商恩義 陳現(xiàn)嶺 師玉濤 劉 濤

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

1 鞭打試驗(yàn)介紹

為了評(píng)價(jià)車輛在追尾碰撞事故中乘員頸部所受“揮鞭傷”的程度，2012版C-NCAP星級(jí)評(píng)價(jià)體系[1]中，增加了新的考核試驗(yàn)項(xiàng)目——鞭打試驗(yàn)。鞭打試驗(yàn)是將座椅及約束系統(tǒng)仿照原車結(jié)構(gòu)，固定安裝在移動(dòng)滑車上，滑車以目標(biāo)速度變化量為15.65±0.8 km/h的特定加速度波形正向發(fā)射，模擬追尾碰撞過程。試驗(yàn)中座椅上放置BioRID II型假人，測量該假人某些點(diǎn)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)分別指定為高性能指標(biāo)和低性能指標(biāo)，高性能指標(biāo)對(duì)應(yīng)滿分，低性能指標(biāo)對(duì)應(yīng)零分，兩指標(biāo)之間數(shù)值按差值計(jì)算得分，以最終得分評(píng)價(jià)乘員頸部傷害情況。假人測量數(shù)據(jù)有以下兩組：一組為通過頭部加速度、胸部加速度計(jì)算出的頸部傷害指數(shù)NIC，分?jǐn)?shù)為0～2；另一組為上頸部和下頸部的載荷與扭矩，包括上下頸部正向剪切力、正向張力、彎矩，分?jǐn)?shù)分別為0～1分，該組最高分?jǐn)?shù)為6分，即鞭打試驗(yàn)分?jǐn)?shù)最高得分為8分。C-NCAP中規(guī)定，鞭打試驗(yàn)在總體得分中所占分值為4分,所以試驗(yàn)后要通過以下方式將鞭打試驗(yàn)分?jǐn)?shù)進(jìn)行換算：7分及以上為滿分，4分及以下對(duì)應(yīng)零分，4～7分間通過差值法計(jì)算得到。

2 追尾碰撞時(shí)乘員運(yùn)動(dòng)及頸部損傷機(jī)理

2.1 追尾碰撞時(shí)乘員頭部、頸部、胸部的運(yùn)動(dòng)過程

追尾碰撞時(shí)，乘員頭部、頸部、胸部的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)通?？煞譃橐韵聨讉€(gè)運(yùn)動(dòng)過程：一是碰撞開始至頭部后端與頭枕接觸前，此過程中，乘員胸部在座椅靠背推動(dòng)下向前運(yùn)動(dòng)，但頭部保持在初始位置，且不旋轉(zhuǎn)，頭部、頸部、胸部之間將產(chǎn)生內(nèi)力，在內(nèi)力作用下，上頸部脊柱向前彎曲而下頸部脊柱向后伸展，頸部脊柱呈S形；二是頭部與頭枕接觸過程，此過程中，頭部將受到頭枕施加的剪切力、軸向力和彎矩，由于頭部與頭枕接觸位置不同，頭部受到的各方向合力將完全不同，對(duì)頸部造成的傷害差異明顯；三是頭部彈離頭枕至碰撞結(jié)束過程，此過程中，頭部在頭枕作用下向前運(yùn)動(dòng)，在安全帶作用下再回彈，最終結(jié)束運(yùn)動(dòng)。

2.2 追尾碰撞中乘員頸部的損傷機(jī)理

追尾碰撞中乘員頸部損傷機(jī)理的理論基礎(chǔ)是碰撞中頭部和胸部之間的運(yùn)動(dòng)差異導(dǎo)致了相鄰頸椎間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)[2]。關(guān)于頸部損傷機(jī)理的代表性假設(shè)有：在追尾碰撞中，頸椎受到剪切力和軸向力作用，造成相鄰頸椎上、下關(guān)節(jié)突出表面相互沖撞從而引起軟骨面損傷。當(dāng)前，C-NCAP鞭打試驗(yàn)中關(guān)于頸部的損傷評(píng)價(jià)基于此假設(shè)制定。

3 鞭打試驗(yàn)中假人頭部受力分析方法

鞭打試驗(yàn)中規(guī)定的評(píng)價(jià)指標(biāo)充分反映了假人頸部造成的損傷是假人頭部和胸部之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成的，因此，以假人頭部運(yùn)動(dòng)和受力為試驗(yàn)分析基礎(chǔ)，將有助于提高試驗(yàn)分析效率。

