基于假人頭部受力分析的鞭打試驗(yàn)研究

商恩義 陳現(xiàn)嶺 師玉濤 劉 濤

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

1 鞭打試驗(yàn)介紹

為了評價車輛在追尾碰撞事故中乘員頸部所受“揮鞭傷”的程度，2012版C-NCAP星級評價體系[1]中，增加了新的考核試驗(yàn)項(xiàng)目——鞭打試驗(yàn)。鞭打試驗(yàn)是將座椅及約束系統(tǒng)仿照原車結(jié)構(gòu)，固定安裝在移動滑車上，滑車以目標(biāo)速度變化量為15.65±0.8 km/h的特定加速度波形正向發(fā)射，模擬追尾碰撞過程。試驗(yàn)中座椅上放置BioRID II型假人，測量該假人某些點(diǎn)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)分別指定為高性能指標(biāo)和低性能指標(biāo)，高性能指標(biāo)對應(yīng)滿分，低性能指標(biāo)對應(yīng)零分，兩指標(biāo)之間數(shù)值按差值計(jì)算得分，以最終得分評價乘員頸部傷害情況。假人測量數(shù)據(jù)有以下兩組：一組為通過頭部加速度、胸部加速度計(jì)算出的頸部傷害指數(shù)NIC，分?jǐn)?shù)為0～2；另一組為上頸部和下頸部的載荷與扭矩，包括上下頸部正向剪切力、正向張力、彎矩，分?jǐn)?shù)分別為0～1分，該組最高分?jǐn)?shù)為6分，即鞭打試驗(yàn)分?jǐn)?shù)最高得分為8分。C-NCAP中規(guī)定，鞭打試驗(yàn)在總體得分中所占分值為4分,所以試驗(yàn)后要通過以下方式將鞭打試驗(yàn)分?jǐn)?shù)進(jìn)行換算：7分及以上為滿分，4分及以下對應(yīng)零分，4～7分間通過差值法計(jì)算得到。

2 追尾碰撞時乘員運(yùn)動及頸部損傷機(jī)理

2.1 追尾碰撞時乘員頭部、頸部、胸部的運(yùn)動過程

追尾碰撞時，乘員頭部、頸部、胸部的運(yùn)動響應(yīng)通?？煞譃橐韵聨讉€運(yùn)動過程：一是碰撞開始至頭部后端與頭枕接觸前，此過程中，乘員胸部在座椅靠背推動下向前運(yùn)動，但頭部保持在初始位置，且不旋轉(zhuǎn)，頭部、頸部、胸部之間將產(chǎn)生內(nèi)力，在內(nèi)力作用下，上頸部脊柱向前彎曲而下頸部脊柱向后伸展，頸部脊柱呈S形；二是頭部與頭枕接觸過程，此過程中，頭部將受到頭枕施加的剪切力、軸向力和彎矩，由于頭部與頭枕接觸位置不同，頭部受到的各方向合力將完全不同，對頸部造成的傷害差異明顯；三是頭部彈離頭枕至碰撞結(jié)束過程，此過程中，頭部在頭枕作用下向前運(yùn)動，在安全帶作用下再回彈，最終結(jié)束運(yùn)動。

2.2 追尾碰撞中乘員頸部的損傷機(jī)理

追尾碰撞中乘員頸部損傷機(jī)理的理論基礎(chǔ)是碰撞中頭部和胸部之間的運(yùn)動差異導(dǎo)致了相鄰頸椎間的相對運(yùn)動[2]。關(guān)于頸部損傷機(jī)理的代表性假設(shè)有：在追尾碰撞中，頸椎受到剪切力和軸向力作用，造成相鄰頸椎上、下關(guān)節(jié)突出表面相互沖撞從而引起軟骨面損傷。當(dāng)前，C-NCAP鞭打試驗(yàn)中關(guān)于頸部的損傷評價基于此假設(shè)制定。

3 鞭打試驗(yàn)中假人頭部受力分析方法

鞭打試驗(yàn)中規(guī)定的評價指標(biāo)充分反映了假人頸部造成的損傷是假人頭部和胸部之間相對運(yùn)動造成的，因此，以假人頭部運(yùn)動和受力為試驗(yàn)分析基礎(chǔ)，將有助于提高試驗(yàn)分析效率。

