揮鞭傷性能驗證噪聲分析

王海華

(延鋒安道拓座椅有限公司，上海 201315)

0 引言

在乘用車行駛過程中，低速追尾碰撞是普遍發生的一種車輛碰撞事故，在此類事故中，乘員頭頸部發生類似于鞭子揮舞的劇烈運動，由此所產生的頸部傷害被稱為“揮鞭傷”。中國于2012年將低速追尾碰撞試驗(Whiplash Test)引入至新車評價規程(C-NCAP,China New Car Assessment Program)，評估座椅對乘員頸部保護的性能。作者根據CNCAP的鞭打試驗評價規程，通過有限元建模分析、臺車物理試驗等方法，研究追尾碰撞試驗中幾個重要噪聲因子對試驗結果的影響，以幫助工程技術人員合理定義座椅防揮鞭傷性能設計目標，并確保在后續新車評價正式試驗中能達到設計目標值。

1 方法

進行因子分析之前，先建立座椅Whiplash仿真分析有限元模型，如圖1所示。

座椅Whiplash仿真分析模型包括座椅金屬骨架網格模型、頭枕與泡沫網格模型、BioRID2生物力學假人模型。其中，金屬骨架網格模型采用殼單元建模，如圖2所示。頭枕與泡沫網格模型采用實體單元建模，在此研究案例中，采用四面體單元，如圖3所示。生物力學假人采用DynaMore公司開發的、BioRID-II v3.6 LS Dyna版本的有限元假人，如圖4所示。

圖1 Whiplash分析模型

圖2 骨架網格 圖3 泡沫網格

圖4 生物力學假人模型

2 參數設定

揮鞭傷分析模型中，泡沫材料的特性至關重要。通過材料試驗，獲得泡沫力學特性，可以有效地提高有限元仿真分析的精度。文中用到的泡沫材料特性曲線如圖5所示。

圖5 泡沫力學特性曲線

其他金屬件材料參數也采用實測材料數據的名義中值曲線。按照以往項目經驗，中值曲線可以更容易和物理試驗取得結果比對的一致性。

生物力學假人參數設定。按照C-NCAP評價規程，先將假人設定至規程規定的參數，即假人軀干角26.5°，假人H點采用理論H點向前20 mm，假人頭部Backset目標值為靜態測量值+15 mm。

模型脈沖加載曲線選用臺車設備實際模擬值，如圖6所示。

圖6 脈沖加載曲線

計算環境采用LS Dyna單精度MPP版本R7.1.2，MPI程序采用Intel MPI 4.1.0.024，16核并行計算，操作系統為CentOS Linux 6.6。

3 模型驗證

表1所示為按照CNCAP 2018版揮鞭傷評價規程的打分對比。圖7—13所示為各傷害值曲線的對比。

表1 某型座椅試驗與仿真Whiplash得分對比

圖7 某型座椅試驗與仿真Whiplash頸部傷害值NIC曲線對比

圖8 某型座椅試驗與仿真Whiplash下頸部剪切力Fx曲線對比

圖9 某型座椅試驗與仿真Whiplash上頸部剪切力Fx曲線對比

圖10 某型座椅試驗與仿真Whiplash下頸部拉力Fz曲線對比

圖11 某型座椅試驗與仿真Whiplash上頸部拉力Fz曲線對比

圖12 某型座椅試驗與仿真Whiplash下頸部力矩My曲線對比

圖13 某型座椅試驗與仿真Whiplash上頸部力矩My曲線對比

4 噪聲因子

通過仿真與臺車物理試驗的對比驗證，獲得了較為準確的有限元分析模型。因此在該仿真模型基礎上，可以開展噪聲因子的影響研究。作者對以下因子進行了研究：

(1)臺車脈沖模擬穩定性對試驗結果的影響。臺車設備因其機械液壓執行系統的響應速度、控制系統中控制算法的魯棒性等因素，每次臺車發射實際擬合的波形或多或少存在著一些偏差。臺車波形存在著以下3大偏差：①最大峰值加速度值；②加速度峰值出現時刻；③最大速度。作者根據歷年臺車試驗實際波形擬合數據，選取了6條曲線，分別是加速度峰值最大與最小、加速度峰值時刻最早和最晚、速度最大和最小。將這6條脈沖曲線，代入同一個計算模型，可以看到脈沖波動對試驗結果的影響，因對其他傷害值沒有任何影響，因此文中僅給出了頸部傷害值NIC和上頸部扭矩My這兩個打分項的對比，如表2所示。通過計算對比可以發現：脈沖波動對試驗結果影響非常小，在實際工程開發中，可以忽略這個噪聲因子的影響。

表2 脈沖對試驗結果影響

(2)生物力學假人設置偏差對試驗結果的影響。在臺車試驗過程中，不可避免會存在生物力學假人擺放位置的偏差。考慮到實際項目中，一般只有頸部傷害值NIC和上頸部力矩這兩項指標會受影響，因此文中也僅針對這兩個評分項。對比研究的結果請參見表3。圍繞H點的位置偏差，以及綜合考慮頭后間隙的允許設置公差，通過對比計算發現：在C-NCAP評價規程允許的公差范圍內，生物力學假人的位置偏差對試驗結果產生的最大分值偏差為0.02、0.05分;但是如果假人設置位置明顯超出了允許偏差后，如頭后間隙偏離目標10及20 mm時，會顯著影響試驗結果0.13、0.2分。

表3 假人設置偏差的影響

同時，采用對同一批次樣品進行重復臺車試驗，可以驗證物理試驗過程的穩定性。文中選取了兩個型號的座椅，進行了試驗過程穩定性的研究。表4及表5所示數據分別為針對2015年版和2018年版評價規程，進行的揮鞭傷性能臺車物理試驗研究。可以看到：對同一生產批次的樣品，同一作業班次的試驗技術員，使用同一個生物力學假人，試驗得分最大值與最小值存在著0.18和0.27分的偏差。這意味著，目前的物理試驗，存在著約5%的測量不確定性。

表4 某型座椅CNCAP 2015版多樣品試驗得分匯總表

表5 某型座椅CNCAP 2018版多樣品試驗得分匯總表

5 結論

通過揮鞭傷仿真分析建模及模型驗證，詳細介紹了揮鞭傷性能驗證過程中，主要噪聲影響因子對試驗結果的影響。應用文中的研究結論，在Whiplash性能開發過程中，合理制定設計目標值與安全裕度，排除一些試驗數據上的干擾因素，對設計方案作出正確的判斷，可縮短產品研發的周期和成本。

參考文獻:

[1]DYNAmore GmgH.BioRID-II LS Dyna v3.6 User’s Manual[M].Germany,2015.

[2]LSTC.LS Dyna R7.1 KEYWORD User’s Manual[M].USA,2014.

[3]中國汽車技術研究中心.C-NCAP管理規則(2018年版)[M].[S.1],2017.