主動(dòng)式安全頭枕的開發(fā)與仿真研究*

曹立波，李正坤，龔永堅(jiān)

(1.湖南大學(xué)，汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410082; 2.金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院，金華 321007)

前言

追尾碰撞是發(fā)生率僅次于正面碰撞和側(cè)面碰撞的主要交通事故形態(tài)，雖然追尾碰撞不像正面碰撞容易對(duì)乘員造成嚴(yán)重傷害，但卻易于導(dǎo)致乘員發(fā)生包括頸部損傷在內(nèi)的各種可持續(xù)影響受害者一生的損傷，從而造成巨大的社會(huì)醫(yī)療支出［1］。座椅頭枕是一種保護(hù)頸部和降低頭部與胸部相對(duì)運(yùn)動(dòng)的裝置。研究表明，由于考慮乘員舒適性和側(cè)面視野等因素，普通頭枕只能起到13% ～18%的頸部防護(hù)效果［2］。

法規(guī)對(duì)安全性的要求已經(jīng)促使傳統(tǒng)頭枕的設(shè)計(jì)越來越靠近乘員頭部，但基于安全性設(shè)計(jì)的頭枕會(huì)影響到乘員舒適性和側(cè)面視野［3］。因此，設(shè)計(jì)一種既不影響乘員舒適性和視野，又能在追尾碰撞時(shí)靠近乘員頭部的頭枕裝置成為一種迫切的需求。目前，常見的安全頭枕有:純機(jī)械式的頭枕裝置，借助乘員身體的力量觸發(fā)頭枕，使得頭枕靠近乘員頭部，但在使用中存在容易誤觸發(fā)、對(duì)身高較低的乘員不觸發(fā)和響應(yīng)滯后的問題［4］;預(yù)響應(yīng)式頭枕，通過毫米波雷達(dá)測(cè)速和測(cè)距，能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)追尾碰撞的發(fā)生，提供對(duì)乘員頸部的有效保護(hù)，但由于成本高，主要用于中高檔車輛，難以普及;碰撞響應(yīng)式頭枕，由傳感器控制，電磁鐵觸發(fā)，響應(yīng)準(zhǔn)確迅速，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

本文中提出了一種基于碰撞加速度信號(hào)控制的主動(dòng)式安全頭枕，它能準(zhǔn)確判斷追尾碰撞的發(fā)生，并及時(shí)有效地將頭枕靠近乘員頭部，建立了相應(yīng)的座椅有限元與BioRIDII假人耦合計(jì)算模型，對(duì)該頭枕的保護(hù)效果進(jìn)行了仿真研究。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該主動(dòng)式安全頭枕主要由固定部分和可動(dòng)部分組成。按功能細(xì)分為感知控制模塊、觸發(fā)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可動(dòng)部分通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)與固定部分相連。頭枕包括收攏和展開兩種工作狀態(tài)，平時(shí)為收攏狀態(tài)，當(dāng)追尾碰撞發(fā)生時(shí)，頭枕快速展開，向前、向上移動(dòng)，以保護(hù)乘員，頭枕兩種狀態(tài)示意圖如圖1所示。頭枕結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.1 感知控制模塊

為能快速準(zhǔn)確地判斷追尾碰撞的發(fā)生，主動(dòng)式安全頭枕采用加速度傳感器實(shí)時(shí)采集車輛加速度信息，并以此判斷追尾碰撞是否發(fā)生和碰撞強(qiáng)度，如果碰撞強(qiáng)度達(dá)到觸發(fā)閾值，則系統(tǒng)將頭枕解鎖。

1.2 觸發(fā)機(jī)構(gòu)

為使頭枕可動(dòng)部分能在追尾碰撞發(fā)生后及時(shí)快速地展開，采用電磁鐵觸發(fā)，如圖2所示，可動(dòng)部分平時(shí)通過滑桿卡在從動(dòng)臂的滑槽內(nèi)，使頭枕處于收攏和鎖止?fàn)顟B(tài);當(dāng)追尾碰撞發(fā)生后，控制系統(tǒng)判斷追尾碰撞發(fā)生，發(fā)送信號(hào)給電磁鐵，電磁鐵帶動(dòng)滑桿從滑槽中滑出，釋放頭枕可動(dòng)部分，在10ms內(nèi)完成頭枕的釋放動(dòng)作。

