基于汽車座椅鞭打試驗的仿真模型改進

王晉 趙秀強 王志濤 梁宇 喬鑫

（華晨汽車工程研究院）

基于汽車座椅鞭打試驗的仿真模型改進

王晉 趙秀強 王志濤 梁宇 喬鑫

（華晨汽車工程研究院）

某項目初始狀態下的汽車座椅鞭打仿真結果與試驗結果相比存在較大誤差，主要體現在NIC（頸部傷害指數）和上頸部扭矩這2項指標上。通過對假人頸部傷害機理和鞭打試驗數據的分析，發現假人的坐姿、座椅的試驗狀態（座墊高度調節裝置）和座椅發泡蒙皮的光滑程度對鞭打仿真試驗結果影響較大。針對上述因素對座椅鞭打仿真模型進行了調整，模型調整后的仿真計算結果與試驗結果一致性較好。

1 前言

據統計，汽車追尾事故占交通事故的30%左右，追尾事故所造成的人員傷亡占總損傷的60%[1]。汽車發生追尾時，前車會受到向前的加速度，座椅推動乘員的軀干向前運動，而頭部因慣性作用相對滯后，乘員頭部向后轉動從而造成頸部受傷，這類傷害稱之為“揮鞭傷”。為了降低這種受傷風險，2012年7月我國將鞭打試驗正式引入C-NCAP評價體系來考核低速后碰撞頸部保護能力[2]。

目前，各主機廠將頸部保護引入到座椅開發中。隨著CAE技術的發展，在座椅開發初期，廠商會按照鞭打試驗要求對假人的頸部傷害進行數次的仿真分析。然而因仿真分析時還未進行鞭打試驗，座椅實際狀態還未確定，所以這種分析結果與試驗結果存在一定誤差。為此，本文通過對試驗數據的分析，找到了導致該誤差的原因，并對鞭打仿真模型進行了改進，提高了鞭打仿真結果與試驗結果的吻合度。

2 鞭打試驗結果分析

2.1 鞭打試驗

鞭打試驗的具體方法為，將座椅及約束系統仿照原車結構固定在移動滑車上，滑車以速度變化量為15.65 km/h的特定加速度波形發射，模擬后碰撞過程。座椅上放置BioRIDII型假人，用以測量后碰撞過程中頸部受到傷害的水平[3]。

鞭打試驗根據測得的BioRIDII型假人頸部傷害值進行評分。在2015版C-NCAP中，鞭打試驗總分為4分，其中NIC的評分為2分，占總得分權重的50%，上頸部載荷和下頸部載荷的評分各占1分。

2.2 鞭打仿真結果與試驗結果誤差分析

某次，鞭打試驗得分為3.78分，而鞭打仿真得分僅為2.26分，得分誤差主要體現在NIC和上頸部扭矩這2項指標。其中，鞭打試驗的NIC最大值為10.44，鞭打仿真的NIC最大值為16.30，折算得分相差0.543分；鞭打試驗上頸部扭矩最大值為11.8 N·m，鞭打仿真的上頸部扭矩最大值為38.5 N·m，折算得分相差0.946分。

NIC可以定義為枕骨鉸鏈相對于T1（第1根胸椎）的水平加速度和速度的絕對值：

枕骨鉸鏈相對于T1的水平速度為對其相對加速度的積分，因此，NIC主要考察T1與頭部的相對加速度，即T1與頭部的相對運動趨勢。如果頭部與T1相對運動越同步，NIC值就越低。在座椅頭枕剛度和靠背剛度確定的情況下，頭后間隙大小會影響T1與頭部的運動同步情況。

由于仿真假人與試驗假人坐姿及位置存在誤差（仿真假人的H點和骨盆角按照理論位置擺放），導致仿真假人頭后間隙比試驗測量值大，同時，座椅靠背模型剛度比試驗座椅大，這使得仿真假人的T1與頭部運動同步性比試驗差（頭接觸頭枕時刻比試驗晚），最終導致鞭打仿真的NIC值比鞭打試驗的NIC值大。

