上海通用五菱10.16638/jki.1671-7988.2019.16.041
符大兴1，刘华官1，李登云1，于国超2
（1.上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州545007；2.武汉理工大学汽车工程学院，湖北武汉430070）
摘要：针对某乘用车座椅在2018版C-NCAP鞭打试验中得分较低的问题，依据鞭打试验要求，在HyperMesh软件中建立座椅鞭打试验的仿真模型，利用LS-DYNA软件作为求解器，对仿真结果进行分析，确定改进的方向，对改进头枕强度与位置的座椅模型进行仿真验证。结果表明，改进后的座椅鞭打试验得分明显提高，座椅的防鞭打试验性能得到有效的优化，对减轻车辆碰撞事故中乘员颈部伤害具有重要意义。
关键词：汽车座椅；鞭打试验；仿真分析；性能优化
中图分类号：U467 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2019)16-110-05
Research and improvement of passenger car seat whipping test performance
Fu Daxing1, Liu Huaguan1, Li Dengyun1, Yu Guochao2
( 1.SAIC GM Wuling Automobile Co. Ltd, Guangxi Liuzhou 545007;
2.School of Automotive Engineering, Wuhan University of Technology, Hubei Wuhan 430070 )
Abstract: In view of the low score of a passenger car seat in the 2018 C-NCAP whipping test, according to the whipping test requirements, the simulation model of the seat whipping test is established in the HyperMesh software, and the LS-DYNA software is used as the solver. The simulation results are analyzed to determine the direction of improvement, and the seat model for improving the strength and position of the headrest is simulated and verified. The results show that the improved seat whipping test score is significantly improved, the anti-whipping test performance of the seat is effectively optimized, and it is of great significance to reduce the neck injury of the occupant in the vehicle collision accident. Keywords: car seat; whipping test; simulation analysis; performance optimization
CLC NO.: U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2019)16-110-05
引言
汽车追尾碰撞事故导致的挥鞭伤是一种常见的伤害[1]，追尾事故会给乘员颈部的骨骼或软组织造成严重的损伤[2]，这种损伤导致的并发症很多，严重时会对人体造成永久的伤害，给人们带来重大的健康和经济负担。相关研究发现，通过减小后部撞击时乘员头部和躯干之间的相对运动[3]，可以有效的提高座椅的鞭打性能。在汽车发生追尾碰撞事故时，保证座椅能够有效的保护人体免受伤害已经成为各大汽车公司重点研究的内容。
本文依据2018版C-NCAP鞭打试验要求，运用有限元方法建立某乘用车座椅的鞭打试验模型，针对鞭打试验仿真结果中得分较低的问题，提出座椅的改进方案，对改进后的座椅进行仿真验证，结果表明，更改头枕的位置以及头枕骨架的刚度可以有效的提升座椅的鞭打性能。
1 2018版鞭打试验评分原则
