn)動(dòng)剛度對(duì)NIC的影響制作成三維曲面，如圖11所示。由圖可見(jiàn)，靠背剛度越小和靠背轉(zhuǎn)動(dòng)剛度越大，則NIC值越小，其中靠背剛度對(duì)NIC數(shù)值影響較為明顯。

表2 不同靠背剛度和靠背轉(zhuǎn)動(dòng)剛度仿真結(jié)果

圖11 靠背剛度和靠背轉(zhuǎn)動(dòng)剛度對(duì)NIC的影響

把靠背剛度和靠背轉(zhuǎn)動(dòng)剛度對(duì)MUy的影響制作成三維曲面，如圖12所示。由圖可見(jiàn)，靠背剛度越小，MUy值就越小，靠背轉(zhuǎn)動(dòng)剛度對(duì)MUy影響較小。

2.2 座椅頭枕剛度及其轉(zhuǎn)動(dòng)剛度對(duì)頸部傷害的影響

圖12 靠背剛度和靠背轉(zhuǎn)動(dòng)剛度對(duì)M U y的影響

把頭枕相對(duì)靠背抗轉(zhuǎn)動(dòng)變形的能力稱為頭枕轉(zhuǎn)動(dòng)剛度，用Kc表示。將頭枕轉(zhuǎn)動(dòng)剛度劃分為4個(gè)等級(jí)，分別為1，2，4，8，代表頭枕轉(zhuǎn)動(dòng)剛度在工程實(shí)際范圍內(nèi)按照一定規(guī)律依次升高；同時(shí)考察頭枕軟硬程度對(duì)頭部運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的影響，把這種頭枕抗變形能力稱為頭枕剛度，用Kd來(lái)表示，將頭枕剛度劃分為4個(gè)等級(jí)，分別為10，20，40，80，代表頭枕剛度在工程實(shí)際范圍內(nèi)按照一定規(guī)律依次升高。兩組等級(jí)組合成16個(gè)方案，通過(guò)16個(gè)方案的仿真，研究頭枕剛度和頭枕轉(zhuǎn)動(dòng)剛度對(duì)頸部損傷的影響，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同頭枕剛度和頭枕轉(zhuǎn)動(dòng)剛度仿真結(jié)果

由表可見(jiàn)，僅有NIC、上頸部正向剪切力FUz＋和上頸部扭矩MUy失分（評(píng)分規(guī)則參見(jiàn)《C-NCAP管理規(guī)則（2015版）》），其余指標(biāo)均不失分，因此僅對(duì)NIC，F(xiàn)Uz＋和MUy3項(xiàng)結(jié)果進(jìn)行研究。

把頭枕剛度和頭枕轉(zhuǎn)動(dòng)剛度對(duì)NIC的影響制作成三維曲面，如圖13所示。由圖可見(jiàn)，頭枕轉(zhuǎn)動(dòng)剛度越大，則NIC值越小，而頭枕剛度對(duì)NIC數(shù)值影響較小。

圖13 頭枕剛度和頭枕轉(zhuǎn)動(dòng)剛度對(duì)NIC的影響

把頭枕剛度和頭枕轉(zhuǎn)動(dòng)剛度對(duì)FUz＋的影響制作成三維曲面，如圖14所示。由圖可見(jiàn)，頭枕剛度和頭枕轉(zhuǎn)動(dòng)剛度越大，則FUz＋值越小，其中頭枕轉(zhuǎn)動(dòng)剛度對(duì)FUz＋影響更明顯（在兩個(gè)因素按照設(shè)定的遞增規(guī)律條件下）。

圖14 頭枕剛度和頭枕轉(zhuǎn)動(dòng)剛度對(duì)F U z＋的影響

把頭枕剛度和頭枕轉(zhuǎn)動(dòng)剛度對(duì)MUy的影響制作成三維曲面，如圖15所示。由圖可見(jiàn)，頭枕剛度和頭枕轉(zhuǎn)動(dòng)剛度越大，則MUy值越小，其中頭枕轉(zhuǎn)動(dòng)剛度對(duì)MUy影響更明顯（在兩個(gè)因素按照設(shè)定的遞增規(guī)律條件下）。

