主動式座椅參數對其正面碰撞乘員保護性能影響的研究?

張冠軍，趙新鋒，曹立波

(湖南大學，汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082)

主動式座椅參數對其正面碰撞乘員保護性能影響的研究?

張冠軍，趙新鋒，曹立波

(湖南大學，汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082)

本文旨在研究正面碰撞中座椅參數對乘員保護效果的影響。首先依據某一轎車副駕駛員座椅相關尺寸設計了簡化的臺車約束系統試驗裝置，建立了帶Hybrid III 50th假人的約束系統有限元仿真模型，并通過臺車試驗驗證了其有效性。接著采用最優拉丁方試驗設計和Kriging模型，對座椅前后位置、坐墊高度、坐墊傾角和靠背傾角等4個參數進行了優化。確定了正面碰撞時座椅的最佳參數：座椅從中間位置向后移動111.5mm、坐墊高度56.99mm、坐墊傾角22.76°、靠背傾角29.33°。最后，基于座椅最佳參數再次進行仿真的結果，加權損傷指標降低了15.77%。

主動式座椅；正面碰撞；Hybrid III 50th假人；參數優化

前言

隨著汽車碰撞安全技術研究工作的深入，被動安全與主動安全逐漸開始走向融合，即運用主動安全的相關研究成果，對即將發生的碰撞做出預先判斷，然后對傳統乘員約束系統的各個裝置如安全帶、座椅和安全氣囊等做出參數調整[1]，以提高約束系統對乘員的保護效果。如果主動式座椅能在碰撞發生前，根據不同的碰撞工況和不同的乘員類型，將座椅參數調整到最佳防護狀態，使乘員約束系統對乘員達到最佳的保護效果。因此，研究主動式座椅的最佳防護參數對提高乘員防護效果具有重要意義。

國外在這方面的研究起步較早，文獻[2]中研究發現，將靠背角度由25°調整到10°，可以減小頭部前移量和頭部碰撞速度。文獻[3]中研究發現，在碰撞前將座椅后移可以降低乘員的損傷風險。戴姆勒—克萊斯勒公司也設想在事故發生前將靠背從較大的傾斜角度調整到直立狀態，使安全帶對乘員提供更有效的保護[4]。文獻[5]中的研究表明，座椅在最靠前的位置時，頭部、胸部T1和骨盆合成加速度都比座椅在最靠后的位置時要小。文獻[6]中對座椅前后位置和靠背傾角進行了研究，發現座椅在中間位置時乘員頭部HIC15是最小的，靠背角度在15°時頭部HIC15、頸部Nij以及大腿力是最小的。文獻[7]～文獻[9]中研究發現，增大坐墊傾角可以減輕碰撞時乘員的傷害。

上述研究都只是對座椅參數進行了單因素分析，而汽車乘員約束系統是多參數非線性系統，參數眾多且參數之間存在著交互效應[10]，單純地進行座椅參數的單因素分析，很難確定碰撞時座椅的最佳參數。為提高正面碰撞時汽車的安全性，本文中采用Hybrid III 50th假人，對座椅前后位置、坐墊高度、坐墊傾角和靠背傾角等4個參數進行優化設計，結合最優拉丁方試驗設計和Kriging模型，采用多島遺傳算法定位目標極值在設計空間中所處的區域，并采用NLPQL算法對該區域進行精確尋優，以確定正面碰撞時座椅的最佳參數。并對乘員各部位損傷指標與各設計變量的Kriging模型進行分析，研究正面碰撞時座椅參數對乘員保護效果的影響。