1.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

為使頭枕快速完成向上向前的運(yùn)動(dòng)，采用平行連桿機(jī)構(gòu)，利用拉簧提供動(dòng)力。如圖2所示，在追尾碰撞發(fā)生后，電磁鐵觸發(fā)機(jī)構(gòu)解除頭枕鎖止?fàn)顟B(tài)，頭枕可動(dòng)部分在拉簧回復(fù)力的作用下，快速靠近乘員頭部;該機(jī)構(gòu)還具有限位機(jī)構(gòu)，使得頭枕展開到預(yù)定位置后鎖止，不會(huì)在頭部沖擊力的作用下向后運(yùn)動(dòng)。頭枕展開以完成頸部保護(hù)功能后，可方便地手動(dòng)復(fù)位。

對(duì)主動(dòng)式安全頭枕進(jìn)行樣件試制，利用高速攝像儀對(duì)樣件展開動(dòng)作進(jìn)行記錄，結(jié)果如圖3所示。由圖可見，該試制樣件展開動(dòng)作控制在30ms內(nèi)，能夠保證頭枕的快速展開，從而為乘員頸部提供有效的保護(hù)。

2 仿真研究

采用有限元軟件LS-DYNA和多剛體軟件MADYMO建立座椅有限元與BioRIDII有限元假人耦合計(jì)算模型，使用耦合計(jì)算的方法進(jìn)行仿真分析。

LS-DYNA與MADYMO耦合計(jì)算方法結(jié)合了兩個(gè)軟件的各自優(yōu)勢(shì)［5］:LS-DYNA能準(zhǔn)確模擬座椅結(jié)構(gòu)變形;MADYMO假人數(shù)據(jù)庫中BioRIDII假人的計(jì)算精度和效率高，數(shù)值穩(wěn)定性好。在耦合計(jì)算過程中，LS-DYNA與MADYMO求解器分別計(jì)算出座椅結(jié)構(gòu)變形和乘員動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交互，相互之間傳遞接觸力和結(jié)構(gòu)變形位置，耦合計(jì)算方法原理如圖4所示。

2.1 座椅有限元模型的建立和驗(yàn)證

利用 Hypermesh軟件構(gòu)建某車型駕駛員座椅，包括骨架總成、頭枕和坐墊等完整的有限元模型，如圖5所示，該座椅有限元模型共計(jì)102 785個(gè)單元，其中殼單元44 830個(gè)，實(shí)體單元56 442個(gè)，梁?jiǎn)卧?676個(gè)，RBE2單元837個(gè)。

使用質(zhì)量 5.825kg、直徑165mm的剛性擺錘以4m/s的水平速度沖擊頭枕對(duì)座椅有限元模型的有效性進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，輸出擺錘的加速度曲線對(duì)比。驗(yàn)證試驗(yàn)和仿真模型分別如圖6和圖7所示，圖8為試驗(yàn)和仿真得到的擺錘加速度曲線。由圖可見:仿真結(jié)果在峰值及峰值時(shí)刻與試驗(yàn)結(jié)果存在一定的差異，但誤差控制在10%以內(nèi)，且兩條曲線的趨勢(shì)基本一致。因此座椅的有限元模型是有效的，可用于后續(xù)的研究。

2.2 追尾碰撞試驗(yàn)方法

按照C-NCAP法規(guī)中的追尾碰撞試驗(yàn)方法，根據(jù)原車結(jié)構(gòu)將座椅和約束系統(tǒng)固定安裝在臺(tái)車上，座椅上放置BioRIDII型假人，臺(tái)車速度控制在Δv=15.65±0.8km/h，加速度波形按照C-NCAP要求加載，加速度峰值為10.0g，在0～150ms時(shí)間范圍內(nèi)準(zhǔn)確控制以滿足試驗(yàn)要求。

頸部評(píng)價(jià)指標(biāo)分為兩組。一組為通過頭部加速度和胸部加速度計(jì)算出的頸部傷害指數(shù)NIC;頸部傷害指數(shù)NIC是枕骨鉸鏈相對(duì)于第一胸椎骨T1的水平加速度和速度的相對(duì)值。

