乘用車座椅靠背角對乘員碰撞安全性的影響分析*

曹立波，戴黃偉，張瑞鋒，李正坤，張冠軍

(湖南大學，汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082)

前言

汽車座椅是乘員約束系統的重要組成部分，為了滿足乘員舒適性要求，座椅的靠背通常都設計成可以調節的，調節范圍可以達到15°[1]。特別是對于副駕駛員，由于其在車內主要處于休息狀態，座椅靠背的角度經常調節到大于設計值。然而，目前的碰撞安全性評價方法中都要求將座椅的靠背調節到使3DH裝置軀干傾角達到制造廠規定的設計角度或調節到從鉛垂面向后傾斜25°的位置[2]。在這種情況下的實驗只能反映出座椅靠背在特定角度下的乘員碰撞安全性，不能較全面反映在實際碰撞事故中的情況。因此，有必要研究汽車座椅靠背角度的變化對乘員碰撞安全性的影響。

克萊斯勒公司的研究表明，將傾斜的靠背調節到垂向的位置后能夠提高安全帶的效率[3]，文獻[4]中通過優化包括靠背角度在內的乘員乘坐位置使乘員損傷整體降低了43%。然而，對于不同靠背角度下乘員在碰撞中的損傷情況的研究仍然缺乏。為此，本文中以副駕駛員為研究對象，采用LS-DYNA軟件分析了座椅靠背角度的變化對乘員損傷的影響。

1 仿真模型的建立和驗證

本文中僅研究副駕駛員的損傷，因此，所建立的車體模型只包含副駕駛員位置的地板和儀表板等部件；同時建立了汽車座椅、安全帶和副駕駛員安全氣囊等約束系統模型。其中，安全帶的限力值為3.2kN，安全氣囊使用均勻壓力模型，起爆時間為20ms，質量流速率曲線如圖1所示。選用美國喬治華盛頓大學開發的經過驗證的Hybrid III 50th有限元假人模型[5]。整個約束系統模型共有416 055個節點、398 103個殼單元、138 706個實體單元和1 095個焊點單元。有限元模型如圖2所示。

為驗證仿真模型的有效性，對比分析了在相同碰撞條件下的仿真與實驗結果，圖3～圖7為假人損傷響應曲線對比，表1為假人損傷參數對比。

由圖3～圖7可以看出，仿真和實驗中安全帶肩帶力、腰帶力以及頭部、胸部和髖部x向加速度曲線吻合較好。

由表1對比可知，假人相關損傷指標最大誤差均小于13%，因此，認為該模型有效，可以用于進行后續研究。

表1 仿真模型和實驗假人損傷參數對比

2 仿真分析

利用以上建立的副駕駛員約束系統模型，增大座椅靠背角度進行仿真分析。初始靠背角度為23°，分別將靠背角度向后增加5°、10°、15°和20°。表2為相同碰撞條件下，不同靠背角度對應的乘員損傷。

表2 不同靠背角度下的乘員損傷

由表2可知，隨著靠背角度的增加，乘員的頭部HIC值、頸部彎矩My、頸部張力Fz和胸部3ms合成加速度均增加，而胸部壓縮量基本不變，左、右大腿力先增加后減小，頸部剪切力Fx逐漸減小且由正值變為負值。靠背角度為43°時，頭部HIC值增加了227%，頸部彎矩增加了132%，頭部HIC值和頸部彎矩My超過人體耐受限值。頸部張力Fz增加了106%，損傷值接近人體耐受限值。胸部3ms合成加速度和左、右大腿力雖然增加了，但都在C-NCAP乘員損傷的高性能指標附近。因此，靠背角度的改變主要影響乘員的頭部和頸部損傷。

2.1 頭部損傷分析

圖8為頭部加速度曲線對比。由圖8可知，隨著靠背角度的增加，頭部合成加速度峰值由54.3g增加到88.5g，峰值時刻由91ms延遲到100ms。頭部x向加速度上升時刻延后，峰值逐漸增加，說明安全帶對假人的約束作用開始時間延后；y向加速度峰值均在8g以內；z向加速度峰值明顯增加，當靠背角度達到38°時，其峰值增加到了59.2g，角度為43°時峰值為73g，為初始值的230%。因此，在靠背角度為38°和43°時，HIC值和頭部合成加速度值很大的原因是z向加速度分別增加了25g和38.8g。從運動動畫可以看出，靠背角度為38°時碰撞后期頭部缺少安全氣囊的支撐，因而使頭部z向加速度峰值迅速增加。而靠背角度為43°時安全氣囊對頭部無支撐。

