影響乘員追尾傷害因素的研究

翟錫杰，李 偉，王昌勝，胡丕君，許 煒，朱江明，

（1.浙江零跑科技有限公司，杭州 310053；2.浙江大華技術股份有限公司 杭州，310053）

在各類交通事故中，人體頭頸是最常見的致傷部位，尤其在汽車追尾碰撞事故[1-3]中，頸部傷害的比例高達77.1 %。國際標準化組織、美國IIHS等針對汽車追尾碰撞對乘員頸部傷害產生機理進行了研究，并制定了相應的法規和安全性評價體系；歐洲Euro-NCAP 也于2008 年將汽車追尾碰撞頸部傷害列入安全性評價體系。而中國為了評價車輛在追尾碰撞事故中乘員頸部所受“揮鞭傷”的程度，在2012版C-NCAP星級評價體系[4]中增加了新的考核試驗項目——鞭打試驗。但是，2012版C-NCAP推廣至今，通過研究發現其中的一些評價標準難度有所降低，為了更好地保護乘客的安全，于2015年正式提出了新版評價標準。2015版C-NCAP比2012版更加嚴格，而今年提出的2018版C-NCAP則是基于2015版對乘員上下頸部傷害值的權重進行加權處理，相對于2015版會更加寬松。因此，本研究以2012版與2015版為基礎進行比較分析。

本研究以目前已量產的車型為基礎進行鞭打試驗，建立仿真模型，并進行對標分析，得到座椅參數對鞭打性能的影響趨勢及影響度，將所得到的結論應用到實際的性能開發中。

1 2012版與2015版C-NCAP比較

隨著2015版C-NCAP[5]的發布，得分的難度也隨之上升，而在鞭打試驗方面，其與2012版相比主要的差別見表1。

表1 2012版與2015版C-NCAP差別

由表1可知，整體計算得分的方式發生變化，本來在 NIC得分方面就比較困難，這種改變使其得高分的難度加大，并且新版對座椅動態張角的要求更加嚴格。從表2[6]可以看出2012版與2015版C-NCAP的差距。

表2 2012版與2015版鞭打試驗得分對比

由表2可知，一些車型在2012版C-NCAP中的得分盡管達到了滿分，但在2015版C-NCAP中得分不到3.4分。這只是這兩版鞭打試驗得分中摘錄的一部分，說明2015版C-NCAP得高分的難度較2012版大。

2 仿真模型

由于缺少座椅相應的材料屬性，同時考慮到有限元計算效率的局限性，本研究以多剛體仿真模型[7]作為基礎模型，進行一系列的仿真分析優化計算等。

由于2015版C-NCAP中，得分的難點主要集中在NIC方面，因此對標結果主要以NIC為主，并且綜合考慮其它傷害值的影響。所建立的模型如圖1所示，仿真及對標曲線對比如圖2所示。

圖1 仿真模型

圖2 仿真及對標曲線對比

仿真擬合度誤差α為：

式中：m為試驗曲線的峰值；n為仿真曲線的峰值；α為曲線擬合度誤差。

α≤5%即為滿足要求，而α1=4.76%，說明兩條曲線的擬合程度比較一致，仿真模型能夠比較好地模擬出試驗的情況。

3 各參數的影響趨勢及影響度

本研究著重考慮頭后間隙、頭枕高度、頭枕剛度、上靠背剛度、下靠背剛度以及調角器剛度等因素對座椅性能的影響趨勢。

通過對仿真模型的各個參數分別取值，見表3，利用DOE方法[8]依次進行仿真計算，并對所得到的數據進行整理分析。

通過將表3中的各個參數帶入到仿真模型中進行計算，可以得到一系列的關于假人頸部的傷害值[9-10]。將這些傷害值分類處理之后，可以得到如圖3～9所示的結果。

表3 性能參數取值

圖3 各因素對上頸部剪切力的影響趨勢

圖4 各因素對上頸部拉伸力的影響趨勢

圖5 各因素對上頸部彎矩的影響趨勢

圖6 各因素對下頸部剪切力的影響趨勢

圖7 各因素對下頸部拉伸力的影響趨勢

圖8 各因素對下頸部彎矩的影響趨勢

圖9 各因素對NIC的影響趨勢

由圖3～9中的變化趨勢可知，這些因素對上頸部剪切力、上頸部拉伸力、下頸部剪切力等的影響因素比較復雜，但是這三項對頸部傷害值得分的影響程度較低，見表4。因此，對這幾項參數所造成的影響度[11]進行分析時，這幾項的影響可以忽略。為研究這幾個座椅參數對其余4個頸部傷害指標的影響，采用極差分析法[11]（簡稱R法）對主要參數進行了正交試驗分析。利用極差分析法可以得到各個參數對上頸部彎矩、下頸部拉伸力、下頸部彎矩以及NIC的影響程度，如圖10～13所示。