另一組為頸部載荷，包括頸部上(第一頸椎骨C1)剪切力Fx、拉力Fz和扭矩My以及頸部下(T1)剪切力Fx、拉力Fz和扭矩My。

2.3 追尾碰撞的仿真研究

按照C-NCAP追尾碰撞試驗(yàn)方法，采用上述座椅有限元模型進(jìn)行追尾碰撞仿真分析，碰撞加速度按照法規(guī)要求，反向加載在BioRIDII假人身上，座椅有限元和BioRIDII有限元假人耦合計(jì)算模型如圖9所示。分別對(duì)乘員使用原結(jié)構(gòu)座椅和安裝主動(dòng)式安全頭枕座椅進(jìn)行仿真分析。

原結(jié)構(gòu)座椅和裝有主動(dòng)式安全頭枕的座椅頭枕展開后的靜態(tài)尺寸如表1所示，其中頭后間隙和頭枕高度的定義如圖10所示。該主動(dòng)式頭枕展開后使得頭枕升高32mm，頭后間隙減小38mm。

表1 座椅靜態(tài)尺寸 mm

圖11為乘員分別使用原結(jié)構(gòu)座椅與裝有主動(dòng)式安全頭枕座椅時(shí)的頭部和T1加速度對(duì)比。在使用原座椅的情況下，在追尾碰撞發(fā)生35ms時(shí)，胸部開始承受向前的加速度，頭部由于沒有支撐，不承受向前的加速度，頭部和胸部開始產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，到75ms時(shí)，頭部與頭枕開始接觸，頭部加速度迅速上升，80ms時(shí)刻，胸部完全陷入靠背中，胸部加速度達(dá)到峰值15g。此后，胸部加速度開始下降，92ms時(shí)刻，頭部加速度達(dá)到30g的峰值，隨后頭部加速度開始下降，123ms時(shí)刻，頭部與頭枕分開，頭部加速度降為0，頭部與頭枕接觸時(shí)間為48ms。使用主動(dòng)式安全頭枕時(shí)，在65ms時(shí)刻，頭部就已經(jīng)開始與頭枕接觸，頭部加速度提前上升，使得第一階段頭部和胸部的相對(duì)運(yùn)動(dòng)減小，頭部加速度在100ms時(shí)達(dá)到峰值20g，頭部與頭枕接觸時(shí)間增加至65ms。

圖12為乘員分別使用原結(jié)構(gòu)座椅與裝有主動(dòng)式安全頭枕座椅時(shí)的頸部傷害指數(shù)對(duì)比。乘員使用原結(jié)構(gòu)座椅時(shí)的頸部損傷指數(shù)NIC峰值發(fā)生在78ms，大小為33.4m2/s2;使用裝有主動(dòng)式安全頭枕座椅時(shí)的頸部損傷指數(shù)NIC峰值發(fā)生在70ms，峰值為22.1m2/s2。研究表明:NIC值越大，脊髓神經(jīng)根受刺激導(dǎo)致神經(jīng)元細(xì)胞膜功能受到損傷的幾率越大;NIC峰值達(dá)到15m2/s2時(shí)，頸部會(huì)有50%的損傷風(fēng)險(xiǎn);NIC峰值達(dá)到32m2/s2時(shí)，頸部會(huì)有100%的損傷風(fēng)險(xiǎn)［6］。而C-NCAP法規(guī)要求的NIC低性能限值為30m2/s2。因此，原結(jié)構(gòu)座椅在追尾碰撞中會(huì)使乘員頸部受到損傷，起不到應(yīng)有的保護(hù)效果。而乘員使用主動(dòng)式安全頭枕時(shí)的頸部損傷指數(shù)NIC值相比原結(jié)構(gòu)降低了33.8%，顯著降低了頸部損傷風(fēng)險(xiǎn)，并且滿足C-NCAP法規(guī)要求。

表2列出了追尾碰撞中的評(píng)價(jià)指標(biāo)的性能閾值和乘員使用原結(jié)構(gòu)座椅與安裝主動(dòng)式安全頭枕座椅時(shí)的乘員響應(yīng)參數(shù)。由表可見:使用原結(jié)構(gòu)座椅時(shí)的損傷參數(shù)除了上頸部剪切力外均超過了低性能限值，對(duì)乘員頸部的保護(hù)性能欠佳;而采用主動(dòng)式安全頭枕后，乘員頸部損傷指數(shù)NIC和頸部載荷均有所降低，并且顯著優(yōu)于C－NCAP法規(guī)的低性能限值，說明主動(dòng)式安全頭枕能有效地降低乘員頸部損傷，起到保護(hù)乘員頸部的作用。