本次鞭打試驗所用的座椅帶有座墊高度調節功能，整個座墊的調高結構可以看作是“四桿機構”。圖1為座墊高度調節機構示意圖。試驗中座椅座墊高度由于四連桿轉動產生下沉現象，因座墊下沉發生在頭部與頭枕接觸之后，對頭部和軀干的運動起到了緩沖作用，所以會降低上頸部扭矩。然而在搭建仿真模型時，由于沒有座椅座墊角度調節機構的剛度參數，故臨時將四連桿鉸鏈的自由度全部約束。這種處理方式產生的結果是：假人接觸座椅后，座椅靠背將假人軀干約束住，而假人頭部會因為頭枕的變形仍有一個向后移動的趨勢，使得假人頸部產生一個扭曲，最終導致上頸部扭矩增加。

圖2為鞭打仿真與鞭打試驗進行至108 ms時假人頸部扭曲情況對比，由圖2可看出，鞭打仿真時假人頭部完全被頭枕約束，頸部有明顯的扭曲；盡管鞭打試驗假人頭頂明顯高于頭枕上頂面，但頭枕仍對頭部起到支撐作用，故鞭打試驗假人頸部無明顯扭曲。

3 鞭打仿真模型的調整

通過對鞭打試驗結果分析可知，假人頭后間隙（假人的坐姿）和座椅實際狀態（座椅的動態變化）對假人的頸部傷害影響較大，為此對鞭打仿真模型進行了調整。

3.1 按照試驗位置調整假人坐姿

在調整假人坐姿前，先確認座椅位置狀態與鞭打試驗位置狀態是否一致，包括座椅頭枕高度、座椅滑軌前后位置、座椅座墊高度和頭枕桿角度等，其中座椅滑軌前后位置和頭枕桿角度可決定假人的頭后間隙。座椅位置狀態確定后，再對假人位置按照試驗狀態進行調節，主要包括H點位置和骨盆角，這2個參數可確定假人的頭后間隙和頭枕高度。調整后的假人位置如圖3所示。假人坐姿按照試驗狀態調整后的仿真計算結果如表1所列。

由表1可知，假人坐姿調整后，鞭打仿真的NIC值由16.3降為11.8，上頸部扭矩由38.5 N·m降到32.6 N·m，鞭打得分已由2.26分提高到2.92分，增加了0.66分。其中NIC單項得分由1.25分提高到1.66分，增加了0.41分；上頸部扭矩單項得分由0.054分提高到0.26分，增加了0.206分。所以，通過對假人頭后間隙的調整，假人的NIC值和上頸部扭矩都得到了提高。但NIC得分提高明顯，上頸部扭矩得分提高較低，這說明假人頭后間隙大小對NIC值有直接影響，而對上頸部扭矩影響有限。

3.2 調整座椅的實際狀態

由于座椅座墊帶有調高機構，初始仿真時座墊調高機構（四連桿）鉸鏈臨時設置為鎖死狀態，而試驗過程中，座墊調高機構鉸鏈的轉動導致座墊下沉，故將座椅模型的調高機構鉸鏈自由度放開。因暫不清楚鉸鏈剛度，故放開所有自由度，此次調整主要考察鉸鏈放開對上頸部扭矩的影響。座椅調高機構鉸鏈自由度如圖4所示，表2為座椅狀態調整后鞭打仿真得分情況。

表2 鞭打仿真計算結果（考慮假人坐姿和座椅狀態）

由表2可知，座墊調高機構鉸鏈自由度放開后，鞭打得分由2.92分增加到3.43分。其中上頸部扭矩改善很多，由32.6 N·m降低到21.2 N·m，單項得分由0.26分增加到0.67分；NIC得分也略有增加，由1.66分增加到1.76分。故座椅座墊鉸鏈自由度放開后，對上頸部扭矩影響很大。