2.2 頸部損傷分析

圖9為頸部彎矩My曲線。由圖可見，隨著靠背角度的增加，頸部伸張彎矩增加，彎曲彎矩減小，當靠背角度為43°時伸張彎矩為58N·m。圖10為頸部剪切力Fx曲線。由圖可見，頸部剪切力Fx正值逐漸減小而負值逐漸增加，但其峰值均在±1kN之內。頸部張力Fz如圖11所示。由圖可見，Fz隨著靠背角度的增加而增加，當靠背角度為43°時達到了3.17kN。

圖12為靠背角度在23°和38°時乘員運動姿勢對比。由圖可見，座椅靠背角度增大時，假人頭部和胸部離儀表板的距離增加。時間為80ms，靠背角度為23°時，假人與安全氣囊已經接觸；而靠背角度為38°時，假人頭部距離安全氣囊還有30mm，頭部相對于頸部向后旋轉，頸部彎矩My為-35N·m，此時仍承受較大的伸張彎矩載荷。時間為120ms，靠背角度為23°時，安全氣囊能夠很好地緩沖頭部的向前運動；而靠背角度為38°時，假人頭部和胸部距離安全氣囊較遠，此時碰撞后期頭部缺少安全氣囊的支撐而胸部被安全帶約束使頭部繞胸部旋轉，這種旋轉使頸部Fz和頭部z向加速度迅速增加。當靠背角度增加到43°時，安全氣囊對頭部沒有支撐作用，Fz和z向加速度進一步增大。

2.3 約束系統效率分析

圖13～圖15分別為不同靠背角度下安全帶肩帶力、腰帶力和髖部合成加速度的對比。由圖可見，靠背角度增加時肩帶力峰值變化不大，上升時刻延后。峰值變化不大是由于使用了限力器，并且沒有轉向盤的約束作用。上升時刻延后是由于安全帶與假人開始作用時間延后。靠背角度的增大使座椅對髖部z向約束增加，座椅和安全帶對髖部x向的約束減小。靠背角度增加10°時，安全帶腰帶力峰值減小了近一半，且髖部合成加速度也減小。同時頭部合成加速度增加，由此說明在靠背角度增加時約束系統對乘員的髖部約束減小，而頭部的載荷增加。由于一般約束系統的設計原則是要求髖部這些承載能力較強的部位分擔較多的載荷，而當靠背角度增加到43°時，安全氣囊對頭部沒有支撐。因此，靠背角度的增加將不利于約束系統對乘員的保護。

3 結論

采用LS-DYNA軟件分析了正面碰撞中不同座椅靠背角度下副駕駛員的損傷情況和約束系統保護效果。仿真結果表明，在正面碰撞中，當座椅靠背角度過大時，約束系統效果下降，安全氣囊不能對乘員頭部和頸部起到有效的保護作用，使乘員的頭部和頸部損傷較大。在碰撞之前如果將過大的副駕駛員靠背角度減小，則可提高約束系統的效果，降低副駕駛員損傷。由于駕駛員在駕駛時通常不會將靠背角度調節太大，故該研究結論不適用于駕駛員座椅。

[1] Miriam A Manary,Matthew P Reed.ATD Positioning Based on Driver Posture and Position[C].SAE Paper 983163.

[2] 中國汽車技術中心.C-NCAP管理規程[S].2012.

[3] Rodolfo Schoneburg.Pre-safe-the Next Step in the Enhance of Vehicle Safety[C].18th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles.Washington D.C.Paper No.410,2003.

[4] Christian Gruber.BMW Integrale Sicherheit[C].Technsche Rettung aus PKW,7.Berlin,2011.

[5] Mohan Pradeep,Marzougui Dhafer,Kan Cing-Dao.Development and Validation of Hybrid III Crash Test Dummy[C].SAE Paper 2009-01-047.