基于仿真的鞭打試驗影響因素分析

2020-01-04 02:59:28陳長亮董玉德李龍慶

汽車工程 2019年12期

關鍵詞：影響

陳長亮，董玉德，陳超，李龍慶

（1.合肥工業大學機械工程學院，合肥 230009； 2.中國汽車技術研究中心，天津 300300；3.蕪湖瑞泰汽車零部件有限公司，蕪湖 241000）

前言

汽車事故中追尾事故約占全部事故的30%［1-4］，是一種常見的交通事故［5］。人體頸部屬于相對脆弱的部位［6］，在追尾事故中頸部傷害［7］較為常見，在汽車追尾事故中，人體頸部受到傷害的風險占70%以上［8-9］。頸部傷害又稱揮鞭傷，是交通事故中最為嚴重的次要性傷害，雖不致死，但其潛伏期及治療期長、并發癥多，嚴重影響患者的日常生活［10］，為降低這種受傷的風險，C-NCAP（China-new car assessment program）在2012年版管理規則中正式引入了鞭打試驗［11-14］，并從2012年7月開始正式實施，以鞭打試驗來檢驗汽車座椅對頭部和頸部的保護性能。

在座椅設計階段即可考慮汽車座椅揮鞭傷性能，但影響座椅揮鞭傷性能的因素很多，須有針對性地提取出對揮鞭傷影響較為明顯的幾個因素進行分析。但多因素分析需要開展多輪次試驗，不僅試驗（包括耗材）費用非常昂貴，試驗周期也長，因此，須通過仿真分析來解決問題。首要任務是驗證基礎仿真模型的準確性，在確保基礎模型計算可行的前提下，采用仿真對這些主要影響因素進行分析，找出這些因素對汽車座椅揮鞭傷的影響規律，以便在座椅開發過程中對這些因素進行考慮。

1 揮鞭傷CAE分析與試驗對比

運用有限元前處理軟件建立的鞭打分析模型如圖1所示。

按照鞭打試驗規程要求進行鞭打試驗。仿真模型與實際試驗的假人姿態盡可能保持一致，如圖2所示。

圖1 有限元模型

圖2 試驗模型

經多次修正基礎模型后，計算獲得的頸部傷害指數（NIC）與實際物理試驗的測量曲線基本一致，如圖3所示。

圖3 NIC對比

上頸部正向剪切力FUx、上頸部正向拉力FUz、上頸部扭矩MUy、下頸部正向剪切力FLx、下頸部正向拉力FLz和下頸部扭矩MLy的CAE分析與試驗結果的對比分別如圖4～圖9所示。

圖4 上頸部F U x對比

圖5 上頸部F U z對比

圖6 上頸部扭矩M U y對比

圖7 下頸部正向剪切力F L x對比

圖8 下頸部正向拉力F L z對比

圖9 下頸部扭矩M L y對比

假人頭部與頭枕接觸歷程的CAE分析與試驗結果的對比如圖10所示。

表1為各損傷指標CAE與試驗結果絕對值峰值的的對比。

圖10 假人頭部與頭枕接觸歷程

表1 CAE與試驗結果絕對峰值的對比

由于試驗座椅及假人模型無法在CAE中精準模擬，會造成仿真結果與試驗結果存在差異。但從CAE和試驗對比來看，趨勢基本一致，故可認為采用CAE手段來研究關鍵因素的影響是可行的。

2 座椅各因素對頸部傷害的影響分析

2.1 座椅靠背剛度及其轉動剛度對頸部傷害的影響

把骨架鋼絲、靠背發泡和包覆面套的整體抗變形能力稱為靠背剛度，用Ka表示。把靠背骨架和調角器抗轉動變形（轉動圓心為調角器中心）的能力稱為靠背轉動剛度，用Kb表示。把靠背剛度劃分為4個等級，分別為1，2，3，4，代表靠背剛度在工程實際范圍內按照一定規律依次升高；將靠背轉動剛度劃分為4個等級，分別為10，15，20，25，代表靠背轉動剛度在工程實際范圍內按照一定規律依次升高。兩組等級組合成16個方案，通過計算16個方案的仿真結果，研究靠背對頸部損傷的影響，結果見表2。

由表可見，僅有NIC和上頸部扭矩MUy失分（評分規則參見《C-NCAP管理規則（2015版）》），其余指標均不失分，因此僅對NIC和MUy兩項結果進行研究。把靠背剛度和靠背轉動剛度對NIC的影響制作成三維曲面，如圖11所示。由圖可見，靠背剛度越小和靠背轉動剛度越大，則NIC值越小，其中靠背剛度對NIC數值影響較為明顯。