自2008年底，欧洲将挥鞭伤试验列入E-NCAP评价体系后，鞭打试验受到越来越多的重视[4]。2012年开始，C-NCAP也正式将鞭打试验纳入评分体系，在《C-NCAP管理规则》中有较详细的评分标准，从2012年到2018年期间，鞭打试验的评分准则也发生了相应的变化，2018版C-NCAP
作者简介：符大兴（1984-），男，工程师，就职于上汽通用五菱汽车股份有限公司，主要从事汽车内外饰设计方面工作。项目基金：柳州市科学研究与技术开发计划项目（2016A030202）。
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符大兴 等：乘用车座椅鞭打试验性能研究与改进
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鞭打试验[5]总分从之前的4分提高为5分，试验分值的提高体现了鞭打性能的重要性更高。其中颈部伤害指数NIC 分值为0~2分，即NIC 值低于高性能限值时得2分，高于低性能限值时得0分，采用线性插值的方法计算处于高低性能限值之间的分数，结果保留两位小数。NIC 值的主要影响因素是头部加速度与胸部加速度，如图1-1所示。颈部载荷和扭矩由0~1分更改为0~1.5分，分数计算方式与NIC 值相同，颈部载荷和扭矩如图1-2所示。
图1 头部、胸部加速度 图2 颈部载荷、扭矩
2018版C-NCAP 鞭打试验评分表中的罚分项也作出了相应的更改，座椅靠背动态张角由2015版的19°更改为25.5°，需要更好的平衡调角器强度和靠背设计。对座椅靠背动态张角超过25.5°和头枕干涉头部空间的情况均扣除2分，对座椅滑轨动态位移超过20mm 的情况由扣除4分更改为5分。此外，测试过程中对碰撞速度的设定由15.65km/h 提升为20km/h ，体现了测试条件越来越严格，对座椅设计的要求越来高[6]
。2018版鞭打试验总体评分原则如表1所示。
表1 2018版鞭打试验总体评分原则
2 鞭打试验模型的建立
本文鞭打试验仿真所用的假人模型是由德国DYNA -More 公司研发的BioRID II 假人模型，如图3所示。该模型是专为LS-DYNA 求解器编写的，现已被众多的LS-DYNA 用户所使用，模型试验结果的准确性已经得到广泛的验证。BioRID II 假人模型主要用来开发安全的头枕和座位，拥有着与真实人体相同的24节脊椎结构，包括C1-C7的7节颈椎、T1-T12的12节胸椎和L1-L5的5节腰椎[7]，通过铰链将不同的脊骨连接起来，使脊椎结构只能绕Y 方向转动，试验假人在座椅上的坐姿更加贴合真实的乘员坐姿，碰撞过程中假
人的运动状态与真实事故中乘员的运动状态一致性很高，从而保证试验结果的准确性。同时在有限元前处理软件HyperMesh 中将座椅头枕和靠背划分六面体网格，设置座椅头枕角度和高度等相关参数，鞭打仿真用到的座椅模型如图4所示。
图3 BioRID Ⅱ假人模型 图4 座椅模型
按照2018版C-NCAP 鞭打试验要求将BioRID II 假人模型的位置和姿势进行放置，通过LS-DYNA 软件中的LS-Prepost 模块进行假人位置和姿势的调节。将假人模型移动至座椅H 点处，由于假人模型放置在座椅上会存在一定的误差，因此将假人模型移至座椅H 点前方10mm 处，并调节假人模型的手臂、膝盖和脚踝等关节处的角度，将假人模型与座椅之间的接触定义为面与面接触。对假人模型施加一个
沿Z 方向向下的重力场，即定义假人模型受到的重力加速度为9.8m/s 2，保证整个假人模型与座椅更好的贴合，鞭打试验模型整体处于静平衡的状态。
图5 X 向加速度曲线
图6 鞭打仿真模型
鞭打试验中要求将座椅固定在滑车上，滑车需要保证座椅只能前后移动，在仿真模型中将滑车除X 方向以外的五个自由度进行全约束，以保证座椅只能在X 方向进行前后移动。按照法规要求在X 方向施加如图5所示的加速度。在碰撞试
验结束后，为防止假人模型由于惯性作用向前倾倒损坏，建立三点式安全带模型，将安全带模型与车身的连接设置为刚性单元连接，建立好的鞭打试验模型如图6所示。
汽车实用技术
112 3 鞭打试验仿真结果与分析
手动挡汽车3.1 颈部伤害指数NIC
颈部伤害指数NIC 主要评价头部枕骨铰链相对于胸部T1的水平加速度和速度的相对值[8]
，体现头部和胸部之间相对运动的剧烈程度。计算公式如下：
（1）
（2）
相对加速度：
（3）
式中，，
单
位均为m/s 2。
相对速度：
