某車型駕駛員座椅鞭打試驗性能研究及改進

李海 趙座航 聶仁態 李雪晴

上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州市 545007

1 引言

在追尾事故中，被碰撞車輛的駕駛員、乘員在碰撞加速度與頭部慣性力的共同作用下，頸部會產生一個像鞭子猛抽的動作稱為鞭打傷害，追尾事故會給乘員頸部的骨骼或軟組織造成嚴重的損傷。通過優化座椅設計減輕鞭打效應對人體的傷害成為各大汽車廠重點研究的內容。

本文根據C-NCAP 鞭打試驗要求，對某款乘用車的駕駛員座椅運用有限元方法建立鞭打模型，針對鞭打試驗分數較低，采用有限元進行仿真分析，提出增加靠背剛性、增加頭枕骨架強度以及增加假人靠背穿透量等座椅改進方案，并對改進后的座椅再次進行仿真分析及實物試驗驗證，得到了有利于減小鞭打傷害的方法。

2 鞭打試驗評估方法

《C-NCAP 管理規則（2021年版）》已經實施，C-NCAP 鞭打試驗評價通過7 項傷害指標分組加和并扣除3 項罰分項形成總體得分，駕駛員座椅的總體得分的最高分是5 分，最低分是0 分且所有的得分均保留到小數點后三位。7 項傷害指標分別設置低性能限值和高性能限值，分別得分為0 和滿分，處于高、低性能限值之間的測試值按線性插值方法計算得分。7 項傷害指標分為三組，第一組為滿分為2 分的頸部傷害指數NIC；第二組為滿分為1.5 分的上頸部剪切力F、上頸部拉力F和上頸部扭矩M；第三組為滿分為1.5 分的下頸部剪切力F、下頸部拉力F和下頸部扭矩M，其中第二組和第三組選取每組最低分為該組得分。3 項罰分項分別是座椅靠背最大動態張角大于等于25.5°時扣2 分；頭枕干涉頭部時扣2 分；座椅滑軌動態位移大于20mm 時扣5 分。2021 版鞭打試驗總體評價指標及評分原則如表1 所示。

表1 2021版鞭打試驗總體評價指標及評分原則

3 鞭打試驗模型的建立

在有限元前處理軟件HyperMesh 中將座椅中不同組件劃分成不同的網格單元，設置座椅靠背傾角和頭枕高度等相關參數，再按照2021 版C-NCAP 鞭打試驗要求將BioRID Ⅱ假人模型移動試驗位置，并通過LS-DYNA 軟件中的LS-Prepost 模塊調整假人位置和姿勢，定義假人和座椅的接觸關系并定義假人模型受到的重力加速度，再將座椅固定在試驗臺車上，形成如圖1 所示的鞭打仿真模型；再對試驗臺車施加非移動方向的約束以及施加如圖2 所示的X 方向的加速度。

圖1 鞭打仿真模型

圖2 試驗臺車加速度

4 鞭打試驗仿真結果與分析

從試驗結果看出，鞭打試驗總分較低的主要原因是頸部傷害指數NIC 得分較低，該項得分0.941 分僅占滿分的47%。頸部傷害指數NIC 主要評價頭部枕骨鏈相對于胸部T1 的水平加速度和速度的相對值，體現頭部和胸部之間相對運動的劇烈程度，計算公式如下：

式中，相對加速度

相對速度

頭部加速度曲線、胸部T1 加速度曲線與NIC 值的仿真曲線如圖3 所示，仿真開始時，假人頭部與背部均沒有與座椅發生碰撞，頭部加速度曲線、胸部T1 加速度曲線與NIC值均為0；在37ms時，假人背部接觸座椅靠背，座椅靠背給假人背部一個向前作用力并有一個上提的趨勢，這導致頸椎下部伸展而上部彎曲，頸部載荷產生，座椅靠背與假人背部之間產生作用力并逐漸增大，即T1 加速度逐漸增大，此時假人頭部由于慣性保持在初始位置，假人頭部尚未與座椅頭枕發生接觸，頭部加速度為0，胸部與頭部產生了加速度差值，NIC 值開始產生并隨時間動態變化；在64ms 時，由于頸部剪切力的作用，假人頭部開始向后轉動并與座椅頭枕發生接觸，頭枕緩沖了頭部的后仰運動，頭枕與頭部相互作用使得假人頭部加速度開始產生并逐漸增大；在73ms 時，頭部加速度驟然下降，導致假人胸部與頭部的加速度差值即NIC 迅速增加，在82ms 時NIC 達到最大為19.65 m/s，按照線性插值法計算出NIC 得分為0.941 分。

