基于LS-DYNA的某座椅鞭打性能分析和優(yōu)化

胡遠(yuǎn)志，胡源源，劉 西，廖高健

(1.汽車噪聲振動(dòng)和安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400054； 2.汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400054)

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基于LS-DYNA的某座椅鞭打性能分析和優(yōu)化

胡遠(yuǎn)志1,2，胡源源2，劉 西2，廖高健2

(1.汽車噪聲振動(dòng)和安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400054； 2.汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400054)

根據(jù)C-NCAP(2015版)鞭打試驗(yàn)評(píng)價(jià)規(guī)程和評(píng)分原則，利用BioRID II假人模型研究某座椅鞭打試驗(yàn)對(duì)于駕駛員頸部的傷害。利用動(dòng)態(tài)非線性顯式有限元方法，以動(dòng)力學(xué)分析軟件LS-Dyna為求解器，按照C-NCAP鞭打試驗(yàn)的要求建立有限元模型，實(shí)現(xiàn)鞭打試驗(yàn)的仿真和優(yōu)化。研究結(jié)果表明：更改頭枕?xiàng)U的結(jié)構(gòu)，使頭部與頭枕的間距和高度縮小，可以顯著減小鞭打試驗(yàn)中頸部的損傷程度，從而實(shí)現(xiàn)座椅的有效優(yōu)化。

C-NCAP；鞭打試驗(yàn)；BioRID II假人；頸部損傷

據(jù)統(tǒng)計(jì)，追尾碰撞在交通事故中的比例逐漸增多[1]，因碰撞造成的揮鞭傷導(dǎo)致的巨額醫(yī)療支出也越來越引起人們的重視。揮鞭傷是指由于后方碰撞導(dǎo)致人體受到向前的加速度，而頭部在慣性力的作用下發(fā)生滯后，頸部產(chǎn)生像鞭子猛抽的動(dòng)作，從而造成頸部的骨骼或軟組織損傷。這種損傷并發(fā)癥多、潛伏期長(zhǎng)[2]，甚至?xí)斐捎谰脗Αａ槍?duì)這一問題，2008年鞭打試驗(yàn)正式加入歐洲Euro-NCAP評(píng)價(jià)體系，日本于2009年將后碰撞頸部保護(hù)試驗(yàn)引入J-NCAP評(píng)價(jià)體系[3]，2012年我國(guó)首次將鞭打試驗(yàn)引進(jìn)C-NCAP評(píng)價(jià)體系，并于2015年對(duì)鞭打試驗(yàn)的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了提升。

本文利用有限元方法建立某款座椅的鞭打試驗(yàn)?zāi)Ｐ停罁?jù)C-NCAP(2015版)鞭打試驗(yàn)評(píng)價(jià)規(guī)程和評(píng)分原則對(duì)其進(jìn)行鞭打試驗(yàn)的仿真分析，旨在研究BioRID II假人模型在鞭打試驗(yàn)下的頸部損傷情況。結(jié)果表明：通過對(duì)頭枕結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，可減小鞭打試驗(yàn)中頸部的損傷程度，提升座椅的安全性能。

1 C-NCAP(2015版)鞭打試驗(yàn)評(píng)價(jià)規(guī)程和評(píng)分原則

試驗(yàn)按照C-NCAP 試驗(yàn)程序進(jìn)行，將駕駛員座椅及約束系統(tǒng)仿照原車結(jié)構(gòu)固定安裝在移動(dòng)滑車上。滑車速度以(15.65±0.8)km/h 的特定速度波形發(fā)射，模擬后碰撞過程。座椅上放置BioRID II 型假人，用以測(cè)量后碰撞過程中其頸部受到的傷害情況[4]。

