基于仿真分析的某座椅鞭打性能改進

李鐵柱 魯后國 闞洪貴

（安徽江淮汽車股份有限公司）

基于仿真分析的某座椅鞭打性能改進

李鐵柱 魯后國 闞洪貴

（安徽江淮汽車股份有限公司）

針對某車輛座椅在C-NCAP鞭打試驗中頸部保護性能較差的問題，通過對人體頭、頸部受力分析確定了改進方向，主要集中在座椅靠背剛度、頭枕剛度和頭后間隙等方面。建立了該座椅的鞭打仿真模型并進行了驗證。基于該仿真模型對改進方案進行驗證表明，改進方案可行。進行了改進座椅樣件試制，其座椅鞭打試驗結果驗證了方案的有效性。

1 前言

在汽車死亡事故中，汽車追尾碰撞只占4%的比例，但追尾碰撞事故占所有致傷事故的比例高達51%。在汽車追尾碰撞事故中，78.2%的損傷發生在頸部，追尾碰撞中的頸部保護已成為各個國家亟待解決的問題[1]。座椅的合理設計直接影響乘員的頸部保護效果[2，3]。為了更好地評價座椅對人體頸部的保護效果，各個國家都出臺了相應的安全法規和評定規程，歐洲的Eu?ro-NCAP和美國汽車安全保險協會IIHS都較早地將座椅鞭打性能納入了考核體系。我國2012版C-NCAP管理規則也正式將座椅鞭打試驗納入了考核內容[4]，已經發布實施的2015版C-NCAP管理規則將對座椅鞭打性能提出更高的要求。

針對某款轎車前排駕駛員座椅鞭打試驗中頸部保護效果較差的問題，通過頭頸部受力分析確定了初步改進方向，隨后建立了該座椅的仿真模型，在該模型基礎上制定了具體的改進方案，改進后座椅樣件的鞭打試驗結果進一步驗證了方案有效性。

2 追尾碰撞中頸部生物力學響應

2.1 追尾碰撞中頸部運動過程

根據追尾碰撞試驗結果發現，在不同碰撞速度、汽車參數和乘員身體條件下，頸部的沖擊響應參數不同，但其運動過程一般可分為下列3個階段[5]，如圖1所示。

a.回收/伸展階段

胸部被座椅靠背推動往前運動，此時乘員頭部因為慣性仍然保持在初始位置，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。

由于頸部脊柱對頭部的切向力，頭部開始向后轉動，整個頸部脊柱將向后伸展。上頸部脊柱從先前的向前彎曲改變為向后伸展。當頭部接觸到頭枕，回收/伸展階段結束。

b.向前運動階段

頭部接觸頭枕之后，頭部相對頭枕反向往前運動。由于座椅儲存的能量傳遞到身體各部分，乘員將產生向前的回彈運動。

c.前伸/彎曲階段

因為不存在完全非彈性的座椅，乘員通常會在第3個階段相對汽車向前運動，安全帶開始起作用，約束乘員的向前運動。胸部受安全帶約束而停止運動，而頭部繼續向前運動，頸部脊柱出現反S形，上頸部脊柱向后伸展而下頸部脊柱向前彎曲。但是與第1階段相比，由于胸腔對安全帶約束力的緩沖，彎曲半徑較大，脊椎和椎間盤結構受力較小，因此頸部損傷的研究主要集中在前兩個階段。

2.2 追尾碰撞中頸部受力分析

追尾碰撞過程中的頭部受力分析如圖2所示。

在假人頭部坐標系X方向上：

在假人頭部坐標系Z方向上：

頭部沿Y向轉動方程為：

式中，FR為頭部約束合力；FX為上頸部剪切力；FZ為上頸部拉力；m為頭部質量（4.4 kg）；aX為頭部X向加速度；aZ為頭部Z向加速度；h為頭部質心到FR力方向的垂直距離；I=0.021 kg·1m2，為頭部沿Y軸向的慣性矩；ω為頭部角速度；My為上頸部彎矩；e1和e2為頭部局部坐標系下在Z向和X向頸部力傳感器到頭部質心的距離，分別為34 mm和18 mm。

3 座椅鞭打性能改進方案分析

按照2012版C-NCAP管理規程中座椅鞭打試驗要求完成了某座椅的鞭打試驗，試驗結果如表1所示。試驗中使用BioRID II型假人模型，該假人具有詳細的脊椎結構，頸部響應生物逼真度較高，目前各大安全評價體系主要使用該假人評估座椅的鞭打性能，如圖3所示。

表1 原始座椅鞭打試驗中頸部損傷指標

由表1可以看出，原始鞭打試驗中頸部傷害指數NIC、上頸部軸向力、上頸部彎矩、下頸部剪切力和下頸部軸向力都超出2012版C-NCAP高性能限值，表明座椅未起到較好的頸部保護效果，需要進一步改進。

頸部傷害指數NIC是枕骨鉸鏈相對于脊椎骨T1的水平加速度和速度的相對值：

式中，Axrel為脊椎骨T1相對頭部的加速度；Vxrel為脊椎骨T1相對頭部的速度。

從公式（4）可以看出，NIC指標兩個影響因素中相對加速度占據90%以上的比重。

如圖4所示，NIC峰值為15.6，峰值出現時刻為68 ms，該時刻相對加速度Axrel對NIC峰值貢獻為15.0，占NIC峰值的96%，因此減小頭頸部的相對加速度可以有效改善NIC指標。為了減小相對加速度，一方面可以減小靠背剛度，降低T1處的加速度；另一方面可以減小頭枕后間隙以讓頭部盡早受力或增加頭枕剛度以增加頭部加速度。參考這兩方面因素，考慮到成本和周期等問題，最終確定方案為將靠背骨架之間的鋼絲改為蛇形簧（圖5），以減小靠背剛度，將頭枕桿向前調整1.5°以減小頭后間隙，確保頭后間隙在20 mm左右，并增加頭枕剛度。

