汽車座椅頭枕結構對碰撞吸能性的影響

陳明剛 ，孟正華 ，周 磊 ，危學兵

（1.現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室 武漢理工大學 汽車學院，湖北 武漢 430070；2.汽車零部件技術湖北省協同創新中心武漢理工大學 汽車學院，湖北 武漢 430070；3.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

1 引言

近年來，隨著汽車保有量的不斷增加，汽車追尾、碰撞事故時有發生。汽車安全性越來越受到人們的重視。座椅是保障乘員安全性、舒適性的重要部件，而頭枕是座椅的重要組成部分，對汽車座椅的碰撞安全性起到了關鍵作用。

在座椅頭枕的設計過程中，大量研究人員通過動力學仿真方法對汽車座椅進行安全性舒適性分析，特別是在座椅開發初期階段[1]。文獻[2]運用顯示算法與LS-DYNA軟件構建了座椅結構的有限元模型，分別用假人頭型對座椅結構進行前后碰撞的仿真分析，并對座椅結構提出了改進方案。文獻[3]研究了座椅頭枕在承受沖擊時，靠背剛度與頭枕的硬度對假人頭型加速度的影響。文獻[4]基于C-NCAP鞭打試驗工況，研究了座椅頭枕和調角器參數匹配對乘員揮鞭傷的影響。文獻[5]利用LS-DYNA與MADYMO聯合仿真的方法對主動式頭枕和非主動式頭枕在碰撞時對乘員的損傷情況進行對比分析，驗證了主動式頭枕的有效性。為優化汽車座椅頭枕的結構設計，以某典型結構的座椅頭枕為分析對象，通過鋼球模擬假人頭型撞擊頭枕，研究鋼球撞擊頭枕時，頭枕包裹度、頭枕厚度、頭枕密度等關鍵參數對頭枕吸能性的影響規律。

2 動力學仿真分析方法

有限元仿真分析方法是目前被動安全仿真分析的主要方法，汽車座椅的碰撞問題是典型的非線性、大變形和大位移問題。要對非彈性物體和結構進行分析，一般采用顯示算法的方程建立座椅頭枕碰撞的有限元模型。

在有限元模型中每個節點位置與時間關系為：

在t0時刻初始位置為：

每個節點和整體都遵循動量守恒、質量守恒、能量守恒規律：

牽引力邊界條件如下：

位移邊界條件如下：

接觸邊界條件如下：

通過將各節點代入到以上邊界條件進行運算，可以得到各個節點的運動和能量變化規律，即整個結構的碰撞相應特征關系。

3 分析模型

圖1 頭部與頭枕的碰撞示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Collision Between Head and Headrest

以某典型汽車座椅頭枕為研究對象。根據GB11550-2009的相關規定，分析中采用6.8kg、直徑165mm的鋼球，在頭枕頂端沿軀干基準線向下65mm處，沿水平方向以V=24.1km/h的速度撞擊頭枕[6]，模擬頭部與頭枕的碰撞，如圖1所示。通過Hypermesh軟件完成對座椅頭枕海綿、頭枕骨架、鋼球等有限元模型的創建。該模型的頭枕骨架和靠背骨架結構采用精度較高的四邊形板殼單元，頭枕結構采用六面體單元[7]進行網格的劃分，通過RgdBody剛性單元模擬結構間的連接。其中板殼單元35497個，六面體單元65383個。鋼球選用不發生任何塑性變形的剛性體材料（*MAT_RIGID），頭枕海綿選用可恢復、帶有遲滯效應的低密度泡沫材料（*MAT_LOW_DENSITY_FOAM）[8]。

在碰撞仿真過程中，由于鋼球的剛度較大，又是凸面和主動撞擊件，所以鋼球表面作為接觸的主面，頭枕表面作為從面，采用SurfacetoSurface的接觸形式進行碰撞仿真[2]。這樣可以真實模擬鋼球與頭枕間的碰撞，利用頭枕的形變，將鋼球的能量轉移給頭枕，如圖2所示。同時按照座椅結構的實際安裝位置與連接方式，對座椅結構施加約束，并對鋼球施加6.69m/s（V=24.1km/h）的初速度。

