基于能量控制的校車學生座椅結構抗撞性設計*

張君媛，張秋實，李林峰，蔡育紅，吳愛文

(1.吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130025； 2.第一汽車集團技術中心，長春 130011)

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2015173

基于能量控制的校車學生座椅結構抗撞性設計*

張君媛1，張秋實1，李林峰1，蔡育紅2，吳愛文2

(1.吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130025； 2.第一汽車集團技術中心，長春 130011)

2012年頒布的專用校車學生座椅強制性新法規首次采用帶假人的動態滑車試驗模擬實車碰撞，通過考察假人頭和胸部等主要部位的傷害指標，檢驗學生座椅系統對不同身高乘員的保護效果。本文中通過分析乘員的能量耗散途徑和傷害來源，從能量管理角度提出了新法規下學生座椅的剛度分布規律和相應的結構設計方法，并以兩款典型校車座椅為例，根據剛度分布規律分別提出了針對原座椅的結構改進方案，并快速獲得優化結果。實驗結果表明，該方法與基于試驗設計的多參數優化具有幾乎相同的優化結果，但卻大大減少了計算量。

校車；學生座椅；抗沖擊性；能量管理

前言

近些年，由于校車交通事故頻發且造成學生傷亡嚴重，校車被動安全性受到政府和社會各界人士的廣泛關注。座椅是在汽車碰撞中對乘員保護起決定作用的組成部分。它在事故中一方面要保持乘員處于自身的生存空間之內，另一方面要保持乘員一定的姿勢使其它約束系統發揮保護作用。所以座椅設計時必須考慮座椅骨架、靠背、滑軌和安全帶固定裝置的強度以及它們之間的連接強度，特別是耐沖擊強度。在校車碰撞安全性的研究中，座椅也是十分重要的保護裝置和研究對象。據此，國家質量監督檢驗檢疫總局和國家標準化管理委員會于2012年4月10日聯合發布了強制性國家標準：《專用校車安全技術條件(GB 24407—2012)》[1]和《專用校車學生座椅系統及其車輛固定件的強度(GB 24406—2012)》[2]，并于2012年5月1日正式實施。新法規首次采用帶假人的動態滑車試驗模擬實車碰撞，通過考察假人頭、胸等主要部位的傷害指標，檢驗學生座椅系統對不同身高尺寸乘員的保護效果。

現階段，國內各校車生產企業均缺乏充分的試驗數據和設計經驗，通常是在反復試驗中修改結構，且座椅開發大都還是延用現有成熟的客車乘客座椅的結構形式，然而，真正的校車座椅與客車座椅相比有明顯的結構特點，其座椅尺寸、座椅間距、靠背吸能性及座椅骨架強度等結構參數均應參照兒童的身體特征(尤其是幼兒園學生和小學生)進行設計[3-4]。同時由于校車內部設施相對簡單(一般不配備安全氣囊和氣簾)，因此學生座椅在發生碰撞事故時需具備阻擋乘員和吸收能量的雙重作用[5-8]。盡管近年來試驗測試和基于CAE手段的大規模參數優化方法已被大多數企業采用，但這些手段均在優化過程中缺乏方向性的把握，以至于增加了對車體結構和約束系統眾多參數設計與修改的盲目性。為此，本文中根據國家新法規的要求，采用能量分析方法，對校車座椅結構的抗撞性設計進行研究。

1 學生座椅結構的性能要求

新法規通過靜態加載試驗來考察學生座椅在受后傾載荷時須具備的支撐能力，通過動態試驗來考察座椅受到前傾沖擊時，對后排乘員起到的緩沖吸能保護效果(圖1)，并結合試驗特點，提出針對位移量、接觸力、吸能量和乘員傷害等指標的抗后傾性和抗前傾性要求。