BioRID II假人模型是瑞典查爾摩斯大學(xué)的 Johan Davidsson 等[5]于2000年根據(jù)鞭打試驗(yàn)的需求，在 Hybrid III假人模型的基礎(chǔ)上對(duì)脊椎部分進(jìn)行優(yōu)化而創(chuàng)建的。它根據(jù)真實(shí)的人體脊椎結(jié)構(gòu)建立7節(jié)頸椎、12節(jié)胸椎和5節(jié)腰椎的24節(jié)脊椎結(jié)構(gòu)，其脊骨之間由鉸鏈相連接,使其僅能繞Y方向轉(zhuǎn)動(dòng)。與Hybrid III假人模型相比較，BioRID II的脊柱與人體脊柱的曲線更加吻合[6]，能夠更加準(zhǔn)確地反映出在碰撞過程人體頸部的運(yùn)動(dòng)狀況。

C-NCAP采用頸部傷害指數(shù)NIC、上頸部剪切力Fx+、上頸部拉力Fz+、上頸部扭矩My，下頸部剪切力Fx+、下頸部拉力Fz+和下頸部扭矩My這7項(xiàng)評(píng)分指標(biāo)以及座椅靠背最大動(dòng)態(tài)張角、頭枕干涉頭部空間、座椅滑軌動(dòng)態(tài)位移3項(xiàng)罰分項(xiàng)。總體評(píng)分原則如表1所示。

表1 鞭打試驗(yàn)總體評(píng)分原則

2 座椅鞭打模型建立和驗(yàn)證

鞭打模型包括座椅、假人、安全帶以及B柱和滑車4部分(圖1(a))。

本文采用某品牌汽車的座椅有限元模型，對(duì)此模型中調(diào)角器、高度調(diào)節(jié)器及滑軌等零部件進(jìn)行了細(xì)致的劃分，并選擇合理的參數(shù)保證仿真的精度。座椅模型中骨架采用平均尺寸為8 mm的Shell單元模擬，三角形控制在5%以內(nèi)，材料類型為MAT24；頭枕、靠背和坐墊發(fā)泡采用平均尺寸為15 mm的四面體Solid單元模擬，材料類型為MAT57；曲簧采用Beam單元模擬,材料類型為MAT24。零部件之間的焊接和螺栓連接均采用Rigidbody單元模擬，鉸鏈采用joint單元模擬。

模型采用三點(diǎn)式安全帶，安全帶主要由卷收器、滑環(huán)、鎖扣等組成，采用1D單元和Shell單元模擬，1D單元的單元屬性為*SENTION_SEATBELT，材料類型為SB_MAT.與假人接觸部分用材料類型為MATL34的Shell單元。

根據(jù)C-NCAP試驗(yàn)要求，座椅4個(gè)支腳固定在滑車上，約束滑車除X方向的其他5個(gè)方向。將BioRIDII假人模型放入座椅模型中，并按照試驗(yàn)要求調(diào)整假人姿態(tài)，對(duì)座椅發(fā)泡進(jìn)行預(yù)壓泡處理，使假人和座椅、滑車之間正確的貼合。最后對(duì)地板施加如圖1(b)所示的X方向加速度。

將上述的鞭打試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀肔S-Dyna進(jìn)行求解， 將仿真結(jié)果與試驗(yàn)錄像對(duì)比，如圖2所示。從圖2可以看出：在150 ms內(nèi)，仿真結(jié)果與試驗(yàn)錄像的起始時(shí)刻、靠背接觸時(shí)刻、頭部接觸時(shí)刻以及頭部回彈時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)基本一致。

(a) 有限元鞭打模型

(b) 鞭打試驗(yàn)加速度波形

圖1 有限元鞭打模型和鞭打試驗(yàn)加速度波形

圖2 試驗(yàn)與仿真的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)對(duì)比

從圖3中可以看出：仿真輸出的頭部加速度曲線、胸部T1加速度曲線與試驗(yàn)曲線的整體趨勢(shì)、峰值出現(xiàn)時(shí)刻和大小都比較吻合，證明仿真模型是可靠的，可以用于座椅防揮鞭傷的研究。

圖3 試驗(yàn)與仿真的曲線對(duì)比

3 仿真結(jié)果分析

座椅按圖2所示的加速度向前運(yùn)動(dòng)，軀干在43 ms時(shí)與座椅靠背接觸，產(chǎn)生向前的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，頭部由于慣性的作用且沒有得到頭枕的支撐，呈現(xiàn)出頸部上段向前彎曲、下段向后伸展的“S”型；但隨著運(yùn)動(dòng)的繼續(xù)，頭部開始向后伸展，直至70 ms時(shí)與頭枕發(fā)生接觸；然后在132 ms時(shí)頭部回彈，開始向前運(yùn)動(dòng)。