針對頸部軸向力偏高問題研究表明，由于頭部慣性力的作用頸部拉力應該保持在450 N左右，該指標偏高主要是由于頭部往上運動的距離超出了頭枕高度，頭部被掛在頭枕上引起。通過增加頭枕高度可以有效解決該問題，如圖6所示。頭枕高度增加40 mm，確保頭枕最高點超出假人頭頂最高點，同時提高了頭枕剛度，調整了頭枕桿角度。

4 座椅鞭打模型建立和驗證

4.1 座椅鞭打模型建立

為了有效評估改進方案的保護效果，建立了詳細的鞭打分析有限元模型，模型中主要包括臺車、座椅和BioRID II模型，完整的分析模型如圖7所示。座椅骨架主要是板材和薄壁鋼管，采用殼單元模擬，單元尺寸為5～7 mm；坐墊、靠背和頭枕發泡采用實體單元模擬，單元尺寸為12～15 mm；坐墊和靠背鋼絲采用梁單元模擬，單元尺寸為10 mm左右。

假人模型使用了LSTC公司開發的BioRID II模型。模型加載的邊界條件是C-NCAP規定的臺車加速度，加速度波形在0～150 ms的時間范圍中需要被精確控制以滿足試驗要求。加速式臺車的速度變化量應控制在15.65± 0.8 km/h，波形持續時間為91±3 ms，整體波形如圖8所示。

4.2 座椅鞭打模型驗證

為了保證座椅模型準確，對該座椅模型進行了驗證，主要包括材料/零部件驗證和整體模型驗證。零部件驗證主要是驗證部件的力學特性，如靠背剛度和頭枕桿剛度等；整體模型驗證主要是使模型得到的假人動力學響應盡可能接近試驗結果，再現真實碰撞，如圖9所示對比了仿真和試驗中頭部加速度曲線，曲線整體趨勢、峰值出現時刻和大小都比較吻合。

5 座椅結構改進分析及驗證

5.1 仿真改進分析

根據上述改進方案對座椅模型進行了調整，主要集中在靠背和頭枕。改進前、后仿真分析頭部X向加速度對比如圖10所示，詳細的仿真分析頸部損傷對比如表2所列。

表2 追尾碰撞時仿真與試驗頸部傷害對比

由圖10可以看出，NIC峰值出現時刻的頭部X向加速度峰值得到了明顯提高。由表2可以看出，頸部傷害指數NIC得到一定程度的降低，頸部拉力和剪切力都得到了較大幅度的改善，改進方案效果較好。

5.2 試驗驗證

試制了改進方案后的座椅樣件，按照C-NCAP鞭打試驗要求完成改進后座椅鞭打試驗（圖11）。改進前、后頭部X向加速度對比如圖12所示，可知波谷和波峰的趨勢和仿真分析基本一致。試驗中各項頸部傷害指標對比如表3所示，可知頸部傷害指數和上頸部彎矩得到了一定程度的降低，上頸部拉力和剪切力得到了較大幅度的改善。試驗結果驗證了改進方案的有效性。

表3 改進前、后座椅頸部傷害試驗值對比

1 肖志，楊濟匡.汽車低速追尾碰撞中乘員動力學響應和頸部損傷的仿真研究.中國機械工程，2007，18（10）：1239～1243.

2 Liming Voo,Andrew Merkle,and Jeff Wright,et al.Effect of Head-Restraint Rigidity on Whiplash Injury Risk.SAE, 2004-01-0332.

3 Biorn Ludell,Lotta Jakobsson,Bo Alfredsson,et al.Guide?lines for and the design of a car seat concept for protection against neck injuries in rear end car impacts.SAE,980301.

4 中國汽車技術研究中心.C-CNAP管理規程（2012版）.天津：中國汽車技術研究中心，2012.

5 肖志.汽車后碰中乘員頸部損傷防護的研究：[學位論文].長沙：湖南大學，2007.

6 Weigang Chen,James Cheng,Jeffrey Vinton,et al.Analysis of Neck Tension Force in IIHS Rear Impact Test.SAE, 2007-01-0368.

（責任編輯簾 青）

修改稿收到日期為2015年5月1日。

The Improvement of Seat Whiplash Performance Based on Simulation Analysis

Li Tiezhu,Lu Houguo，Kan Honggui
（Anhui Jianghuai Automotive Co.,Ltd）

Neck protection property of a vehicle is poor in C-NCAP seat whiplash test,to improve this property, improvement is determined by the mechanics analysis of the head and neck,which mainly focuses on back stiffness, head restraint stiffness,etc.Seat whiplash simulation model of is constructed and validated.The improvement proposal is verified based on this model,which reveals feasibility of this proposal.The modified seat prototype is made,and whiplash test result of the modified seat demonstrates the effectiveness of the proposal.

Passenger Car,Seat whiplash property,Neck injury,Simulation analysis

轎車 座椅鞭打性能 頸部損傷 仿真分析

U461.91

A

1000-3703（2015）07-0014-04