圖2 頭部碰撞定義接觸示意圖Fig.2 Schematic Diagram of the Contact of Head Impact

4 碰撞分析與討論

針對座椅典型頭枕的碰撞安全性進行分析時，主要評價指標為：（1）鋼球碰撞時的最大加速度值；（2）頭部碰撞時鋼球的加速度值超過25g的持續時間（稱之為高加速度持續時間）。通過以上指標來研究座椅頭枕在承受沖擊時，頭枕厚度、包裹度、密度對頭枕吸能性的影響，鋼球的最大加速度值越小，高加速度持續時間越短，頭枕的吸能性越好，乘員安全性、舒適性越好。

4.1 運動過程分析

利用LS-DYNA進行碰撞仿真分析時，鋼球撞向頭枕的運動過程與加速度曲線，如圖3、圖4所示。在碰撞過程中，鋼球以6.69m/s的初速度向頭枕撞擊，鋼球與頭枕在第2ms時開始接觸，這時由于頭枕的緩沖作用，鋼球的加速度值逐漸增大，至9ms時，鋼球與頭枕骨架撞擊，導致鋼球加速度值迅速升高，隨著鋼球的繼續運動，19ms時鋼球的加速度值達到最大值55.40g，此后隨著鋼球與頭枕間反作力的減小，加速度值逐漸減小。至91ms時，鋼球與頭枕分離，鋼球的加速度值約降為0g，速度趨于穩定。由圖3和圖4可知，鋼球與該典型頭枕撞擊時的最大加速度值約為55.40g，小于GB11550-2009規定80g的加速度，滿足法規要求。

圖3 鋼球運動過程圖Fig.3 Steel Ball Movement Process

圖4 鋼球的加速度-時間曲線Fig.4 Acceleration-Time Curve of Steel Ball

4.2 頭枕厚度對吸能性的影響

頭枕厚度以圖5的尺寸A表示，根據座椅頭枕厚度的不同，在頭枕密度ρ=50kg/m3的條件下，分別選取厚度分別為22mm、25mm、28mm的頭枕，進行碰撞分析，鋼球的最大加速度值與高加速度持續時間隨頭枕厚度變化曲線，如圖6所示。從圖中可知，隨著頭枕厚度的增加，鋼球的最大加速度值與高加速度持續時間逐漸下降，頭枕的吸能性明顯提高。這是因為頭枕厚度的增大，為碰撞時提供了更大的緩沖空間，減小鋼球與頭枕骨架撞擊時的速度，有利于鋼球加速度值的平順降低。

圖5 頭枕厚度示意圖Fig.5 Schematic Diagram of Headrest Thickness

圖6 最大加速度值與高加速度持續時間隨厚度變化曲線Fig.6 The Maximum Acceleration and High Acceleration Duration Time Curvesof Steel Ball with the Variation of Thickness of the Headrest

4.3 頭枕包裹性對吸能性的影響

圖7 頭枕包裹性示意圖Fig.7 Schematic Diagram of Headrest Packaging

圖8 最大加速度值與高加速度持續時間隨包裹度變化曲線Fig.8 The Maximum Acceleration and High Acceleration Duration Time Curvesof Steel Ball with the Variation of Packaging of the Headrest