上海通用五菱宝骏630（4） 头部与胸部的加速度曲线如图7所示，从图中看出，仿真刚开始时，假人头部与背部均没有与座椅发生碰撞，头部与胸部的加速度几乎为零，在40ms 时，假人背部最先与座椅靠背发生接触，两者之间开始产生作用力并逐渐增大，导致胸部加速度开始产生并逐渐增大，此时头部尚未与头枕发生接触，两者之间没有产生作用力，头部的加速度依然为零。在78ms 时，假人背部与座椅靠背之间的作用力达到最大，胸部加速度达到一个峰值。在83ms 时，假人头部与座椅头枕开始接触，头部与头枕之间开始产生作用力变形，头部加速度开始产生并逐渐增大，在123ms 时，假人头部与座椅头枕之间的作用力达到最大，头部加速度达到峰值，此时座椅头枕的变形量也达到最大。
图7 头部、胸部加速度仿真曲线
颈部伤害指数NIC 的仿真曲线如图8所示，从图中看出，在仿真刚开始时，由于假人头部与胸部没有与座椅发生接触，进而两者均没有产生加速度，导致与头部和胸部加速度差值有关的NIC 值也保持为零，在40ms 时，胸部加速度开始产生并不断增大，此时的头部尚未接触头枕，头部加速度为零，头部与胸部产生了加速度差值，导致NIC 值开始产生并不断增大。胸部加速度在78ms 时达到一个峰值，此时头部加速度依然为零，头部与胸部的加速度差值达到最大，NIC 值达到最大值18.20m 2/s 2。
头部与头枕在83ms 时发生接触，头部加速度开始产生并不断增大，此时的胸部加速度处于持续下降的阶段，头部
加速度逐渐超过胸部加速度，NIC 值在97ms 开始反向增大，随着头部加速度的不断增大以及胸部加速度的不断减小，两者的加速度差值在104ms 左右又达到一个峰值，NIC 值反向达到最大值25.00m 2/s 2。仿真结束后，按照线性插值的方法计算出NIC 项得分为1.07分。
图8 NIC 仿真曲线
3.2 颈部剪切力Fx
颈部剪切力是评价假人头部相对于躯干向后的作用力。剪切力越大，表明颈部受到的伤害程度越大，对乘员的危害
性越大。其计算公式如下：
（5）
从颈部剪切力的定义可以看出，假人头部与胸部的作用力差值导致颈部剪切力的产生，在仿真曲线上表现为头部与胸部加速度的差值，假人头部与胸部的加速度差值在40ms 左右产生，上颈部剪切力也在此时开始产生并不断增大，随着假人头部与头枕接触并产生作用力，假人背部与座椅靠背之间作用力的减小，头部与胸部之间的运动差异减小，导致上颈部剪切力减小，仿真曲线如图9所示。根据C-NCAP 中的规定，仿真结束后，上颈部剪切力取正值，其最大值达到了66N ，小于高性能限值340N ，该项得分为1.50分。
图9 上颈部剪切力 图10 下颈部剪切力
下颈部剪切力仿真曲线如图10所示，从图中看出，当加载到40ms 左右的时候，胸部与头部产生加速度差值，两者的运动差异导致下颈部剪切力开始反向增大，在63ms 时达到一个峰值，头部加速度在83ms 时产生并不断增大，此时的胸部加速度处于下降阶段，下颈部剪切力正向增大，在110ms 时达
到最大值295N 。根据C-NCAP 中的规定，仿真结束后，下颈部剪切力取正值，其最大值达到了295N ，小于高性能限值340N ，该项得分为1.50分。 3.3 颈部拉力Fz
颈部拉力是评价颈部的受拉伸情况，其计算公式如下：
（6）
上颈部拉力仿真曲线如图11所示，从图中看出，仿真刚
符大兴 等：乘用车座椅鞭打试验性能研究与改进
113
开始时，假人头部与胸部均没有与座椅发生接触，上颈部拉力几乎为零，在40m 时候，假人背部与座椅靠背接触并产生作用力，此时的头部与头枕尚未接触便没有产生作用力，假人颈部拉力在头部与胸部存在不同作用力的情况下开始产生，随着头部与胸部作用力差值的增大而增大，在63ms 左右达到峰值。在83ms 时，头部与头枕接触并产生作用力，此时胸部作用力不断减小，导致上颈部拉力沿正向迅速增大，在110ms 左右达到最大值598N 。根据C-NCAP 中的规定，仿真结束后，上颈部拉力取正值，其最大值达到了598N ，处于高性能限值和低性能限值之间，按照线性插值的方法计算得分为1.22分。
图11 上颈部拉力 图12 下颈部拉力
下颈部拉力仿真曲线如图12所示，图中的下颈部拉力在40ms 时开始沿着负方向增大，主要是因为在40ms 左右的时候胸部与头部开始产生作用力差值，在63ms 时达到一个峰值，在83ms 时，头部与头枕开始产生作用力并迅速增大，此时胸部作用力逐渐减小，导致下颈部拉力迅速增大，在105ms 左右达到最大值398N 。根据C-NCAP 中的规定，下颈部拉力取正值，其最大值达到了398N ，处于高性能限值和低性能限值之间，按照线性插值的方法计算得分为1.32分。 3.4 颈部扭矩My