1 乘員約束系統模型的建立與驗證

為進行主動式座椅參數優化研究，以某型轎車副駕駛員區相關尺寸為依據，設計了簡化的臺車約束系統試驗裝置，按照C-NCAP 2015試驗要求安裝了Hybrid III 50th假人，在湖南大學汽車碰撞試驗室開展了臺車碰撞試驗。試驗時在臺車車架中部左右兩側安裝加速傳感器，用于采集碰撞時臺車的加速度曲線，在假人頭部安裝X、Y、Z三向加速度傳感器，胸部安裝X向加速度傳感器和位移傳感器，并安裝左大腿力傳感器。試驗臺車和假人的準備情況如圖1(a)所示。依據試驗工況，采用Hybrid III 50th假人有限元模型，建立了約束系統仿真模型，如圖1 (b)所示。其中安全帶肩帶和腰帶采用混合安全帶模型，與假人身體接觸的部位采用二維單元模擬，其余安全帶采用一維單元模擬。安全帶限力器的限力值為3.3kN，安全帶未設置預緊。根據碰撞試驗中臺車的碰撞初速度和加速度，對整個模型施加49.44km/h的初速度，對試驗裝置施加如圖2所示的加速度。整個有限元模型共464 819個節點、620 849個單元。

圖1 臺車碰撞試驗與約束系統仿真模型

圖2 臺車試驗加速度曲線

圖3列出了仿真與試驗假人損傷指標的對比。可以看出，頭部合成加速度、胸部壓縮量和左大腿力等參數與試驗雖然存在一定誤差，但曲線走勢基本一致。胸部X向加速度的仿真與試驗曲線在65ms前基本一致，但仿真中約70ms時刻出現峰值，較試驗峰值提前約25ms，這可能是由于試驗時臺車后軸有上跳現象，在一定程度上減緩了安全帶肩帶對假人胸部的約束，造成試驗時假人胸部X向加速度曲線的峰值時刻比仿真曲線要晚。本文中基于同一基礎模型探索主動式座椅相關參數對乘員防護效果的影響，該驗證結果的局限性并不會影響最終結果。

圖3 仿真結果與試驗結果對比

圖4為20，60和100ms仿真動畫與高速攝像照片的對比。可以看出，在碰撞過程中仿真與試驗假人動態響應基本一致。上述驗證表明所建立的臺車約束系統模型具有較好的精度，可用于優化設計。

圖4 仿真與試驗碰撞動畫對比

以上建立的約束系統模型，由于儀表板等部件均為鋼板，所以頭部合成加速度較大。為更接近實車碰撞，在后續的研究中，將模型中簡化的儀表板等部件的材料參數改為實車相應部件的材料參數。

2 主動式座椅參數優化

采用Isight軟件對主動式座椅參數進行優化分析。

2.1 設計變量

在正面碰撞中，座椅前后位置SP(seat position)、坐墊高度CH(cushion height)、坐墊傾角CA(cushion angle)和靠背傾角BA(backrest angle)等參數對乘員的損傷值有影響，本文中以這4個參數為設計變量進行主動式座椅的參數優化研究。

為進行試驗設計，首先參考C-NCAP 2015的相關規定，依據某乘用車副駕駛員區的相關尺寸確定參考位置分別為：座椅前后調節時的縱向中間位置(0)，坐墊上下調節時的最低位置(0)，坐墊傾角15°，靠背傾角25°。參考位置以及各設計變量的取值范圍如表1所示。

表1 設計變量的取值范圍

2.2 優化目標與約束條件

由于正面碰撞時乘員的傷害指標涉及頭部、胸部、腿部等多個部位，因此可以采用加權損傷準則WIC[11-12]評價正面碰撞的安全性。WIC的表達式為

式中：HIC36為頭部損傷綜合性能指標；C3ms為胸部3ms合成加速度；Ccomp為胸部壓縮量；FL為左大腿力；FR為右大腿力。

優化問題描述為

依據C-NCAP 2015和文獻[10]確定約束條件為

2.3 Kriging模型的構建

優化過程包括3個步驟：最優拉丁方試驗設計、Kriging模型的構建和基于多島遺傳算法及NLPQL算法的優化設計，優化流程如圖5所示。首先通過最優拉丁方試驗設計獲得樣本點，分別對樣本點進行仿真計算；然后基于這些樣本點的計算結果擬合座椅參數與WIC和乘員各部位損傷指標之間的數學近似模型，并對近似模型的精度進行檢驗；然后使用近似模型進行座椅參數的優化設計。