表2 不同靠背剛度和靠背轉動剛度仿真結果

圖11 靠背剛度和靠背轉動剛度對NIC的影響

把靠背剛度和靠背轉動剛度對MUy的影響制作成三維曲面，如圖12所示。由圖可見，靠背剛度越小，MUy值就越小，靠背轉動剛度對MUy影響較小。

2.2 座椅頭枕剛度及其轉動剛度對頸部傷害的影響

圖12 靠背剛度和靠背轉動剛度對M U y的影響

把頭枕相對靠背抗轉動變形的能力稱為頭枕轉動剛度，用Kc表示。將頭枕轉動剛度劃分為4個等級，分別為1，2，4，8，代表頭枕轉動剛度在工程實際范圍內按照一定規律依次升高；同時考察頭枕軟硬程度對頭部運動產生的影響，把這種頭枕抗變形能力稱為頭枕剛度，用Kd來表示，將頭枕剛度劃分為4個等級，分別為10，20，40，80，代表頭枕剛度在工程實際范圍內按照一定規律依次升高。兩組等級組合成16個方案，通過16個方案的仿真，研究頭枕剛度和頭枕轉動剛度對頸部損傷的影響，結果見表3。

表3 不同頭枕剛度和頭枕轉動剛度仿真結果

由表可見，僅有NIC、上頸部正向剪切力FUz＋和上頸部扭矩MUy失分（評分規則參見《C-NCAP管理規則（2015版）》），其余指標均不失分，因此僅對NIC，FUz＋和MUy3項結果進行研究。

把頭枕剛度和頭枕轉動剛度對NIC的影響制作成三維曲面，如圖13所示。由圖可見，頭枕轉動剛度越大，則NIC值越小，而頭枕剛度對NIC數值影響較小。

圖13 頭枕剛度和頭枕轉動剛度對NIC的影響

把頭枕剛度和頭枕轉動剛度對FUz＋的影響制作成三維曲面，如圖14所示。由圖可見，頭枕剛度和頭枕轉動剛度越大，則FUz＋值越小，其中頭枕轉動剛度對FUz＋影響更明顯（在兩個因素按照設定的遞增規律條件下）。

圖14 頭枕剛度和頭枕轉動剛度對F U z＋的影響

把頭枕剛度和頭枕轉動剛度對MUy的影響制作成三維曲面，如圖15所示。由圖可見，頭枕剛度和頭枕轉動剛度越大，則MUy值越小，其中頭枕轉動剛度對MUy影響更明顯（在兩個因素按照設定的遞增規律條件下）。

2.3 座椅頭枕位置對頸部傷害的影響

圖15 頭枕剛度和頭枕轉動剛度對M U y的影響

把頭枕相對假人頭型的最小水平距離稱為頭后間隙，用X表示。將頭后間隙劃分為4個等級，分別為0，10，20，30，代表頭后間隙在工程實際范圍內按照一定規律依次增加；再把頭枕頂端相對假人頭部頂端的垂向距離稱為頭頂高，用Z表示。將頭頂高劃分為4個等級，分別為-10，0，10，20，代表頭部頂端相對頭枕頂端在工程實際范圍內按照一定規律依次升高。兩組等級組合成16個方案，通過計算16個方案的仿真結果，研究頭枕位置對頸部損傷的影響，計算結果見表4。

由表可見，FLz＋和MLy的結果不失分（評分規則請見《C-NCAP管理規則（2015版）》），無需研究。因此僅對NIC，FUx＋，FUz＋，MUy和FLx＋結果進行分析。

把頭后間隙及頭頂高對NIC的影響制作成三維曲面，如圖16所示。由圖可見，頭頂高越小（頭枕越高）和頭后間隙越小，則NIC值越小。

把頭后間隙及頭頂高對FUx＋的影響制作成三維曲面，如圖17所示。由圖可見，頭頂高越小（頭枕越高）和頭后間隙越小，則FUx＋值越小。

把頭后間隙和頭頂高對FUz＋的影響制作成三維曲面，如圖18所示。由圖可見，頭頂高越小（頭枕越高）和頭后間隙越小，FUz＋值越小。

把頭后間隙和頭頂高對MUy的影響制作成三維曲面，如圖19所示。由圖可見，頭頂高越小（頭枕越高）和頭后間隙越小，則MUy值越小。

把頭后間隙和頭頂高對FLx＋的影響制作成三維曲面，如圖20所示。由圖可見，頭頂高越小（頭枕越高）和頭后間隙越小，則FLx＋值越小。