其中，動態試驗方法更為復雜且包含多種工況，幼兒專用校車座椅須進行6歲兒童假人有無安全帶約束共兩組動態試驗，小學生和中學生專用校車座椅須分別進行6歲兒童假人、第5百分位女性假人有無安全帶約束共4組動態試驗。試驗模擬滑車的碰撞速度為30～32km/h，減速度或加速度-時間曲線范圍如圖2陰影部分，平均減速度或加速度為6.5g～8.5g。至于試驗結果評價，新法規提出座椅約束能力、乘員傷害情況和座椅系統及其固定件連接強度等3方面抗前傾性要求。首先，幼兒和小學生專用校車座椅，假人軀干和頭部的任何部位向前位移不應超過位于后排輔助座椅G點(比座椅R點靠后100mm)前1.1m的橫向垂面，中小學生專用校車座椅，不應超過位于后排輔助座椅G點前1.2m的橫向垂面；其次，所有假人頭部HIC小于500，胸部加速度小于30g，第5百分位女性假人進行試驗時，腿部力小于10kN；最后，座椅、座椅連接件或配件不應完全脫離。

2 學生乘員碰撞能量耗散與傷害分析

試驗所考察的假人傷害來自于假人的運動和與前排座椅的碰撞。圖3為法規中6歲兒童未系安全帶碰撞工況試驗序列圖。

從能量的角度來分析，運動的假人在與前排座椅靠背接觸碰撞的瞬間實現了兩者能量的轉移和耗散。表現為座椅的運動和變形(包括骨架的塑性變形)以及假人運動的減弱直至停止。

在這個過程中乘員的初始動能為

(1)

假設在乘員與前排座椅接觸碰撞過程中全部耗散(忽略回彈能量)，耗散能量E為

E=∫Fdx=∫madx

(2)

式中：m為假人質量；v0為假人接觸碰撞的初速度；F為碰撞接觸力；a為假人加速度，簡化過程中用假人胸部加速度來代替；x為位移且x=?adt2，t為接觸時間。

圖4為某校車座椅6歲兒童假人未系安全帶情況下的胸部加速度-位移響應曲線(初始結構)。

為方便研究碰撞過程中假人胸部加速度與耗散能量的變化趨勢，且使所得結論能適用于法規中規定的兩種假人，本文中引入能量密度e的概念[9]，能量密度的物理含義是單位質量內耗散掉的碰撞能量。數學上是在變形域內加速度對位移的積分[10-11]，即

(3)

其最大值為

(4)

式中：x0為假人剛接觸碰撞時的位移；D為最大壓縮位移；e0為乘員初始能量密度。

由于沖擊結束后乘員和座椅都處于靜止狀態，期間耗散的能量近似等于乘員初始動能，即曲線面積代表的最大耗散能量密度emax等于假人的初始能量密度e0。可見，即使不同座椅結構采用不一樣的能量耗散方式，只要乘員初始速度一定，曲線面積始終保持不變。

3 乘員沖擊能量控制與座椅結構的剛度設計

3.1 乘員沖擊能量的控制方法

在乘員與座椅的碰撞初始速度一定的條件下，碰撞總能量是一定的，這是一個設計中的不可控量(系安全帶的乘員可以通過調節安全帶系統參數，在一定范圍內調整碰撞接觸速度)。圖4中初始結構曲線存在兩個峰值，根據時間歷程判斷第1峰值產生在乘員腿部與前排座椅的接觸時刻，第2峰值即胸部主要傷害，來自頭部接觸時刻。

雖然最大比能量與質量無關，只與碰撞初始速度有關，也就是說，只要初始碰撞速度v0相同，所有座椅結構形式都有相同的最終比能量，但是，在每個碰撞過程中，比能量如何從零開始逐漸達到最大值的過程卻是不一樣的。

為降低乘員胸部加速度的峰值(圖4初始結構第2峰值)，一種辦法是調整頭部和腿部接觸耗散能量比例，即增大第1峰值，以降低第2峰值，如圖4中控制策略1曲線；另一種辦法是增大能量耗散(距離)空間，如圖4中控制策略2曲線。對于前者由于曲線積分面積一定，在最大位移量不變的情況下，要降低第2峰值，只能是增加第1峰值，即加大腿部吸能比例。當然也同時在一定程度上增大了腿部傷害風險；對于后者，在腿部、頭部接觸耗散能量比例不變的情況下，采用增加最大位移量的方法有可能同時降低兩個峰值。

對于校車學生座椅來說，如果利用專門的吸能裝置來增大腿部接觸耗散的能量，會增加座椅的生產成本；但如果采用優化初始座椅相關結構參數來弱化腿部接觸區域剛度，增大假人最大位移量的方法，其操作可行性更強。本文中即在這一假設下研究了座椅骨架及其連接結構的剛度分布關系。

