基于DOE的座椅鞭打試驗優化分析

劉高，王敏

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基于DOE的座椅鞭打試驗優化分析

劉高，王敏

（舒茨曼座椅（寧波）有限公司，浙江 寧波 315336）

文章根據2018版C-NCAP低速后碰撞頸部保護試驗（“鞭打試驗”）相關規程，利用Hypermesh軟件建立某整車項目主駕座椅的仿真模型。基于初版分析結果，運用DOE（試驗設計）技術，通過調整座椅的相關設計參數，快速確定座椅結構優化方向，以達到客戶鞭打試驗4.5分需求。

鞭打試驗；仿真；DOE；優化

1 引言

隨著我國汽車行業的高速發展，汽車消費者對汽車安全越來越關注。從2012版C-NCAP新增Whiplash試驗開始，經過2015版和2018版C-NCAP的改版完善，Whiplash試驗表現引起了廣大主機廠的重視，通過優化座椅參數，能有效提高座椅Whiplash得分，進而幫助整車提高C-NCAP安全星級。

2 Whiplash試驗及評分介紹

Whiplash試驗是將試驗車輛駕駛員側座椅及約束系統仿照原車結構，固定安裝在移動滑車上，滑車以速度變化量為（20.0±1.0）km/h 的特定加速度波形發射，模擬后碰撞過程（如圖1 所示）。座椅上放置BioRID II 型假人，通過測量后碰撞過程中頸部受到的傷害情況，用以評價車輛座椅頭枕對乘員頸部的保護效果。

圖1 Whiplash試驗

Whiplash 試驗[1]的加速度波形在0～170ms 的時間范圍中，加速式臺車的速度變化量應控制在ΔV=20±1.0km/h，波形持續時間為ΔT=103±3ms。Whiplash試驗在C-NCAP 中所占分值為5分，其中頭部2分，上下頸部各1.5分，具體評分原則如表1示。

評分以假人傷害指標為基礎，高、低性能限制對應WAD2+傷害風險率為5%和95%，減分項以高速攝像為依據，計算沖擊過程中靠背后仰的最大變化量，此減分目的在于防止對后排乘員造成額外傷害[2]。

表1 鞭打試驗總體評分原則

3 試驗結果分析及優化約束條件

根據座椅建模企業標準及C-NCAP 2018相關要求，搭建了某整車項目主駕座椅Whiplash試驗模型，如圖2所示。

圖2 主駕座椅Whiplash模型

試驗模型主要由滑臺、座椅模型、假人模型、約束系統組成，分析結果見表2。

表2 初版Whiplash試驗分析結果

表2的分析結果顯示：Whiplash試驗得分為3.71，不能滿足客戶Whiplash得分≥4.5分的要求，失分項主要集中在頭部傷害值NIC（1.21&2.0）和上頸部扭矩My（1.0&1.5）。

頭部評價失分主要原因是頭部加速度和上頸部T1加速度不同步（如圖3所示），因為NIC值是關于胸部T1和頭部相對加速度和速度的函數。

NIC=0.2Axrel(t)+[Vxrel(t)]2

其中Axrel(t)=AxT1(t)-AxHead(t)；

要減少NIC失分，可以從兩個方面進行，減少頭后間隙或者延遲胸部接觸時間。而為了滿足造型及客戶對整椅舒適性的需求，頭后間隙及泡沫A面都不能進行改變；延遲胸部接觸時間則可以適當將座椅靠背進行偏轉，同時減小座調角器下部剛度。

圖3 頭部NIC曲線

上頸部評價失分主要是因為在試驗反彈階段上頸部扭矩My偏大（如圖4所示）。要增加上頸部My得分，可以減少頭枕泡沫A面與頭枕桿之間的距離、增加頭枕桿及頭枕桿貼片剛度。根據客戶輸入，頭枕桿A面與頭部接觸區有層10mm厚軟泡沫，因此頭枕泡沫A面與頭枕桿之間距離最少為25mm才能滿足泡沫澆注要求；增加頭枕桿厚度、改變試驗過程中假人頭部接觸部位剛度及接觸位置與頭枕桿上部之間相對距離可以增加頭枕局部剛度。