3.1 假人頭部外力計(jì)算方法

鞭打試驗(yàn)過程中，假人頭部除了存在慣性力外，還將受到頭枕施加的外力、上頸部施加的約束內(nèi)力。分析中[3，4]，假人頭部質(zhì)量m取4.54 kg，頭部受力和加速度方向，x向?yàn)榍啊⒑蠓较颍蚯盀檎?；z向?yàn)樯?、下方向，向下為正。頸部受力方向，軸向?yàn)閦向（張力），拉伸為正，壓縮為負(fù)；橫向?yàn)閤向（剪切力），頭部向后，胸部向前為正，反之為負(fù)。對于頸部彎矩，下頜向胸部為正。則有[5]：

式中，ax、az表示假人頭部 x向和 y向的加速度；Fx、Fux表示假人頭部x向所受外力、約束內(nèi)力（即上頸部剪切力）；Fz、Fuz表示假人頭部z向所受外力、約束內(nèi)力（即上頸部張力）。

ax、az、Fux、Fuz在試驗(yàn)過程中可采集得到， 因此，依據(jù)公式（1）和公式（2），可計(jì)算出試驗(yàn)過程中假人頭部x向和z向所受到的外力。對于頭部y向受力，由于后碰撞試驗(yàn)中其值較低，則不予考慮。

3.2 假人頭部外力計(jì)算實(shí)例

在L車型座椅開發(fā)過程中進(jìn)行了A、B等多次鞭打試驗(yàn)，以試驗(yàn)A為例，計(jì)算鞭打試驗(yàn)過程中頭部所受外力。

試驗(yàn)中，采集的ax和az如圖1所示，F(xiàn)ux和Fuz如圖2所示。

用 Fix表示 max， 得出 Fx、Fux、Fix之間關(guān)系如圖 3所示。 同理，用 Fiz表示 maz，得出 Fz、Fuz、Fiz之間關(guān)系如圖4所示。

圖3 中，頭部x向所受外力為正，峰值達(dá)到1 000 N；圖4中，頭部z向所受外力為負(fù)，即頭枕對頭部的作用力向上，且幅值達(dá)到700 N以上。綜合分析此次鞭打試驗(yàn)中頭部x向和z向所受外力可知，頭部與頭枕發(fā)生碰撞時刻約為90 ms，碰撞過程中假人后腦砸到頭枕偏上位置。

3.3 頭部受力分析所確認(rèn)碰撞時刻在頸部傷害指標(biāo)NIC分析中的應(yīng)用

3.3.1 NIC計(jì)算過程介紹

在碰撞過程中有：

用E表示頭部與頭枕碰撞結(jié)束時刻，則有：

式中，aT表示胸部上端x向加速度，為對應(yīng)胸椎上端位置左、右兩側(cè)T1傳感器測得的假人胸部x向加速度平均值，方向和單位與頭部加速度相同；ar表示胸部與頭部x向間相對加速度；Vr表示胸部與頭部x向間相對速度。

NIC計(jì)算過程表明，該傷害指標(biāo)計(jì)算過程中主要涉及aT和ax，aT和ax間差值的降低是優(yōu)化NIC的關(guān)鍵。

3.3.2 頭部碰撞時刻應(yīng)用

以試驗(yàn)A中數(shù)據(jù)處理過程為例，對NIC計(jì)算過程中頭部碰撞時刻的應(yīng)用進(jìn)行研究。通過左、右兩側(cè)T1傳感器所采集到的x向加速度計(jì)算出aT，將aT和ax調(diào)入同一圖中，通過取差值計(jì)算出ar，如圖5所示。將ar積分成Vr，如圖6所示。用M表示相對加速度0.2ar，用N表示相對速度的平方，M、N和NIC間關(guān)系如圖7所示。

圖 5中，aT和 ax相比，aT起步早、上升緩、持續(xù)時間長，該現(xiàn)象主要是由于試驗(yàn)前假人背部與座椅靠背相接觸，T1位置與靠背發(fā)生硬性碰撞時間早，并且隨著碰撞深入向后上方持續(xù)上挺所致。假人ax在碰撞初始階段基本為零，只在約90 ms時才有變化，且正向變化急劇，此變化與頭部和頭枕發(fā)生碰撞有關(guān)，頭部與頭枕發(fā)生碰撞的時間晚，強(qiáng)度大，隨著假人頭部與頭枕發(fā)生碰撞，相對加速度瞬間轉(zhuǎn)向，NIC值開始減小。