3.1 假人頭部外力計(jì)算方法

鞭打試驗(yàn)過程中，假人頭部除了存在慣性力外，還將受到頭枕施加的外力、上頸部施加的約束內(nèi)力。分析中[3，4]，假人頭部質(zhì)量m取4.54 kg，頭部受力和加速度方向，x向?yàn)榍?、后方向，向前為正；z向?yàn)樯?、下方向，向下為正。頸部受力方向，軸向?yàn)閦向（張力），拉伸為正，壓縮為負(fù)；橫向?yàn)閤向（剪切力），頭部向后，胸部向前為正，反之為負(fù)。對(duì)于頸部彎矩，下頜向胸部為正。則有[5]：

式中，ax、az表示假人頭部 x向和 y向的加速度；Fx、Fux表示假人頭部x向所受外力、約束內(nèi)力（即上頸部剪切力）；Fz、Fuz表示假人頭部z向所受外力、約束內(nèi)力（即上頸部張力）。

ax、az、Fux、Fuz在試驗(yàn)過程中可采集得到， 因此，依據(jù)公式（1）和公式（2），可計(jì)算出試驗(yàn)過程中假人頭部x向和z向所受到的外力。對(duì)于頭部y向受力，由于后碰撞試驗(yàn)中其值較低，則不予考慮。

3.2 假人頭部外力計(jì)算實(shí)例

在L車型座椅開發(fā)過程中進(jìn)行了A、B等多次鞭打試驗(yàn)，以試驗(yàn)A為例，計(jì)算鞭打試驗(yàn)過程中頭部所受外力。

試驗(yàn)中，采集的ax和az如圖1所示，F(xiàn)ux和Fuz如圖2所示。

用 Fix表示 max， 得出 Fx、Fux、Fix之間關(guān)系如圖 3所示。 同理，用 Fiz表示 maz，得出 Fz、Fuz、Fiz之間關(guān)系如圖4所示。

圖3 中，頭部x向所受外力為正，峰值達(dá)到1 000 N；圖4中，頭部z向所受外力為負(fù)，即頭枕對(duì)頭部的作用力向上，且幅值達(dá)到700 N以上。綜合分析此次鞭打試驗(yàn)中頭部x向和z向所受外力可知，頭部與頭枕發(fā)生碰撞時(shí)刻約為90 ms，碰撞過程中假人后腦砸到頭枕偏上位置。

3.3 頭部受力分析所確認(rèn)碰撞時(shí)刻在頸部傷害指標(biāo)NIC分析中的應(yīng)用

3.3.1 NIC計(jì)算過程介紹

在碰撞過程中有：

用E表示頭部與頭枕碰撞結(jié)束時(shí)刻，則有：

式中，aT表示胸部上端x向加速度，為對(duì)應(yīng)胸椎上端位置左、右兩側(cè)T1傳感器測得的假人胸部x向加速度平均值，方向和單位與頭部加速度相同；ar表示胸部與頭部x向間相對(duì)加速度；Vr表示胸部與頭部x向間相對(duì)速度。

NIC計(jì)算過程表明，該傷害指標(biāo)計(jì)算過程中主要涉及aT和ax，aT和ax間差值的降低是優(yōu)化NIC的關(guān)鍵。

3.3.2 頭部碰撞時(shí)刻應(yīng)用

以試驗(yàn)A中數(shù)據(jù)處理過程為例，對(duì)NIC計(jì)算過程中頭部碰撞時(shí)刻的應(yīng)用進(jìn)行研究。通過左、右兩側(cè)T1傳感器所采集到的x向加速度計(jì)算出aT，將aT和ax調(diào)入同一圖中，通過取差值計(jì)算出ar，如圖5所示。將ar積分成Vr，如圖6所示。用M表示相對(duì)加速度0.2ar，用N表示相對(duì)速度的平方，M、N和NIC間關(guān)系如圖7所示。

圖 5中，aT和 ax相比，aT起步早、上升緩、持續(xù)時(shí)間長，該現(xiàn)象主要是由于試驗(yàn)前假人背部與座椅靠背相接觸，T1位置與靠背發(fā)生硬性碰撞時(shí)間早，并且隨著碰撞深入向后上方持續(xù)上挺所致。假人ax在碰撞初始階段基本為零，只在約90 ms時(shí)才有變化，且正向變化急劇，此變化與頭部和頭枕發(fā)生碰撞有關(guān)，頭部與頭枕發(fā)生碰撞的時(shí)間晚，強(qiáng)度大，隨著假人頭部與頭枕發(fā)生碰撞，相對(duì)加速度瞬間轉(zhuǎn)向，NIC值開始減小。