3.2 座椅結構剛度設計

實際上，校車學生座椅不僅須通過動態試驗，還要滿足靜態加載試驗要求。所謂靜態加載試驗是采用加載裝置對座椅靠背向后施力，考察座椅結構在滿足吸能要求時，承載力和最大位移量是否達到規定指標。校車座椅結構中影響靜、動態試驗性能的關鍵部件有固定連接結構、靠背骨架、靠背背板和泡沫，如圖5所示。

靜態加載過程中，固定連接結構作為主要承載部件，確保不出現固定點脫離或者連接結構大變形的現象，控制座椅的最大變形量；剛度小的靠背骨架作為主要吸能部件，以滿足規定的吸能量要求。動態沖擊過程中，固定連接結構和靠背骨架一同作為主要的承載部件，約束后排假人前向位移量在允許范圍之內；靠背背板和泡沫作為主要吸能部件，充分利用其變形空間耗散碰撞能量，達到降低乘員傷害的目的。

學生座椅靠背主要吸能結構包括靠背骨架、上下背板和泡沫。動態沖擊過程中，背板是縱向上控制假人位移量的關鍵結構[12-13]，而泡沫起到輔助背板變形的作用。所以背板設計時應盡量選擇易變形的幾何形狀和焊點布置形式。橫向上吸能結構的剛度分布直接影響動態試驗中座椅每個座位上(通常學生座椅為兩人或者三人座)的乘員傷害響應，結構設計時確保骨架剛度大于背板，可以使背板更容易變形，耗散碰撞能量，降低乘員傷害，而骨架基本不變形以控制全部乘員的前向位移量不超標。垂向的座椅結構中下背板結構對乘員頭、胸部傷害響應都有影響，上背板結構對頭部響應的影響更明顯。

4 座椅結構的改進設計

為驗證關于座椅剛度的分布規律的研究，選取兩款典型校車座椅的優化過程，結合CAE技術[14]進行相關試驗的模擬計算和性能優化。A款座椅結構見圖5，為分體式雙人座椅。本文中所建仿真計算模型(以6歲兒童無安全帶工況為例，該工況乘員傷害可能性最大)見圖6。座椅左側坐墊骨架與車身側圍螺栓連接。該模型與試驗結果的一致性較好，傷害值對比見表1。

其初始性能(假人響應值)計算結果為：左右兩側假人頭部HIC值分別為344和365，胸部加速度為28.6g和38.0g。按法規要求，該款座椅頭部保護效果可以接受，胸部加速度值接近或超過了法規要求。

表1 6歲假人無安全帶工況試驗、仿真及改進的假人胸部加速度與腿部最大位移量對比

基于控制策略2中弱化腿部接觸區域剛度，增大假人最大位移量的方法，結合初始座椅結構特點，提出3組改進方案：

(1) 保留下背板初始幾何形狀和左右兩側連接形式，去掉了下沿布置的焊點，如圖7(a)所示；

(2) 縮小下背板垂向尺寸，保證乘員的腿部沖擊能作用在優化后的結構上，兩側焊點連接，如圖7(b)所示；

(3) 把下背板分割成3個部分，每個部分兩端焊點連接，如圖7(c)所示。

以上各方案均將背板厚度從1.0mm減薄到0.8mm，座椅骨架圓管厚度從2.0mm增加到2.5mm，增加骨架的承載能力。

分別驗算各改進結構對6歲假人的保護效果，計算結果見表1。

結果表明，單純減少初始下背板結構的焊點數量使6歲假人的胸部加速度峰值降低不到1g，效果很不明顯，最大位移量相對初始計算結果基本沒有變化。而后兩組方案中假人胸部加速度得到明顯改善，尤其是右側假人，分別為24.6g和23.7g，相對初始模型下降35.3%和37.6%，假人最大位移量也相應增加26.2%和26.5%，其胸部加速度-位移曲線見圖8，由于增大最大位移量，降低了峰值，從而實現了控制策略2。

選取方案2來驗證改進結構對第5百分位女性假人在有無安全帶約束時的保護效果。表2示出最終結構改進后4種工況的假人傷害值。可見，大部分都有明顯的改善。其中第5百分位女性假人的頭部HIC和6歲兒童假人的胸部加速度改進效果明顯。并且，兩種假人在碰撞過程中均很好地控制在后排輔助座椅G點前1.1m和1.2m的范圍內，第5百分位女性假人的腿部傷害指標(FAC)遠小于10kN。