3.1 頸部傷害指數(shù)(NIC)

頸部傷害值NIC是由Bostrom[7]提出的，主要評(píng)價(jià)頭部枕骨鉸鏈相對(duì)于胸部T1的水平加速度和速度的相對(duì)值，體現(xiàn)頭部和胸部之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的劇烈程度[8]。根據(jù)仿真結(jié)果(如圖4(a))可以得到：假人背部在43 ms時(shí)與座椅靠背接觸，84 ms 時(shí)T1達(dá)到峰值；頭與頭枕在70 ms發(fā)生接觸，87 ms時(shí)頭部加速度達(dá)到峰值。根據(jù)式(1)～(2)[4]計(jì)算NIC值為22.74 m2/s2。

(1)

(2)

其中：

(3)

(4)

(5)

Bonman等提出，當(dāng)NIC值超過15 m2/s2時(shí)，頸部承受輕微傷(AISI)的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)明顯增加，損傷程度由短期損傷擴(kuò)大到長(zhǎng)期損傷[9]。因此，假人受到頸部損傷的風(fēng)險(xiǎn)較大。

3.2 頸部剪切力

頸部剪切力是考慮頭部相對(duì)于軀干向后的作用力，根據(jù)C-NCAP評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，頸部剪切力小于340 N時(shí)獲得最高分，大于730 N時(shí)不得分。計(jì)算公式[3]如下：

(6)

Yang等[10]認(rèn)為椎骨的剪切運(yùn)動(dòng)與椎間關(guān)節(jié)面的損傷有關(guān)。因此，剪切力越大，受到損傷的可能性越大，損傷程度越高。根據(jù)仿真結(jié)果(如圖4(b)(c))可以得到：上頸部剪切力為318.3 N，下頸部剪切力為237.1 N，頸部無剪切損傷風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 頸部扭矩

頸部扭矩要考慮伸張和彎曲2個(gè)方向的作用。Mertz和Patrick[11]認(rèn)為過度的彎曲運(yùn)動(dòng)是造成頸部軟組織損傷的原因之一。C-NCAP評(píng)價(jià)準(zhǔn)則中頸部扭矩小于12 N·m時(shí)獲得最高分，大于40 N·m時(shí)不得分。計(jì)算公式[4]如下：

上頸部扭矩：

(7)

MyOC(t)=Myupper(t)-D·Myupper(t)

(8)

其中D=0.017 78 m。

下頸部扭矩：

(9)

根據(jù)仿真結(jié)果(如圖4(d)(e))可以得到：上頸部扭矩為27.57 N·m，下頸部扭矩為8.41 N·m，故上頸部由于扭矩所受的損傷較為嚴(yán)重。

3.4 頸部拉力

頸部拉力是考慮沿脊椎的拉伸，計(jì)算公式[4]如下：

(10)

根據(jù)C-NCAP評(píng)價(jià)準(zhǔn)則：上頸部拉力小于475 N時(shí)獲得最高分，大于1 130 N時(shí)不得分；下頸部拉力小于257 N時(shí)獲得最高分，大于1 480 N時(shí)不得分。仿真結(jié)果(如圖5中(f)(g))表明：上頸部拉力為189.4 N，下頸部拉力為278.3 N，故上頸部無受拉損傷損傷風(fēng)險(xiǎn)，下頸部受拉損傷風(fēng)險(xiǎn)較小。

根據(jù)C-NCAP評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，NIC項(xiàng)得1.08分，頸部載荷和扭矩得0.44分，下頸部載荷和扭矩得0.98分，鞭打試驗(yàn)得分為2.5分，整體得分偏低，防鞭打性能有待改進(jìn)。