圖10 各因素對上頸部彎矩的影響度

圖11 各因素對下頸部拉伸力的影響度

圖12 各因素對下頸部彎矩的影響度

圖13 各因素對NIC的影響度

由圖10～13可知，在上頸部彎矩的影響度中，占主要因素的分別為調角器剛度、頭枕高度和頭后間隙；在下頸部拉伸力的影響度中，占主要因素的分別為頭枕高度、頭后間隙和調角器剛度；在下頸部彎矩的影響度中，占主要因素的分別為頭枕高度、調角器剛度、頭枕剛度、上靠背剛度、下靠背剛度和頭后間隙；在NIC的影響度中，占主要因素的分別為頭后間隙、調角器剛度、上靠背剛度、頭枕剛度、頭枕高度和下靠背剛度。

因此，在給座椅供應商制定性能目標時，按照不同的座椅性能提出不同的參數要求，特別是座椅調角器的剛度，在產品設計初期務必對其提出可靠的性能要求，這一點必須引起重視。

4 案例分析

在某一項目前期開發階段制定的安全目標是2012版C-NCAP（總分62分）碰撞得分56分，但由于規則更改，2015版C-NCAP總分變為61分，并且座椅鞭打試驗得分難度增大。前期座椅的鞭打試驗得分按照2012版C-NCAP規則，得到3.3分，但是換算成2015版規則，得到2.49分，見表4，不滿足3.5分的性能要求。

前期基礎鞭打試驗的假人傷害值得分見表4，座椅的初始狀態如圖14所示。

由表4可知，上頸部彎矩扣分非常嚴重，其次是NIC，再次就是下頸部彎矩。后續的優化會主要以這3個傷害值作為最終目標，在保持其它傷害值不增大的前提下，盡量提升這3個傷害值的得分。

根據上文得出的結論來看，要想減小上頸部彎矩、NIC以及下頸部彎矩這些傷害值，均需要考慮調整調角器的剛度。但是，由于本項目已經處在項目開發的中期，如果調整調角器剛度則存在法規項以及扣分項的風險，所以調角器的剛度因素不在此階段考慮。

表4 初始狀態鞭打試驗得分表

圖14 座椅初始狀態

結合上頸部彎矩傷害值影響曲線（圖3）以及影響度（圖10），可以看出關鍵因素是頭枕高度、頭后間隙，其次是上靠背剛度、下靠背剛度；結合NIC傷害值影響曲線（圖9）以及影響度（圖13），可以看出關鍵因素是頭后間隙，其次是上靠背剛度、頭枕剛度；結合下頸部彎矩傷害值影響曲線（圖8）以及影響度（圖12），可以看出關鍵因素是頭枕高度，其次是頭枕剛度、上靠背剛度、下靠背剛度。

通過以上說明，可以提出的修改方案如圖15所示。

圖15 修正之后的座椅狀態

具體的修改方案：（1）減少頭后間隙，由原先的40 mm調整為15 mm，通過將頭枕桿角度17.5°調整為9°并增加頭枕厚度來實現。（2）增大頭枕的高度，由原先的-10 mm調整為0 mm。（3）減少頭枕剛度，通過增加頭枕的厚度來實現。（4）增加上靠背的剛度，通過削減上靠背上面的泡棉來實現。按照以上方案進行鞭打試驗，得到如圖16～18的試驗曲線。

圖16 NIC傷害值曲線

圖17 上頸部彎矩傷害值曲線

圖18 下頸部彎矩傷害值曲線

由圖16～18可知，NIC、上頸部彎矩以及下頸部彎矩的峰值有了非常明顯的改善，具體得分見表5。

由表5可知，與初始狀態的得分進行比較，在NIC、上頸部彎矩以及下頸部彎矩得分方面提升非常明顯，并且也滿足最初設定的性能要求。這說明這次方案比較好地解決了座椅開發過程中不能夠滿足鞭打試驗性能的問題，為后續項目開發提供了更多的經驗。

表5 方案修改后鞭打試驗得分表

5 結論

通過對以上數據、圖示、表格的分析處理可以得出以下結論。

（1）影響NIC傷害值的參數主要是頭后間隙及調角器剛度，通過減小頭后間隙并適當地調大調角器剛度，可以減少NIC傷害值；上頸部彎矩則可以通過調整調角器剛度、頭后間隙及頭枕高度來減小傷害值；而下頸部彎矩則主要通過調整頭枕高度及調角器剛度來減小。

（2）本文從仿真角度找到了影響鞭打試驗中假人傷害值的各個因素的影響趨勢以及影響程度，再把這些結論應用到實際的項目開發過程中，并且比較好地解決了實際存在的問題。