盡管上頸部扭矩已得到明顯改善，但距試驗值（11.8 N·m）仍有很大差距。從仿真動畫中可知，假人模型頸部在100～130 ms內仍有扭曲現象，而試驗假人在該時間段內頸部基本無扭曲，這從側面驗證了試驗假人上頸部扭矩比仿真值小。另外，從試驗錄像可看出，試驗假人在整個試驗過程中明顯有一個向上滑行的趨勢，而仿真動畫中假人向上滑行的趨勢不明顯。圖5為鞭打仿真與鞭打試驗時假人頭部相對位置對比（假人頭部即將離開座椅頭枕瞬間），由圖5可看出，試驗假人頭部比頭枕頂部高出很多。

從上述現象可初步判斷假人與座椅之間的摩擦因數直接影響假人的滑移量，這說明仿真模型中假人與座椅的摩擦因數比試驗時摩擦因數大。

3.3 調整假人與座椅間的摩擦因數

座椅與假人的摩擦因數主要由座椅發泡蒙皮材質特性決定，因在沒有座椅樣件的情況下很難確認摩擦因數，所以仿真時只能參考以前對標模型的參數。在前述的仿真模型基礎上，將假人與座椅的摩擦因數減小，再次進行仿真計算。圖6和圖7為降低摩擦因數后假人運動姿態對比結果，可看出，仿真假人的運動姿態與試驗假人的運動姿態基本一致。圖8為降低摩擦因數后假人頭部高度對比，由圖8可看出，盡管仿真假人頭部高度略低于試驗假人，但它已與試驗假人頭部高度基本接近。圖9為降低摩擦因數后NIC和上頸部扭矩對比結果，由圖9可看出，仿真曲線趨勢與試驗曲線趨勢基本一致。

由上述分析可知，通過降低座椅與假人的摩擦因數，上頸部扭矩峰值由21.2 N·m降到10.2 N·m，與試驗峰值11.8基本接近，NIC由10.6降到10.44。這說明假人與座椅的摩擦對上頸部扭矩影響較大，而對NIC影響有限。

4 結束語

針對某座椅鞭打仿真結果與試驗結果差異較大的問題，對該座椅鞭打試驗數據進行了分析。分析結果表明，假人與座椅的相對位置、座椅的狀態及假人與座椅之間的摩擦因數對鞭打仿真結果影響較大。根據上述因素對座椅鞭打仿真模型進行了調整，模型調整后的仿真計算結果與試驗結果一致性較好，為進一步提高鞭打仿真模型的精確度提供了較好的依據。

1 周煒，張天俠，崔海濤，等.汽車追尾事故乘員的安全性研究.2007中國汽車安全技術國際研討會，長春，2007.

2 韓亮亮，李佳.某車型座椅鞭打性能提升研究.大眾汽車，2014（2）：19～20.

3 C-NCAP管理中心.C-NCAP管理規則（2012版）.天津：中國汽車技術研究中心，2012.

（責任編輯文 楫）

修改稿收到日期為2015年7月7日。

Improvement of Simulation Model Based on the Vehicle Seat Whiplash Test

Wang,Jin,Zhao Xiuqiang,Wang Zhitao,Liang Yu,Qiao Xin
（Brilliance Automotive Engineering Research Institute）

There is considerable difference between the initial status of seat whiplash simulation result and the test result,which mainly focus on two index:NIC(Neck Injury Criterion)and upper neck torque.It is be found by analysis on the dummy neck injury mechanism and whiplash test data that the sitting posture of dummy,the test status of seat(seat cushion height adjusting device)and the smooth degree of seat upholstery have great influence on whiplash simulation result.The whiplash simulation model is adjusted according to the above factors,and the simulation results of the adjusted model agree well with test results.

Vehicle seat，Whiplash test，NIC，Upper neck torque，Simulation model

汽車座椅 鞭打試驗 NIC 上頸部扭矩 仿真模型

U467.1+4

A

1000-3703（2015）09-0019-04