圖7中，NIC在約90 ms時(shí)取得最大值18，超標(biāo)較多，只得1.2分，尚有0.8分的提升空間。分析NIC構(gòu)成，相對(duì)加速度的平方占比較高，直接影響較大；另外，相對(duì)速度也是由相對(duì)加速度積分而來，受加速度間接影響，因此，提高分?jǐn)?shù)必須降低相對(duì)加速度。

上述分析表明，NIC值的大小與假人背部碰撞強(qiáng)度和頭部與頭枕的碰撞時(shí)刻密切相關(guān)。假人背部碰撞強(qiáng)度低，NIC偏?。患偃祟^部與頭枕碰撞早，在aT曲線起步初期便發(fā)生，將迅速緩解背部的沖擊強(qiáng)度，使ar在值較小時(shí)方向便開始轉(zhuǎn)折，進(jìn)而降低NIC正向幅值。考慮到假人背部的沖擊強(qiáng)度不可能無限下調(diào)，因此在優(yōu)化NIC時(shí)應(yīng)盡可能考慮將頭部與頭枕接觸時(shí)刻提前。

3.4 頸部載荷分析中頭部受力分析結(jié)果應(yīng)用

截取試驗(yàn)A中假人頭部與頭枕接觸時(shí)刻及頸部Fz最大時(shí)刻錄像如圖8和圖9所示。圖9中，將假人頭部受力平移至頭部與頸部連接位置，平移后，假人頭部x向和z向作用力對(duì)假人頸部將產(chǎn)生正向疊加彎矩My，導(dǎo)致該正向彎矩較大。頭部受力對(duì)頸部的總體影響是，頸部上端正向彎矩My增大；頸部z向張力Fz也將增大，且相對(duì)下端，上端增加將更加明顯。假人頭部在My作用下，下頜內(nèi)收（圖8和圖9中比較可知），頸部下端的剪切力將增大。

試驗(yàn)A中假人頸部的各傷害指標(biāo)如表1所列。

表1 L車型鞭打試驗(yàn)A中頸部各傷害評(píng)分

表1中，該車型整體得分情況較差，其中，以Fz、My、Fx失分最高，這與分析情況較一致，表明頭部與頭枕碰撞中頭部后腦受到向前上方推力對(duì)假人頸部傷害較大。另外，從圖3中得知該次試驗(yàn)中假人頭部x向受力達(dá)1 000N左右，偏大，x向碰撞力偏大與頭部和頭枕碰撞時(shí)刻晚，頭部運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)較高有關(guān)。為了降低頸部x向受力，進(jìn)而降低頸部各載荷傷害，有必要將頭部與頭枕的碰撞時(shí)刻提前，以降低碰撞前頭部運(yùn)動(dòng)速度，進(jìn)而降低其沖擊強(qiáng)度。

4 鞭打試驗(yàn)中頭部受力分析方法在座椅優(yōu)化中的應(yīng)用研究

在座椅優(yōu)化過程中，通過應(yīng)用頭部受力分析方法分析鞭打試驗(yàn)結(jié)果可以大大提高優(yōu)化效率。在L車型座椅開發(fā)過程中，對(duì)試驗(yàn)A的假人頭部進(jìn)行受力分析后發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)A中傷害結(jié)果普遍偏高。進(jìn)一步分析可知，其主要原因在于座椅整體剛度不夠，碰撞過程中，座椅滑道發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，靠背在假人背部上挺過程中發(fā)生相對(duì)下移至其后仰明顯，最終造成頭部與頭枕碰撞時(shí)刻較晚，碰撞點(diǎn)在頭枕前上方，且碰撞強(qiáng)度較大。

4.1 改進(jìn)試驗(yàn)中頭部受力分析

在對(duì)試驗(yàn)A結(jié)果分析的基礎(chǔ)上，對(duì)現(xiàn)有座椅進(jìn)行了有針對(duì)性的改進(jìn)。為了避免碰撞中靠背相對(duì)假人發(fā)生下移而導(dǎo)致頭部后腦下部與頭枕上端發(fā)生碰撞，將座椅整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了加固；為了將頭部與頭枕的接觸時(shí)刻提前，將頭枕結(jié)構(gòu)進(jìn)行了更改，將原直上直下式頭枕改為前傾式頭枕（圖13），縮短了頭部后端與頭枕間的相對(duì)距離。將座椅強(qiáng)度增大和頭枕結(jié)構(gòu)改進(jìn)后進(jìn)行了試驗(yàn)B。