B款座椅初始結構見圖9，為整體式三人座椅，通過所建仿真計算模型(6歲兒童無安全帶工況，見圖10)得到其初始性能：3個假人頭部HIC值從左至右依次為293，236和160，胸部加速度為30.8g，24.8g和27.1g。按照法規要求，該款座椅頭部保護效果可以接受，胸部加速度值接近或超過了法規要求。

提出了針對整體式三人座椅的3點改進措施以重新調整座椅剛度的分布情況。

表2 A款座椅結構改進的仿真計算結果

(1) 座椅結構中地板固定座初始厚度為2mm，沖擊過程中有明顯變形，現將其調整為4mm來增加固定連接結構的承載能力。

(2) 初始座椅結構兩側骨架在假人碰撞時向前翻轉嚴重，導致背板無法充分變形吸能。現將兩側V型管的厚度從2mm改為3mm，兩側長直管厚度從2mm改為2.5mm。

(3) 為增加背板的變形量和假人腿部位移量，將背板厚度從2mm減小為1mm，并取消了背板兩側下半部分的焊點，使整個焊點長度縮短了75mm。

根據上述措施更改6歲假人無安全帶工況的計算機仿真模型，計算結果，假人頭部HIC值從左至右依次為114，105和109，胸部加速度為18.6g，17.1g和18.4g，可見座椅剛度重新調整后，損傷狀況大為改善，尤其是假人胸部傷害明顯降低，分別下降39.6%，31.0%和32.1%，其胸部加速度-位移曲線見圖11，有效地增大了最大位移量。

同時驗證改進結構對第5百分位女性假人在有無安全帶約束時的保護效果。表3示出最終結構改進后4種工況的假人傷害值，大部分都有明顯的改善。其中第5百分位女性假人的頭部HIC和6歲兒童假人的胸部加速度改進效果明顯。并且，兩種假人在碰撞過程中均很好控制在后排輔助座椅G點前1.1m和1.2m的范圍內，第5百分位女性假人的腿部傷害指標(FAC)遠小于10kN。

表3 B款座椅結構改進設計的仿真計算結果

5 結論

本文中采用能量分析方法，建立乘員響應、能量耗散過程和座椅結構之間的相關性，通過合理的能量控制策略提出結構改進的方向，以期幫助工程設計人員有針對性地提出優化設計方案，實現了部分“正向設計”和設計參數的快速優化。在兩個實例中，座椅結構的改進使假人傷害得到明顯改善；且相對于大規模的多參數多水平的試驗設計而言，顯著節省了計算工作量。

[1] GB 24407—2012專用校車安全技術條件[S].北京:中國標準出版社,2012.

[2] GB 24406—2012專用校車學生座椅系統及其車輛固定件的強度[S].北京:中國標準出版社,2012.

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Design for Crashworthiness of Student Seat Structure inSchool Bus Based on Energy Management

Zhang Junyuan1, Zhang Qiushi1, Li Linfeng1, Cai Yuhong2& Wu Aiwen2

1.JilinUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSimulationandControl,Changchun130025; 2.FAWGroupCorporationR&DCenter,Changchun130011

The new compulsory regulation promulgated in 2012 for the student seats in special school bus adopts for the first time the dynamic sled tests with dummy to simulate real vehicle crash and verify the protection effects of student seats for occupants with different heights by investigating the injury criteria of key parts of human body including head and thorax. In this paper, the stiffness distribution law of student seats with new regulation and their corresponding structural design method are proposed from the angle of energy management through an analysis on the energy dissipation path and harm sources of occupant, and by taking two typical school bus seats as examples, structural modification schemes are put forward based on their stiffness distribution laws with optimization results quickly obtained. The results of experiment indicate that compared with the results of multi-parameter optimization based on the design of experiment, the approach proposed has almost identical optimization results but with significantly less computation efforts.

school bus; student seats; crashworthiness; energy management

*國家自然科學基金(51375203)和長春市科技計劃項目(12ZX19)資助。

原稿收到日期為2014年11月26日。