本文中優化有4個設計變量，構建Kriging模型至少需要9個樣本點[13]，所以首先應用最優拉丁方試驗設計在設計空間抽取10個樣本點，然后采用LS-DYNA軟件對這些樣本點分別進行仿真計算，得到假人的傷害指標HIC36，C3ms，Ccomp，FL和FR，并依據式(1)計算WIC，結果如表2所示。

圖5 優化流程圖

使用Kriging模型來近似擬合設計變量與假人損傷指標之間的關系。經檢驗由10個樣本點構建的Kriging模型可信度較低。因此采用最優拉丁方試驗設計在設計空間再次抽取10個樣本點，并分別進行仿真計算，計算結果如表3所示。這樣包括原10個樣本點總共20個樣本點重新構建Kriging模型，然后再隨機抽取5個樣本點進行代理模型精度驗證，驗證結果如表4所示。可以看出Kriging模型計算誤差均在15%以內，表明構建的代理模型具有較高的可信度，可以代替約束系統仿真模型用于座椅參數的優化設計和座椅參數對乘員損傷的影響分析。

2.4 優化分析

采用Isight軟件集成全局優化算法和數值優化算法在設計空間進行尋優。首先采用多島遺傳算法定位目標極值在設計空間中所處的區域，再應用NLPQL算法對該區域進行精確尋優，這樣既能發揮全局優化算法的全局性，同時兼顧數值算法的高效性[13]。

表2 第一輪最優拉丁方試驗設計和對應的假人損傷參數

表3 第二輪最優拉丁方試驗設計和對應的假人損傷參數

表4 Kriging模型精度驗證

通過1 007輪優化，最終獲得碰撞時座椅的最佳參數：座椅從中間位置向后移動111.5mm、坐墊高度56.99mm、坐墊傾角22.76°、靠背傾角29.33°，由代理模型計算得到的WIC為0.489 6。針對座椅的最佳參數，再次進行仿真計算得到WIC為0.471 8，代理模型的計算誤差為3.77%。

表5為優化前后乘員各部位損傷指標的對比。可以看出：優化后乘員頭部HIC36降低了25.26%；胸部3ms合成加速度降低了4.99%；WIC降低了15.77%。胸部壓縮量略有增加；雖然左、右大腿力增加較大，但也滿足C-NCAP 2015高性能極限的要求，通過優化有效降低了乘員的綜合損傷風險。

表5 優化前后結果對比

3 座椅參數對乘員損傷的影響分析

在WIC的計算公式中，頭部和胸部的權重分別占60%和35%，表明正面碰撞時，頭部和胸部是乘員易遭受嚴重損傷的部位。因此，本文中主要對乘員頭部HIC36、胸部C3ms和胸部Ccomp與設計變量的Kriging模型進行分析，以確定主動式座椅參數對乘員頭部和胸部的損傷影響。

圖6為乘員頭部HIC36與其中兩個設計變量的Kriging模型，另兩個設計變量設定為座椅最佳位置時對應的參數。

圖6 頭部HIC36與各設計變量的Kriging模型

由圖6(a)～圖6(c)可知：當坐墊高度大于45mm時，將座椅向后移動，可以降低乘員頭部HIC36；而當坐墊高度小于45mm時，將座椅后移，反而會使乘員頭部HIC36增加。這是因為坐墊高度較低時，座椅向后移動會造成安全帶肩帶不能有效地貼到乘員胸部，故不能有效約束乘員上身的運動，造成乘員頭部HIC36會隨著座椅向后移動而增加。而當坐墊高度較高時，安全帶肩帶與乘員胸部能更好地貼合，對乘員的上身具有較好的約束作用，可以降低乘員頭部HIC36。因此，最佳的座椅前后位置受到座墊高度和安全帶上固定點的影響。