試驗(yàn)中，采集的ax和az如圖10所示。

處理后 Fx、Fux、Fix之間關(guān)系如圖 11 所示，F(xiàn)z、Fuz、Fiz之間關(guān)系如圖12所示。

圖11 中，頭部與頭枕接觸時(shí)刻約為碰撞開始后的第52 ms左右，與試驗(yàn)A結(jié)果相比明顯提前，并且頭部x向所受外力只約為700 N，下降明顯；圖12中，頭部z向所受外力約為130 N，不但幅值下降明顯，而且碰撞后轉(zhuǎn)為正向，即頭枕在頭部上挺過程中對(duì)其產(chǎn)生了向下的摩擦力。

試驗(yàn)B中，頭部與頭枕接觸情況如圖13所示。圖13中，假人頭部后端靠上位置與頭枕上端發(fā)生接觸，此碰撞形式起到了阻止假人頭部上挺的作用。

4.2 改進(jìn)試驗(yàn)中NIC分析

在試驗(yàn)B中計(jì)算出ar如圖14所示，NIC處理結(jié)果如圖15所示。

從圖14可以看出，與試驗(yàn)A中ar約7 g相比，改進(jìn)后ar約為4.6 g，下降明顯。

圖15中，NIC的最大值約為10，雖未取得滿分，但比試驗(yàn)A下降了近50%，取得1.8分。

綜上所述可知，NIC值的大小與假人背部碰撞強(qiáng)度和頭部與頭枕的碰撞時(shí)刻密切相關(guān)，假人背部碰撞強(qiáng)度低，NIC偏?。患偃祟^部與頭枕碰撞時(shí)刻早，在aT曲線起步初期便發(fā)生，將迅速緩解背部沖擊強(qiáng)度，使ar在值較小時(shí)方向便開始轉(zhuǎn)折，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)降低NIC正向幅值?？紤]到假人背部沖擊強(qiáng)度不可能無限下調(diào)，因此在優(yōu)化NIC傷害時(shí)應(yīng)盡可能將頭部與頭枕接觸時(shí)刻提前。

4.3 改進(jìn)試驗(yàn)中頸部載荷分析

試驗(yàn)B中假人頸部的各傷害指標(biāo)如表2所列。

表2 L車型鞭打試驗(yàn)B中頸部傷害評(píng)分

表 2 中，各評(píng)分點(diǎn)均為滿分，表明 Fz、My、Fx改善明顯，尤其頭部z向受力方向的改變對(duì)其它指標(biāo)的改善起到了較大作用。最終，在C-NCAP評(píng)分中，改進(jìn)后C-NCAP得分由1.3分提升為滿分4分?？傮w而言，該車型座椅頭枕優(yōu)化方案較成功。

5 結(jié)束語

通過對(duì)鞭打試驗(yàn)中假人頭部受力分析方法進(jìn)行探討，對(duì)假人頭部與頭枕接觸時(shí)刻及碰撞強(qiáng)度在座椅結(jié)構(gòu)及頭枕優(yōu)化中的應(yīng)用進(jìn)行研究，得出如下結(jié)論：

a 假人與頭部接觸時(shí)刻越早，越有利于降低頸部NIC指標(biāo)及頭部碰撞強(qiáng)度；

b 頭部碰撞強(qiáng)度低及z向受力向下，將有利于降低頸部各載荷。

1 中國汽車技術(shù)研究中心 (天津).中國新車評(píng)價(jià)規(guī)則(C—NCAP),2009.

2 肖志,楊濟(jì)匡.汽車低速追尾碰撞中乘員動(dòng)力學(xué)響應(yīng)和頸部損傷的仿真研究.中國機(jī)械工程2007,18(10):1239～1243.

3 Humanetics Innovative Solutions Inc.BioRIDⅡTechnical Specifications—Segment Weights.

4 SAE J211-1.Instrumentation for Impact Test-PART 1-Electronic Instrumentation,2007.

5 商恩義,張君媛，楊斌，等.正面碰撞試驗(yàn)中假人頭部及胸部受力分析方法的研究與應(yīng)用.汽車技術(shù).2010（10）:18～21.