颈部扭矩主要是评价伸张和拉伸两个方向的作用，其计算公式如下：
（7）
（8） 式中：D=0.01778m 下颈部扭矩：
（9）
上颈部扭矩仿真曲线如图13所示，从图中看出，上颈部扭矩在40ms 时开始增大，此时假人背部与座椅靠背发生接触，座椅靠背产生的支撑力使假人背部停止向后运动，而假人头部尚未接触头枕，在没有头枕的支撑作用下，头部依然保持向后的运动状态，假人背部与头部运动状态的差异导致上颈部产生扭矩，在125ms 时，上颈部扭矩达到最大值13.7Nm ，处于高性能值和低性能值之间，根据线性插值的方法计算该项得分为1.41分。
下颈部扭矩仿真曲线如图14所示，从图中看出，下颈部扭矩在40ms 左右开始正向增大，在63ms 左右达到一个峰值，
然后开始减小为零，当头部与头枕接触并产生作用力，胸部作用力逐渐减小时，下颈部扭矩沿着负方向增大，在115ms 时，下颈部扭矩达到最大值8.00Nm ，小于高性能限值12Nm ，该项得分为1.50分。
图13 上颈部扭矩 图14 下颈部扭矩
最后根据C-NCAP 鞭打试验评分原则，颈部载荷和扭矩每项取最低分，该座椅的鞭打试验总得分为3.61分，座椅的鞭打得分较低，鞭打性能有很大的优化空间。
4 座椅方案改进
座椅鞭打试验总体评分原则中NIC 值所占的比重较高，从仿真结果的分析中可以看出，NIC 值得分较低，可以优化的空间很大，因此要想获得较高的鞭打性能得分，提高颈部伤害指数NIC 值是关键[9]。
从NIC 值的理论计算公式可以看出，影响NIC 值的主要因素是头部与胸部加速度差值。从仿真曲线也可以看出，当头部与胸部加速度产生差值的时候，NIC 值便开始产生，当头部与胸部加速度差值达到最大的时候，NIC 值也达到最大值。缩小头部与头枕之间的距离，即减小头后间隙可以让头部更早与头枕接触，使头部更早的产生加速度。颈部剪切力是头部相对于背部向后的作用力，增加头枕杆的刚度可以增大头部与头枕之间的作用力，进而增加头部加速度，从而有效的降低NIC 值和颈部剪切力。颈部扭矩主要反映的是颈部所受的伸张和弯曲作用力，颈部拉力主要反映的是颈部受拉
伸的作用力。调高头枕位置可以让头枕更早的接触头部，减小头部向后弯曲，有效的减小颈部产生的拉力和扭矩。
图15a 优化前结构 图15b 优化后结构
图16a 优化前骨架 图16b 优化后骨架
汽车实用技术
114根据上述分析，在控制座椅开发成本的前提下，对座椅
的详细改进方案如下所述：
①将头枕杆向前转动6°，使假人头部后表面与头枕接触表面之间的距离由62mm减小到30mm，同时将假人头部顶端与头枕顶端之间的距离由-18mm提高到-7mm，加快头部接触头枕，保证头部能够尽早产生加速度，如图15所示。
②在头枕杆位置上增加支撑板，增大头枕杆以及头枕局部发泡的刚度，提高头部加速度，如图16所示。
5 鞭打优化仿真结果
本田汽车配件NIC值优化对比结果如图17所示，优化后的NIC值由18.20m2/s2降到12.10m2/s2，NIC得分由1.07分提高到1.63分，分值有明显的提高。
图17 NIC值
上颈部剪切力优化对比结果如图18所示，最大值由66N 减小到60N，获得1.50分。下颈部剪切力优化对比结果如图19所示，最大值由295N减小到150N，获得1.50分。
图18 上颈部剪切力图19 下颈部剪切力
上颈部拉力优化对比曲线如图20所示，最大值由598N 减小到360N，得分由1.22分提高到1.50分，下颈部拉力优化对比曲线如图21所示，最大值由398N减小到220N，得分由1.22分提高到1.50分。
图20 上颈部拉力图21 下颈部拉力上颈部扭矩优化对比结果如图22所示，最大值由13.7Nm减小到9.8Nm，得分由1.41分提高到1.50分。下颈部扭矩优化对比结果如图23所示，最大值由8Nm减小到4.2Nm，获得1.50分。
图22 上颈部扭矩图23 下颈部扭矩经过优化后，座椅颈部各伤害值均有明显的提升，结果如表2所示。鞭打得分得到了很大的提高，达到了优化效果。
表2 鞭打试验优化前后损伤对比
奥迪s4报价6 结语
本文针对某乘用车2018版鞭打试验得分较低的问题，建立座椅鞭打试验的仿真分析模型，对鞭打试验的仿真结果进行分析研究。通过改进座椅头枕结构以及增加支撑板，保证假人头部尽早接触座椅头枕以及增大假人头部接触头枕时的加速度，优化后的假人颈部伤害指数明显降低，鞭打试验得分明显提高，能够有效的减小车辆碰撞事故中车内人员的颈部鞭打损伤。
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