圖4 上頸部My曲線

4 DOE試驗設計及結果分析

4.1 DOE試驗設計

DOE試驗設計研究的是如何合理安排試驗計劃與分析試驗結果數據的一門學科[3][4]，試驗設計因滿足完全重復性、隨機化、區組化原則。

根據初版試驗結果及相關設計經驗[5][6]，我們設計了5個優化因子，每個因子的優化方案見表3。

表3 試驗優化因子的優化方案

明確優化方向后我們設計了一個L8（4X42）的DOE試驗，試驗因子依次為：調角器下連接板、靠背骨架偏轉、頭枕桿貼板、頭枕桿、頭枕桿相對高度。具體試驗設計安排如表4所示。

表4 DOE試驗設計及結果

注：

因子b-調角器連接板優化方案如圖5所示；

因子d-頭枕桿剛度優化方案如圖6所示；

因子e-頭枕桿高度優化方案如圖6所示；

圖5 調角器下連接板

圖6 頭枕桿上支架

備注：頭枕桿厚度①為1.4mm；②為1.6mm；③為1.8mm；④為2.0mm；

調角器下連接板①為翻邊8mm；②為翻邊5mm+三角形弱化孔，如圖5所示；

靠背骨架偏轉①為向后0.7°偏轉；②為向前0.5°偏轉；

頭枕桿貼板①不增加筋條；②在接觸位置增加橫向筋條，如圖6所示；

頭枕桿相對高度①為向上15mm；②為向下10mm。

4.2 DOE試驗結果分析

DOE試驗結果表明，Whiplash失分項與初版結果表現一致，失分項為頭部NIC和上頸部My，其它考察項均沒有失分。

試驗結果如表3所示，對試驗結果進行簡單處理，其中：

公式中Ki表示因素i的響應值，n表示試驗組數，yi表示因素i的試驗考察值。

試驗結果表明，試驗5、6、7得分分別為4.50、4.57、4.50，已滿足客戶需求對頭部傷害值NIC，試驗組合：頭枕桿1.8mm；調角器下連接板5mm翻邊+三角形弱化孔；靠背向后偏移0.7°；頭枕桿貼板加加強筋；頭枕桿向上15mm,為其最優解；

對上頸部My，試驗組合：頭枕桿2.0mm；調角器下連接板5mm翻邊+三角形弱化孔；靠背向前偏移0.5°；頭枕桿貼板加加強筋；頭枕桿向下10mm,為其最優解；

試驗結果表明，試驗5、6、7得分分別為4.50、4.57、4.50，已滿足客戶需求，可以將頭部傷害值最優解的試驗6作為最終數據。

5 結論與展望

通過試驗找出因子與響應之間的真實關系以便確定最佳的因子水平設置使響應達到最優是DOE試驗設計的根本目的[3]，本文通過DOE試驗設計在Whiplash仿真優化分析中的應用，并結合客戶需求，經過較少的分析（試驗）嘗試，以最小的計算成本，盡可能大的滿足客戶的需求。

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

[2] 吳悅樂,汽車座椅在低速后碰中的模擬研究[J],制造業信息化, 2013(9):105-106.

[3] 歐儉華,QFD與DOE集成應用研究[D],昆明理工大學,2011.

[4] 雷剛,王希杰,張攀,基于DOE的汽車碰撞優化分析[J],重慶理工大學學報(自然科學),2011(2):8-12.

[5] 黃炫,基于C-NCAP鞭打試驗座椅參數對頸部損傷的影響[D],吉林,吉林大學,2012.

Optimization analysis of whiplash test based on DOE technology

Liu Only, Wang Min

( SCI Seating (Ningbo) Co., Ltd., ZheJiang NingBo 315336 )

Based on the related procedures of the neck protection test (Whiplash test) of 2018 version C-NCAP, we establish the simulation mode of the seat by the software of Hypermesh. And use the technology of DOE (Design of experiment) from the results of the initial analysis, by adjusting the related design parameters of the seat, we can find the optimization direction as quickly as possible, and then achieve the customer requirement of 4.5piont of whiplash.

Whiplash; Simulation; DOE; Optimization

U463.8

A

1671-7988(2019)09-146-03

U463.8

A

1671-7988(2019)09-146-03

劉高，就職于舒茨曼座椅（寧波）有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.09.047