基于LS-DYNA駕駛座椅鞭打性能分析及優化

鄭正，盧磊，林慶章

(廣州廣汽優利得汽車內飾系統研發有限公司,廣東廣州 511434)

0 引言

隨著汽車工業的飛速發展和人民生活水平的提高，我國汽車的保有量逐步地增高。在駕駛車輛行駛的過程，車輛之間難免發生事故。據統計，近年來追尾后碰在交通事故中占比逐漸增多[1]。鞭打傷害被認為是車輛在追尾的過程中，座椅靠背對人體軀干產生向前加速度，而頭部在慣性的作用下發生滯后，導致頸部快速向后彎曲發生類似鞭子抽打一樣的動作，導致頸部傷害[2]。頸部傷害并不致命，但是康復周期漫長，過程復雜，甚至是不可治愈的永久傷害。頸部傷害來源歸結于過度的頸部彎曲和伸張超過了頸部生理組織限定的范圍[3]。2012年我國正式將鞭打試驗規程及評價方法納入C-NCAP評價體系。鞭打試驗規程經歷了2015年和2018年的評價方法改版升級。

依據C-NCAP(2018)鞭打試驗規章，以某駕駛座椅為研究對象，利用LS-DYNA軟件仿真分析了在鞭打過程中假人的頸部傷害程度，通過分析優化頭枕桿的位置，減小頭后高度，可改善鞭打試驗中頸部傷害，從而提高座椅鞭打的得分。

1 鞭打試驗簡介

C-NCAP(2018)鞭打試驗規程要求將駕駛座椅依原車結構固定在滑臺上[4]。依照規程的要求，座椅上放置BioRIDII型假人，利用滑臺以(20±1)km/h的速度在特定的加速度波形下，模擬低速后碰試驗。鞭打試驗結果主要是通過7項傷害指標進行評定，包括頸部傷害指數NIC值，上、下頸部剪切力Fx，上、下頸部拉力Fz，上、下頸部扭矩My。各傷害指標的評分細則及C-NCAP(2018)鞭打試驗總體評分原則見表1。

表1 C-NCAP(2018)鞭打試驗總體評分原則

2 試驗結果及分析

按照C-NCAP(2018)鞭打試驗規程進行靜態測量，HRMD裝置測量得到頭后間隙值為7.8 mm，頭枕高度值為1.7 mm。BioRIDII型假人定位的頭后間隙值為21 mm，軀干角為27.1°。依據C-NCAP(2018)鞭打試驗總體評分原則，試驗最終得分為3.805分，試驗結果統計見表2。

表2 鞭打試驗結果統計表

從表2中可以看出，頸部傷害指數NIC值、上頸部扭矩My出現失分，且兩者失分值均約0.6分。結合試驗結果視頻以及試驗后座椅的檢查，分析該駕駛員座椅鞭打試驗失分原因如下：

(1)試驗中，胸部T1加速度在35 ms時刻開始上升且增速較快，而假人頭部與頭枕在54.7 ms時刻接觸，此時頭部加速度開始上升，導致胸部與頭部相對加速度差值較大。同時在頭部加速度上升的過程中，在61 ms時刻下降回落，出現假人頭部與頭枕“二次碰”的現象，進一步使得胸肌與頭部相對運動激烈，導致NIC傷害較大，曲線如圖1所示。由圖1可知，該座椅靠背的剛度較大，靠背對假人的反作用力較大，導致胸部加速度迅速上升。同時，頭枕的剛度和對頭部支撐不足，使得頭部加速度增長較慢。

圖1 頭部加速度，胸部T1加速度及NIC曲線

(2)試驗中，上頸部My的峰值出現在125 ms時刻，此時座椅靠背處于回彈階段曲線如圖2所示。說明頭枕桿上部位置與頭部接觸部位相對靠近假人頭頂，對頭部支撐不足，無法有效阻止假人頭部后移，導致假人上頸部扭矩增加。

圖2 上頸部扭矩曲線

3 鞭打仿真分析及優化

3.1 仿真模型的建立

鞭打模型由座椅、BioRIDII型假人、安全帶以及滑臺4部分組成，如圖3所示。

圖3 座椅鞭打仿真模型

為保證模型的精確度，對座椅模型中的調角器、滑軌、彈簧等進行精細化建模。座椅骨架鈑金采用Shell單元模擬，網格尺寸5 mm，材料類型為MAT98；頭枕、靠背和坐墊泡棉采用四面體Solid單元模擬，單元平均尺寸為15 mm，材料類型為MAT57；彈簧采用BEAM單元模擬，單元尺寸5 mm、材料采用MAT98；電機采用剛體單元模擬。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單元模型，調角器剛度曲線由試驗獲得。

3.2 仿真與試驗對標

依據試驗靜態測量和假人的定位數據，將鞭打模型狀態調整與試驗狀態一致,利用LS-Dyna對仿真模型進行求解。頭部加速度，胸部T1加速度及上頸部My的仿真與試驗曲線對比如圖4所示。從圖中可以看出，仿真輸出的頭部加速度曲線，胸部T1加速度曲線與試驗曲線整體趨勢一致，峰值大小和出現時刻都比較吻合，說明仿真模型是可靠的，可以用于指導后續的座椅結構優化設計。

圖4 試驗與仿真曲線對比

3.3 仿真優化分析及結果

國內外研究表明[5-6]，不同的座椅參數對頸部傷害的影響程度不一樣。耿煥亮[7]探討了座椅結構參數對頸部損傷的影響，研究表明頭枕剛度越大，減小靠背上部和中部剛度，增大靠背下部剛度，有利于減少頸部損傷。

基于研究中的座椅骨架是平臺件，對鞭打試驗中NIC及上頸部扭矩失分情況進行了研究。從設計成本和難易程度等方面考慮，得到該座椅結構的優化方案如下：

(1)調整頭枕桿鎖齒位置，抬高頭枕高度，使得頭后高度由1.7 mm變更到-10 mm，如圖5所示。

圖5 頭枕桿結構優化

(2)調整頭枕桿上端位置，上端桿的位置下移25 mm，如圖5所示。

對優化后的方案進行仿真分析得到計算結果，與優化前的仿真結果對比見表3。

表3 優化前和優化后的仿真結果

優化后，頸部傷害指數NIC、上頸部扭矩明顯改善。鞭打試驗總分由3.73分提升至4.61分，該優化方案后續試驗驗證。

4 結論

基于C-NCAP(2018)鞭打試驗要求建立仿真模型，并進行與試驗對標分析。針對某駕駛座椅在鞭打試驗中出現NIC和上頸部扭矩失分嚴重的現象，提出有效的優化方案。研究結果表明：通過優化頭枕桿的位置，減小頭后高度，可顯著改善鞭打試驗中NIC、上頸部扭矩，減少鞭打試驗中頸部的損傷程度。