在保證鋼球質心與頭枕撞擊點距離L不變的情況下，增加頭枕兩側的厚度，來改變頭枕的包裹性，頭枕的包裹性用鋼球頭枕接觸點與頭枕兩側的厚度差B表示，如圖7所示。在保證頭枕厚度為28mm，密度為ρ=60kg/m3的條件下，分別選用包裹度值B分別為6mm、9mm、12mm的頭枕進行碰撞分析，鋼球的最大加速度值與高加速度持續時間隨頭枕包裹性變化曲線，如圖8所示。從圖中可知，隨著頭枕包裹度的增加，鋼球的最大加速度值與高加速度值的持續時間逐漸下降。這是因為隨著頭枕包裹度的提高，鋼球與頭枕接觸面積增加，鋼球單位面積承受的反作用力越小。并且頭部與頭枕包裹度越好，越能夠增加頭部在受到撞擊時的橫向穩定性，減少了頭部受到額外的損傷[9]。

4.4 頭枕密度對吸能性的影響

在頭枕厚度為28mm、包裹度為6mm的情況下，頭枕密度從ρ=50kg/m3到ρ=90kg/m3的應力應變擬合曲線，如圖9所示。鋼球與不同密度的頭枕碰撞時，鋼球的最大加速度值與高加速度持續時間隨頭枕密度變化曲線，如圖10所示。從圖中可知鋼球的最大加速度值與高加速度持續時間首先隨著頭枕密度從ρ=50kg/m3到ρ=70kg/m3逐漸減小，此后隨頭枕密度從ρ=70kg/m3到ρ=90kg/m3，而逐漸變大。通過分析鋼球與ρ=50kg/m3的頭枕的撞擊過程發現，鋼球與頭枕骨架的撞擊是導致最大加速度值與高加速度持續時間較大的主要原因，所以通過增加頭枕密度，減小碰撞時頭枕的變形，可有效減小鋼球與頭枕撞擊時的加速度，但頭枕的密度過大，也會使頭枕緩沖作用減弱，使鋼球加速度值升高，降低頭枕的吸能性[9]，如圖10中ρ=70kg/m3到ρ=90kg/m3段曲線所示。

圖9 不同密度材料的應力應變曲線Fig.9 Stress-Strain Curves of Different Density Materials

圖10 最大加速度值與高加速度持續時間隨密度變化曲線Fig.10 The Maximum Acceleration and High Acceleration Duration Time Curves of Steel Ball with the Variation of Density of the Headrest

5 座椅頭枕結構改進前后對比分析

由以上分析可知，隨著頭枕厚度增加，能夠有效降低頭部碰撞時的最大加速度值與高加速度持續時間；頭枕包裹度不僅可以降低頭部碰撞時的加速度，而且可以提高乘員橫向穩定性。因此所分析的典型頭枕結構設計中將原有頭枕厚度從22mm增至28mm將頭枕包裹度從6mm增至12mm，并選用ρ=70kg/m3的頭枕。更改前后相關參數，如表1所示。碰撞分析獲得的改進前后頭部加速度曲線，如圖11所示。由圖11可知，改進后的頭枕結構有效的降低了頭枕的最大加速度值與高加速度值持續時間，很好的提高了頭枕的吸能性和乘員舒適性。

表1 頭枕的結構參數改進前后對比表Tab.1 The Comparison for Headrest Structural Parameters Before and After Improvement

圖11 改進前后鋼球加速度曲線Fig.11 Ball Acceleration Curves Before and After Improvement

6 結論

基于某典型座椅頭枕的碰撞分析，研究了座椅頭枕結構參數對頭枕碰撞安全性的影響規律，為座椅頭枕的結構性設計提供指導，并取得了以下結論：（1）隨著頭枕厚度和包裹度的增加，碰撞時頭部的最大加速度值、高加速度持續時間逐漸減小，有效提高了頭枕的吸能性。（2）隨著頭枕密度的增加，碰撞時頭部的最大加速度值與高加速度持續時間先減小后增大。這是由于頭枕密度過小，碰撞時頭部易與骨架發生碰撞，使最大加速度值較大，此時增加頭枕密度，可有效減小鋼球與頭枕撞擊時的加速度；但頭枕密度過大，也會使頭枕緩沖作用減弱，使碰撞時頭部最大加速度值升高，降低頭枕的吸能性。

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