圖7中，NIC在約90 ms時取得最大值18，超標(biāo)較多，只得1.2分，尚有0.8分的提升空間。分析NIC構(gòu)成，相對加速度的平方占比較高，直接影響較大；另外，相對速度也是由相對加速度積分而來，受加速度間接影響，因此，提高分?jǐn)?shù)必須降低相對加速度。

上述分析表明，NIC值的大小與假人背部碰撞強(qiáng)度和頭部與頭枕的碰撞時刻密切相關(guān)。假人背部碰撞強(qiáng)度低，NIC偏小；假人頭部與頭枕碰撞早，在aT曲線起步初期便發(fā)生，將迅速緩解背部的沖擊強(qiáng)度，使ar在值較小時方向便開始轉(zhuǎn)折，進(jìn)而降低NIC正向幅值?？紤]到假人背部的沖擊強(qiáng)度不可能無限下調(diào)，因此在優(yōu)化NIC時應(yīng)盡可能考慮將頭部與頭枕接觸時刻提前。

3.4 頸部載荷分析中頭部受力分析結(jié)果應(yīng)用

截取試驗(yàn)A中假人頭部與頭枕接觸時刻及頸部Fz最大時刻錄像如圖8和圖9所示。圖9中，將假人頭部受力平移至頭部與頸部連接位置，平移后，假人頭部x向和z向作用力對假人頸部將產(chǎn)生正向疊加彎矩My，導(dǎo)致該正向彎矩較大。頭部受力對頸部的總體影響是，頸部上端正向彎矩My增大；頸部z向張力Fz也將增大，且相對下端，上端增加將更加明顯。假人頭部在My作用下，下頜內(nèi)收（圖8和圖9中比較可知），頸部下端的剪切力將增大。

試驗(yàn)A中假人頸部的各傷害指標(biāo)如表1所列。

表1 L車型鞭打試驗(yàn)A中頸部各傷害評分

表1中，該車型整體得分情況較差，其中，以Fz、My、Fx失分最高，這與分析情況較一致，表明頭部與頭枕碰撞中頭部后腦受到向前上方推力對假人頸部傷害較大。另外，從圖3中得知該次試驗(yàn)中假人頭部x向受力達(dá)1 000N左右，偏大，x向碰撞力偏大與頭部和頭枕碰撞時刻晚，頭部運(yùn)動速度相對較高有關(guān)。為了降低頸部x向受力，進(jìn)而降低頸部各載荷傷害，有必要將頭部與頭枕的碰撞時刻提前，以降低碰撞前頭部運(yùn)動速度，進(jìn)而降低其沖擊強(qiáng)度。

4 鞭打試驗(yàn)中頭部受力分析方法在座椅優(yōu)化中的應(yīng)用研究

在座椅優(yōu)化過程中，通過應(yīng)用頭部受力分析方法分析鞭打試驗(yàn)結(jié)果可以大大提高優(yōu)化效率。在L車型座椅開發(fā)過程中，對試驗(yàn)A的假人頭部進(jìn)行受力分析后發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)A中傷害結(jié)果普遍偏高。進(jìn)一步分析可知，其主要原因在于座椅整體剛度不夠，碰撞過程中，座椅滑道發(fā)生相對滑動，靠背在假人背部上挺過程中發(fā)生相對下移至其后仰明顯，最終造成頭部與頭枕碰撞時刻較晚，碰撞點(diǎn)在頭枕前上方，且碰撞強(qiáng)度較大。

4.1 改進(jìn)試驗(yàn)中頭部受力分析

在對試驗(yàn)A結(jié)果分析的基礎(chǔ)上，對現(xiàn)有座椅進(jìn)行了有針對性的改進(jìn)。為了避免碰撞中靠背相對假人發(fā)生下移而導(dǎo)致頭部后腦下部與頭枕上端發(fā)生碰撞，將座椅整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了加固；為了將頭部與頭枕的接觸時刻提前，將頭枕結(jié)構(gòu)進(jìn)行了更改，將原直上直下式頭枕改為前傾式頭枕（圖13），縮短了頭部后端與頭枕間的相對距離。將座椅強(qiáng)度增大和頭枕結(jié)構(gòu)改進(jìn)后進(jìn)行了試驗(yàn)B。