由圖6(a)，圖6(d)和圖6(e)可知：當座椅位置比較靠前(SP=25～60mm)時，坐墊高度對乘員頭部損傷的影響不明顯；而當座椅位置比較靠后(SP= 60～125mm)時，增加坐墊高度可以降低乘員頭部HIC36。這是因為增加坐墊高度，可以減小安全帶D環與乘員肩部的距離，增加安全帶的約束作用，使肩帶有效地約束乘員上身向前的運動而降低乘員頭部HIC36。這與文獻[14]中所指出的降低D環高度可增加安全帶約束力是一致的，因為增加坐墊高度與降低D環高度的效果相同，都能增加安全帶施加給乘員沿碰撞方向的約束力。因此，合理增加座墊高度并后移座椅能夠減輕乘員頭部的損傷。

由圖6(c)，圖6(e)和圖6(f)可知：增大靠背傾角可以降低乘員頭部HIC36，這與文獻[6]有出入，原因在于本文中建立的臺車約束系統模型沒有安全氣囊，當靠背角度較小時，碰撞過程中乘員頭部沒有得到有效支撐，頸部彎曲程度較大，導致乘員頭部HIC36較大；而當靠背角度較大時，碰撞過程中乘員不僅會整體向前移動，人體軀干和頸部也會吸收一部分頭部的能量，減輕頭部損傷。

由圖6(b)，圖6(d)和圖6(f)可知，坐墊傾角對乘員頭部損傷的影響不太明顯。

圖7為乘員胸部C3ms與其中兩個設計變量的Kriging模型，另兩個設計變量設定為座椅最佳位置時對應的參數。

圖7 胸部C3ms與各設計變量的Kriging模型

由圖7(a)可知，將座椅向后移動，胸部C3ms有所減小。當坐墊高度為20～45mm時，胸部C3ms下降趨勢相對比較明顯。由圖7(b)可知，將座椅向后移動，可以減小胸部C3ms。由圖7(c)可知，當靠背傾角在15°～35°之間時，隨著座椅向后移動，胸部C3ms會有所減小。綜合分析圖7(a)，圖7(b)和圖7(c)，碰撞前將座椅向后移動，有利于減小胸部C3ms。因為當座椅向后移動時，安全帶肩帶對假人沿碰撞方向的約束力減小，所以乘員胸部C3ms會有所減小，這與文獻[3]中的研究結論一致。

由圖7(a)，圖7(d)和圖7(e)可知，隨著坐墊高度增加，乘員胸部C3ms變化趨勢較復雜，這說明座墊高度的改變與其它座椅參數以及安全帶位置間存在較大的交互作用，在進行主動式座椅參數匹配時需要綜合考慮其它參數。

由圖7(b)，圖7(d)和圖7(f)可知，隨坐墊傾角增加，胸部C3ms略有減小。這是因為增加坐墊傾角，能在乘員的質心前方形成有效約束，從而減小了乘員胸部C3ms。這與文獻[7]～文獻[9]中的研究結論一致，表明碰撞前增加坐墊傾角，能減小乘員胸部的損傷風險。

由圖7(f)可以看出，靠背傾角在20°～30°之間時，乘員胸部C3ms較小。這可能與靠背角度太小會使安全帶對胸部的限制較大，而靠背角度太大又使安全帶對胸部的限制減弱造成胸部加速沖擊所致。

圖8為乘員胸部Ccomp與其中兩個設計變量的Kriging模型，另兩個設計變量設定為座椅最佳位置時對應的參數。

圖8 胸部Ccomp與各設計變量的Kriging模型

由圖8(a)～圖8(c)可以看出，隨著座椅向后移動，乘員胸部Ccomp有所增加，當坐墊高度和坐墊傾角為最優值時，隨著座椅向后移動，乘員胸部Ccomp增加趨勢最明顯。這主要是由于座椅后移造成安全帶與胸部的間隙增大，增加了碰撞過程中安全帶對胸部的沖擊作用，從而胸部壓縮量會有所增加。

由圖8(a)和圖8(e)可以看出，隨著坐墊高度的增加，乘員胸部Ccomp有減小的趨勢。這是因為隨著坐墊高度的增加，安全帶肩帶對假人沿碰撞方向的約束力增加了，肩帶能有效地約束乘員上身的運動，所以乘員胸部Ccomp有減小的趨勢。