圖4 鞭打試驗(yàn)仿真評(píng)分指標(biāo)結(jié)果

4 座椅鞭打試驗(yàn)的優(yōu)化

根據(jù)仿真結(jié)果(如圖5(a))可以得到：假人背部在43 ms時(shí)與座椅靠背接觸，84 ms時(shí)T1加速度達(dá)到峰值；頭與頭枕在70 ms發(fā)生接觸，87 ms時(shí)頭部加速度達(dá)到峰值；雖然T1和頭部加速度的峰值出現(xiàn)的時(shí)刻非常接近，但是其接觸時(shí)刻相差較大。因此，當(dāng)假人背部受到座椅靠背的推力而向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，頭沒有頭枕的支撐，在慣性力的作用下保持原有狀態(tài)，導(dǎo)致頸部出現(xiàn)易損傷的“S”形。

圖5 頭枕的優(yōu)化前后

頸部傷害值NIC是通過頭部加速度和胸部加速度計(jì)算出來的，反映了頭和胸部之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即頭部加速度和胸部加速度之間相差越大，NIC值越大，頸部的損傷越嚴(yán)重。又由于上頸部剪切力和拉力分別考慮的是頭部相對(duì)于背部向后的X方向的作用力和頭部延脊椎向上的拉伸，因此縮小頭與頭枕之間距離，使頭與頭枕更早的接觸，頭枕更早地支撐并推動(dòng)頭向前運(yùn)動(dòng)，就能有效地降低NIC值、上頸部剪切力Fx+以及上頸部拉力Fz+。頸部扭矩反映了頸部的伸張和彎曲，減小頭與頭枕的高度差，可減小頭部繞上頸椎關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)[12-18]，有效地減小上頸部扭矩，從而降低頸部受傷程度。

如圖5(b)所示，將頭枕?xiàng)U向前向上提升，使頭與頭枕間距由48 mm縮小為21 mm，且提高頭枕高度11 mm，使頭與頭枕的接觸時(shí)刻提前至53 ms。經(jīng)過上述優(yōu)化各指標(biāo)均有所提升，鞭打試驗(yàn)總分也由2.5分提升至3.36分(如表2)。

表2 鞭打試驗(yàn)優(yōu)化前后損傷對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于C-NCAP(2015)鞭打試驗(yàn)要求建立精確的模型并進(jìn)行有效地仿真，依據(jù)C-NCAP的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)BioRID II假人模型在鞭打試驗(yàn)中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和損傷程度進(jìn)行研究。針對(duì)試驗(yàn)中得分較低的情況，提出有效的優(yōu)化方案并加以驗(yàn)證。研究結(jié)果表明：縮短頭與頭枕之間的距離和高度，能夠有效地減小鞭打試驗(yàn)中頸部的損傷程度，提高座椅的防揮鞭傷能力。

[1] 中華人民共合國(guó)道路交通事故統(tǒng)計(jì)年報(bào)(2013年度)[R].北京：公安部交通管理局,2014.

[2] 凡沙沙.座椅鞭打仿真分析的研究與應(yīng)用[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2014(9):21-23.

[3] 胡遠(yuǎn)志,曾必強(qiáng),謝書港.基于LS-DYNA和Hyperworks的汽車安全仿真與分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2011:173-178.

[4] C-NCAP管理規(guī)則[M].天津：中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，2015.

[5] DAVIDSSON J.Development of a Mechanical Model for Rear Impacts[D].Goteborg,Sweden：Department of Machine and Vehicle Design,Chalmers University of Technology,2000.

[6] 陳娟.轎車追尾碰撞對(duì)乘員的傷害及改進(jìn)措施研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2013.

[7] BOSTR6METAL O.A New Neck Injury Criterion Candidate-Based on Injury Findings in the Cervical Spinal Ganglia after Experimental Neck Extension Trauma.[C]//International IRCOBI Conference on the Biomechanics of Impacts.1996:123-136.

[8] 黨雪芒，方 銳，謝書港，等.某駕駛員座椅鞭打性能分析及優(yōu)化 [J].機(jī)電工程，2015,32(2):190-195.

[9] SCHMITT K.汽車與運(yùn)動(dòng)損傷生物力學(xué)[M].曹立波，譯.北京:機(jī)械工程出版社，2012：74-75.