2.3 座椅頭枕位置對(duì)頸部傷害的影響

圖15 頭枕剛度和頭枕轉(zhuǎn)動(dòng)剛度對(duì)M U y的影響

把頭枕相對(duì)假人頭型的最小水平距離稱為頭后間隙，用X表示。將頭后間隙劃分為4個(gè)等級(jí)，分別為0，10，20，30，代表頭后間隙在工程實(shí)際范圍內(nèi)按照一定規(guī)律依次增加；再把頭枕頂端相對(duì)假人頭部頂端的垂向距離稱為頭頂高，用Z表示。將頭頂高劃分為4個(gè)等級(jí)，分別為-10，0，10，20，代表頭部頂端相對(duì)頭枕頂端在工程實(shí)際范圍內(nèi)按照一定規(guī)律依次升高。兩組等級(jí)組合成16個(gè)方案，通過(guò)計(jì)算16個(gè)方案的仿真結(jié)果，研究頭枕位置對(duì)頸部損傷的影響，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

由表可見(jiàn)，F(xiàn)Lz＋和MLy的結(jié)果不失分（評(píng)分規(guī)則請(qǐng)見(jiàn)《C-NCAP管理規(guī)則（2015版）》），無(wú)需研究。因此僅對(duì)NIC，F(xiàn)Ux＋，F(xiàn)Uz＋，MUy和FLx＋結(jié)果進(jìn)行分析。

把頭后間隙及頭頂高對(duì)NIC的影響制作成三維曲面，如圖16所示。由圖可見(jiàn)，頭頂高越?。^枕越高）和頭后間隙越小，則NIC值越小。

把頭后間隙及頭頂高對(duì)FUx＋的影響制作成三維曲面，如圖17所示。由圖可見(jiàn)，頭頂高越小（頭枕越高）和頭后間隙越小，則FUx＋值越小。

把頭后間隙和頭頂高對(duì)FUz＋的影響制作成三維曲面，如圖18所示。由圖可見(jiàn)，頭頂高越?。^枕越高）和頭后間隙越小，F(xiàn)Uz＋值越小。

把頭后間隙和頭頂高對(duì)MUy的影響制作成三維曲面，如圖19所示。由圖可見(jiàn)，頭頂高越?。^枕越高）和頭后間隙越小，則MUy值越小。

把頭后間隙和頭頂高對(duì)FLx＋的影響制作成三維曲面，如圖20所示。由圖可見(jiàn)，頭頂高越小（頭枕越高）和頭后間隙越小，則FLx＋值越小。

3 結(jié)論

（1）首先對(duì)仿真分析和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，雖然兩者之間存在一定誤差，但總體趨勢(shì)是相同的，表明通過(guò)仿真途徑可以對(duì)座椅的鞭打試驗(yàn)影響因素進(jìn)行分析。

表4 不同頭枕位置仿真結(jié)果

圖16 頭枕位置對(duì)NIC的影響

圖17 頭枕位置對(duì)F U x＋的影響

圖18 頭枕位置對(duì)F U z＋的影響

圖19 頭枕位置對(duì)M U y的影響

圖20 頭枕位置對(duì)F L x＋的影響

（2）關(guān)于靠背剛度和靠背轉(zhuǎn)動(dòng)剛度對(duì)鞭打試驗(yàn)影響的仿真結(jié)果表明，靠背剛度越小和靠背轉(zhuǎn)動(dòng)剛度越大，則NIC得分越高，且靠背剛度對(duì)NIC的影響更顯著。而靠背剛度越小，則MUy得分越高，靠背轉(zhuǎn)動(dòng)剛度對(duì)MUy影響較小。

（3）關(guān)于頭枕剛度和頭枕轉(zhuǎn)動(dòng)剛度對(duì)鞭打試驗(yàn)影響的仿真結(jié)果表明，頭枕轉(zhuǎn)動(dòng)剛度越大，則NIC得分越高，而頭枕剛度對(duì)NIC影響較小。頭枕剛度和頭枕轉(zhuǎn)動(dòng)剛度越大，則FUz＋和MUy得分越高，其中，頭枕轉(zhuǎn)動(dòng)剛度對(duì)FUz＋和MUy影響更明顯。

（4）從頭枕位置對(duì)揮鞭傷影響的仿真結(jié)果來(lái)看，頭枕越高和頭后間隙越小，則NIC，F(xiàn)Ux＋，F(xiàn)Uz＋，MUy和FLx＋得分越高。

（5）本研究只是基于一款電動(dòng)六向座椅得到的結(jié)果，故不能視為普遍規(guī)律。