由圖8(b)，圖8(d)和圖8(f)可以看出，隨著坐墊傾角的增加，乘員胸部Ccomp有減小的趨勢，這是因為增加坐墊傾角，能在乘員的質心前方形成有效約束，從而減小了乘員胸部Ccomp。這與文獻[7]～文獻[9]中的研究結論一致，表明碰撞前增加坐墊傾角，能減小乘員胸部損傷。

由圖8(c)，圖8(e)和圖8(f)可以看出，靠背傾角對乘員胸部Ccomp影響不大。

需要指出，本文中主要研究座椅參數對乘員損傷的影響，分析主動式座椅的潛在保護效果。為盡可能避免其它因素影響分析結果，故分析時除座椅向后移動時，帶扣點隨之后移外，保持安全帶的其他配置參數不變，且未配置安全氣囊。因此，將來還需要結合安全帶、安全氣囊等其他約束系統參數進行更深入地分析。但是，該分析方法同樣適用于座椅、安全帶和安全氣囊等更多參數的分析。

4 結論

對主動式座椅參數進行了優化設計，確定了正面碰撞時座椅的最佳參數，并有效降低了HIC36，C3ms和WIC等人體損傷參數。通過HIC36，C3ms和Ccomp與各設計變量的Kriging模型分析發現，當坐墊高度大于45mm、靠背傾角在15°～35°之間時，碰撞前將座椅向后移動，有利于減小乘員頭部HIC36和胸部C3ms，但胸部Ccomp會有所增加；當坐墊高度在0～60mm之間調節時，增加坐墊高度，能有效減小乘員頭部HIC36和胸部Ccomp，坐墊高度在35～45mm時，胸部C3ms較小；當坐墊傾角在15°～30°之間調節時，增加坐墊傾角能有效降低乘員胸部C3ms和Ccomp，但對乘員頭部HIC36的影響不明顯；當靠背傾角在15°～35°之間調節時，增大靠背傾角，有利于降低乘員頭部HIC36，但乘員胸部Ccomp會略有增加。

研究表明，通過調整主動式座椅的相關參數，能夠有效降低乘員的損傷風險。因此，可以針對不同身材的乘員設置相應的主動式座椅的參數，借助碰撞預警系統在碰撞發生前調整座椅至該身材乘員的最佳防護參數，能夠更好地發揮約束系統的保護效果。該座椅參數優化方法亦可用于不同身材乘員的座椅等乘員約束系統的參數匹配研究。

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A Study on the Effects of Active Seat Parameters on Its Occupant Protection Performance in Frontal Crash

Zhang Guanjun，Zhao Xinfeng＆Cao Libo
Hunan University，State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body，Changsha410082

In this paper the effects of seat parameters on its occupant protection performance in frontal crash are studied.Firstly a simplified sled test device for restraint system is designed based on the relevant dimension of front passenger seat of a car，and a finite element simulation model for restraint system with Hybrid III 50th percentile dummy is built，with its effectiveness verified by sled test.Then with optimal Latin hypercube design of experiment and Kriging model adopted，an optimization is conducted on four seat parameters(seat position，cushion height and angle and backrest inclination)with the optimum seat parameters obtained，i.e.seat position：111.5mm rearward from midway，cushion height：56.99mm upward from its lowest position，cushion angle：turning 22.76° backward from horizontal and backrest inclination：rotating 29.33°backward from the upright position.Finally a simulation is performed again with the optimum seat parameters，resulting in a 15.77%reduction of weighted injury criterion.

active seat；frontal crash；Hybrid III 50th dummy；parameter optimization

?國家自然科學基金(51205118)、湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室自主研究課題和中央高校基本科研業務費資助。

原稿收到日期為2016年2月15日，修改稿收到日期為2016年5月10日。

張冠軍，博士，E-mail：zgjhuda＠163.com。

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.02.006