試驗(yàn)中，采集的ax和az如圖10所示。

處理后 Fx、Fux、Fix之間關(guān)系如圖 11 所示，F(xiàn)z、Fuz、Fiz之間關(guān)系如圖12所示。

圖11 中，頭部與頭枕接觸時刻約為碰撞開始后的第52 ms左右，與試驗(yàn)A結(jié)果相比明顯提前，并且頭部x向所受外力只約為700 N，下降明顯；圖12中，頭部z向所受外力約為130 N，不但幅值下降明顯，而且碰撞后轉(zhuǎn)為正向，即頭枕在頭部上挺過程中對其產(chǎn)生了向下的摩擦力。

試驗(yàn)B中，頭部與頭枕接觸情況如圖13所示。圖13中，假人頭部后端靠上位置與頭枕上端發(fā)生接觸，此碰撞形式起到了阻止假人頭部上挺的作用。

4.2 改進(jìn)試驗(yàn)中NIC分析

在試驗(yàn)B中計(jì)算出ar如圖14所示，NIC處理結(jié)果如圖15所示。

從圖14可以看出，與試驗(yàn)A中ar約7 g相比，改進(jìn)后ar約為4.6 g，下降明顯。

圖15中，NIC的最大值約為10，雖未取得滿分，但比試驗(yàn)A下降了近50%，取得1.8分。

綜上所述可知，NIC值的大小與假人背部碰撞強(qiáng)度和頭部與頭枕的碰撞時刻密切相關(guān)，假人背部碰撞強(qiáng)度低，NIC偏??；假人頭部與頭枕碰撞時刻早，在aT曲線起步初期便發(fā)生，將迅速緩解背部沖擊強(qiáng)度，使ar在值較小時方向便開始轉(zhuǎn)折，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)降低NIC正向幅值?？紤]到假人背部沖擊強(qiáng)度不可能無限下調(diào)，因此在優(yōu)化NIC傷害時應(yīng)盡可能將頭部與頭枕接觸時刻提前。

4.3 改進(jìn)試驗(yàn)中頸部載荷分析

試驗(yàn)B中假人頸部的各傷害指標(biāo)如表2所列。

表2 L車型鞭打試驗(yàn)B中頸部傷害評分

表 2 中，各評分點(diǎn)均為滿分，表明 Fz、My、Fx改善明顯，尤其頭部z向受力方向的改變對其它指標(biāo)的改善起到了較大作用。最終，在C-NCAP評分中，改進(jìn)后C-NCAP得分由1.3分提升為滿分4分?？傮w而言，該車型座椅頭枕優(yōu)化方案較成功。

5 結(jié)束語

通過對鞭打試驗(yàn)中假人頭部受力分析方法進(jìn)行探討，對假人頭部與頭枕接觸時刻及碰撞強(qiáng)度在座椅結(jié)構(gòu)及頭枕優(yōu)化中的應(yīng)用進(jìn)行研究，得出如下結(jié)論：

a 假人與頭部接觸時刻越早，越有利于降低頸部NIC指標(biāo)及頭部碰撞強(qiáng)度；

b 頭部碰撞強(qiáng)度低及z向受力向下，將有利于降低頸部各載荷。

1 中國汽車技術(shù)研究中心 (天津).中國新車評價規(guī)則(C—NCAP),2009.

2 肖志,楊濟(jì)匡.汽車低速追尾碰撞中乘員動力學(xué)響應(yīng)和頸部損傷的仿真研究.中國機(jī)械工程2007,18(10):1239～1243.

3 Humanetics Innovative Solutions Inc.BioRIDⅡTechnical Specifications—Segment Weights.

4 SAE J211-1.Instrumentation for Impact Test-PART 1-Electronic Instrumentation,2007.

5 商恩義,張君媛，楊斌，等.正面碰撞試驗(yàn)中假人頭部及胸部受力分析方法的研究與應(yīng)用.汽車技術(shù).2010（10）:18～21.