表2 追尾碰撞中乘員響應(yīng)峰值

2.4 主動(dòng)式頭枕設(shè)計(jì)參數(shù)的仿真研究

為了更好地了解頭枕展開位置對(duì)乘員追尾碰撞動(dòng)力學(xué)響應(yīng)和頸部損傷的影響，為優(yōu)化硬件設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)，提高汽車追尾碰撞頸部損傷的防護(hù)性能，在上述研究的基礎(chǔ)上，以頸部損傷指數(shù)NIC作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)主動(dòng)式頭枕的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行研究。

調(diào)整主動(dòng)式頭枕展開位置進(jìn)行追尾碰撞仿真分析。取主動(dòng)頭枕未展開、展開至中間位置和完全展開3種情況進(jìn)行分析，仿真結(jié)果如圖13所示。由圖可見:追尾碰撞中主動(dòng)式頭枕展開位置不同對(duì)頸部損傷有很大影響;頭枕完全展開時(shí)，在70ms時(shí)刻N(yùn)IC就已經(jīng)達(dá)到峰值22.1m2/s2;頭枕展開到中間位置時(shí)，76ms時(shí)達(dá)到NIC峰值28.5m2/s2;頭枕未展開時(shí)，82ms時(shí)才達(dá)到 NIC峰值38.3m2/s2。NIC峰值的出現(xiàn)時(shí)刻與頭枕接觸時(shí)刻一致，說明頭枕越靠近乘員頭部，頭部與頭枕接觸越早，乘員頸部損傷越小。由于頭枕展開位置確定須綜合考慮座椅種類，展開時(shí)間等因素，具體頭枕展開位置的確定有待進(jìn)一步研究。

3 結(jié)論

開發(fā)了一種基于碰撞加速度信號(hào)控制的主動(dòng)式安全頭枕，能夠在追尾碰撞發(fā)生后60ms內(nèi)展開，使頭枕前移32mm，上移38mm。該頭枕裝置展開后，可通過手動(dòng)方便地復(fù)位。建立了座椅有限元和BioRIDII假人的耦合計(jì)算模型，并根據(jù)C－NCAP法規(guī)追尾碰撞試驗(yàn)方法對(duì)未安裝和安裝主動(dòng)式安全頭枕的兩種座椅進(jìn)行了仿真研究。通過與乘員使用原座椅結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果對(duì)比可知，該主動(dòng)式安全頭枕使乘員在追尾碰撞中頸部損傷指數(shù)NIC降低33.8%，可顯著降低頸部損傷，對(duì)乘員頸部有明顯的保護(hù)作用。同時(shí)，通過對(duì)主動(dòng)式頭枕設(shè)計(jì)參數(shù)研究發(fā)現(xiàn)，隨著頭后間隙的減小與頭枕高度的增加，主動(dòng)式頭枕具有更好的頸部保護(hù)效果，對(duì)頭枕的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

［1］Gerald Locke，Eric Veine，Andrew Merkle，et al.Influence of Seatback Content and Deflection on FMVSS 202a Dynamic Response［C］.21stESV Conference，Paper No.09 －0324.

［2］Brian D Stemper，Narayan Yoganandan，F(xiàn)rank A Pintar.Effect of Head Restraint Backset on Head－Neck Kinematics in Whiplash［J］.Accident Analysis and Prevention，2006，38:317 －323.

［3］Sawada M Hasegawa.Development of New Whiplash Prevention Seat［C］.19thESV Conference，Paper No.05 －0288.

［4］Anders Kullgren，Anders Lie，Claes Tingvall.The Effect of Whiplash Protection Systems in Real－Life Crashes and Their Correlation to Consumer Crash Test Programmes［C］.Paper No:07 －0468.

［5］Prabhu Setru，Jiri Kral，Swarna Rajeswaran.IIHS Side Impact U－sing DYNA－MADYMO Coupling［C］.8thInternational LS－DYNA Users Conference.2004:47－54.

［6］Kullgren A，Eriksson L，Bostr?m O，et al.Validation of Neck Injury Criteria Using Reconstructed Real－Life Rear－End Crashes With Recorded Crash Pulses［C］.18thInternational Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles(ESV)，2003，Paper No.1－14.