圖3 頭部加速度曲線、胸部T1加速度曲線與NIC值的仿真曲線

如圖4 所示，進一步分析碰撞過程中座椅骨架的受力情況可知，73 ms 時頭部加速度驟然下降的原因為：靠背調角器連接板下端剛性不足，靠背調角器連接板下端變形偏大，骨架發生屈服，致使座椅靠背帶動頭枕向后傾倒，造成頭枕對假人頭部的支撐變弱。

圖4 座椅骨架的受力情況

5 座椅方案改進

通過公式的理論分析初步判斷減小NIC值即減小胸部與頭部加速度的差值的思路為：在現有設計的基礎上改善座椅靠背，增加靠背骨架剛性、增加假人穿透量，改善頭枕外形、頭枕前后位置、頭枕內部支撐結構，增加頭枕對假人頭部支撐，同時還要適當減小胸部加速度并適當增大頭部加速度、縮短頭部加速度與胸部加速度峰值時間差。具體改進方案如下所述：

（1）更改靠背調角器連接板結構，減小碰撞過程中靠背調角器連接板變形量，進而增強靠背調角器連接板剛度，能夠改善座椅靠背后傾的問題，使靠背能更好支撐人體，如圖5a 和圖5b 所示。同時應注意控制調角器與靠背連接板之間焊點的數量與質量。

圖5

（2）增加頭枕高度，將現有的低于假人頭部的頭枕頂端調整至與假人頭部頂端平齊，提高頭枕對頭部的支撐，提前阻止了頭部的后仰運動從而減小上下頸部載荷，如圖6a 和圖6b 所示。

圖6

（3）頭枕內部增加塑料件，增大頭枕對假人頭部的支撐，進而適當增加頭枕對假人頭部支撐，加大假人頭部加速度，如圖7a 和圖7b 所示。

圖7

（4）背上部鋼絲后移，同時降低靠背發泡硬度，增加假人背部穿透量，使假人頭部更早地與頭枕接觸，減小胸部加速度，從而減小假人頸部傷害指數及頸部曲張量，如圖8a 和圖8b 所示。

圖8

6 鞭打優化仿真結果

經過改進后，如圖9 和圖10 所示，靠背調角器連接板下端變形減小，最大應變降低至0.067，靠背骨架幾乎不變形。

圖9 改進后座椅骨架的受力情況

圖10 改進后座椅頭枕的受力情況

經過改進后，頸部傷害指數NIC 明顯下降，NIC 得分為1.62 分，占滿分的81%，相較改進前提升了34%，鞭打試驗總體得分得以提高，對比結果如表2 所示。

表2 鞭打試驗改進前后損傷對比

7 試驗驗證

如圖11 所示，根據仿真試驗結果，重新組織實物進行試驗，以驗證試驗仿真分析結果與實際試驗結果差異，為改進當前產品及后續項目提供鞭打設計依據。

經過改進后試驗驗證，表3 所示，NIC 的最大值為11.49 m/s，頸部傷害指數NIC 明顯下降，按照線性插值法計算出NIC 得分為1.683 分，鞭打試驗得分提升至4.683 分。

表3 改進后實物試驗的鞭打得分

8 結語

本文針對某車型駕駛員座椅2021 版鞭打試驗得分較低的問題，建立座椅鞭打試驗的仿真模型，對模擬碰撞過程中的受力情況和仿真結果進行分析研究，通過更改靠背調角器連接板結構、調整頭枕高度、增加頭枕內部支撐結構、調整靠背支撐鋼絲位置的方法改善頸部傷害指數，改善后鞭打試驗得分明顯提高，能夠有效地減小車輛追尾事故中駕駛員的頸部鞭打損傷，為改進當前產品及后續項目提供鞭打設計依據。