[10]YANG K,BEGEMAN P,MUSER M,et al.On the role of cervical facet joints in rear end impact neck injury mechanisms,SP=1226[C]//SAE970497.1997:127-129.

[11]MERTZ H,PATRICK L.Strength and response of the human neck[C]//Proc.15th Stapp Car Crash Conf.SAE 710855.1971:207-255.

[12]李常青.某車型座椅鞭打性能提升研究[C]//2015年中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)會(huì)議論文集.2015:545-548.

[13]楊運(yùn)生,張曉龍,婁磊.基于臺(tái)車試驗(yàn)的不同國(guó)家鞭打試驗(yàn)評(píng)價(jià)體系的相關(guān)性[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào),2012,3(2):123-128.

[14]婁磊,楊運(yùn)生,張曉龍.鞭打試驗(yàn)在歐洲、日本與中國(guó)[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化,2010(18):37-41.

[15]商恩義,陳現(xiàn)嶺,師玉濤,等.基于假人頭部受力分析的鞭打試驗(yàn)研究[J].汽車技術(shù),2014(4):53-57.

[16]王晉,趙秀強(qiáng),王志濤,等.基于汽車座椅鞭打試驗(yàn)的仿真模型改進(jìn)[J].汽車技術(shù),2015(9):19-22.

[17]凡沙沙.座椅鞭打仿真分析的研究與應(yīng)用[J].企業(yè)科技與發(fā)展,2014(9):21-23.

[18]李鐵柱,魯后國(guó),闞洪貴.基于仿真分析的某座椅鞭打性能改進(jìn)[J].汽車技術(shù),2015(7):14-17.

(責(zé)任編輯 劉 舸)

Analysis and Optimization of Seat in Whiplash Test Based on LS-DYNA

HU Yuan-zhi1,2， HU Yuan-yuan2， LIU Xi2， LIAO Gao-jian2

(1.State Key Laboratory of Vehicle NVH and Safety Technology，Chongqing 400054, China; 2.Key Laboratory of Advanced Manufacture Technology for Automobile Parts, Ministry of Education, Chongqing 400054, China)

According to the C-NCAP(2015) whiplash test assessment rules and scoring criteria, using the BioRID II dummy model, this paper studies the neck injury of the driver in a particular seat whiplash test. Based on the dynamic nonlinear explicit finite element method, the dynamic analysis software LS-Dyna is used for the simulation. According to the requirement of C-NCAP, the finite element model is established, and the simulation and optimization of the whip test are realized. The research results show that the change of the headrest structure, which could reduce both horizontal and vertical distances between the head and headrest, can significantly reduce the severity of neck injury in the test, to achieve the effective optimization of the seat.

C-NCAP; whiplash test; BioRID II dummy; neck injury

2017-04-18

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(51405050); 2015年重慶市重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)共性關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新專項(xiàng)(cstc2015zdcy-ztzx60010); 2015重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(cstc2015jcyjA00048); 2015年重慶市高等教育教學(xué)改革研究資助項(xiàng)目(152032); 2013年重慶市科技人才培養(yǎng)計(jì)劃資助項(xiàng)目(cstc2013kjrc-qnrc60002)； 2012年汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題資助項(xiàng)目(2012KLMT08)

胡遠(yuǎn)志(1977—)，男，博士，教授，巴渝學(xué)者，主要從事汽車主被動(dòng)安全研究，E-mail:yuanzhihu@cqut.edu.cn；通訊作者 劉西(1977—)，女，博士，副教授，主要從事汽車主被動(dòng)安全、人機(jī)工程研究，E-mail：liuxi@cqut.edu.cn。

胡遠(yuǎn)志，胡源源，劉西，等.基于LS-DYNA的某座椅鞭打性能分析和優(yōu)化[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2017(6):8-14.

format：HU Yuan-zhi，HU Yuan-yuan， LIU Xi，et al.Analysis and Optimization of Seat in Whiplash Test Based on LS-DYNA[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(6):8-14.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.06.002

U467.14

A

1674-8425(2017)06-0008-07