李鐵柱 魯后國(guó) 闞洪貴
(安徽江淮汽車股份有限公司)
基于仿真分析的某座椅鞭打性能改進(jìn)
李鐵柱 魯后國(guó) 闞洪貴
(安徽江淮汽車股份有限公司)
針對(duì)某車輛座椅在C-NCAP鞭打試驗(yàn)中頸部保護(hù)性能較差的問題,通過對(duì)人體頭、頸部受力分析確定了改進(jìn)方向,主要集中在座椅靠背剛度、頭枕剛度和頭后間隙等方面。建立了該座椅的鞭打仿真模型并進(jìn)行了驗(yàn)證?;谠摲抡婺P蛯?duì)改進(jìn)方案進(jìn)行驗(yàn)證表明,改進(jìn)方案可行。進(jìn)行了改進(jìn)座椅樣件試制,其座椅鞭打試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了方案的有效性。
在汽車死亡事故中,汽車追尾碰撞只占4%的比例,但追尾碰撞事故占所有致傷事故的比例高達(dá)51%。在汽車追尾碰撞事故中,78.2%的損傷發(fā)生在頸部,追尾碰撞中的頸部保護(hù)已成為各個(gè)國(guó)家亟待解決的問題[1]。座椅的合理設(shè)計(jì)直接影響乘員的頸部保護(hù)效果[2,3]。為了更好地評(píng)價(jià)座椅對(duì)人體頸部的保護(hù)效果,各個(gè)國(guó)家都出臺(tái)了相應(yīng)的安全法規(guī)和評(píng)定規(guī)程,歐洲的Eu?ro-NCAP和美國(guó)汽車安全保險(xiǎn)協(xié)會(huì)IIHS都較早地將座椅鞭打性能納入了考核體系。我國(guó)2012版C-NCAP管理規(guī)則也正式將座椅鞭打試驗(yàn)納入了考核內(nèi)容[4],已經(jīng)發(fā)布實(shí)施的2015版C-NCAP管理規(guī)則將對(duì)座椅鞭打性能提出更高的要求。
針對(duì)某款轎車前排駕駛員座椅鞭打試驗(yàn)中頸部保護(hù)效果較差的問題,通過頭頸部受力分析確定了初步改進(jìn)方向,隨后建立了該座椅的仿真模型,在該模型基礎(chǔ)上制定了具體的改進(jìn)方案,改進(jìn)后座椅樣件的鞭打試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了方案有效性。
2.1 追尾碰撞中頸部運(yùn)動(dòng)過程
根據(jù)追尾碰撞試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),在不同碰撞速度、汽車參數(shù)和乘員身體條件下,頸部的沖擊響應(yīng)參數(shù)不同,但其運(yùn)動(dòng)過程一般可分為下列3個(gè)階段[5],如圖1所示。
a.回收/伸展階段
胸部被座椅靠背推動(dòng)往前運(yùn)動(dòng),此時(shí)乘員頭部因?yàn)閼T性仍然保持在初始位置,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。
由于頸部脊柱對(duì)頭部的切向力,頭部開始向后轉(zhuǎn)動(dòng),整個(gè)頸部脊柱將向后伸展。上頸部脊柱從先前的向前彎曲改變?yōu)橄蚝笊煺?。?dāng)頭部接觸到頭枕,回收/伸展階段結(jié)束。
b.向前運(yùn)動(dòng)階段
頭部接觸頭枕之后,頭部相對(duì)頭枕反向往前運(yùn)動(dòng)。由于座椅儲(chǔ)存的能量傳遞到身體各部分,乘員將產(chǎn)生向前的回彈運(yùn)動(dòng)。
c.前伸/彎曲階段
因?yàn)椴淮嬖谕耆菑椥缘淖危藛T通常會(huì)在第3個(gè)階段相對(duì)汽車向前運(yùn)動(dòng),安全帶開始起作用,約束乘員的向前運(yùn)動(dòng)。胸部受安全帶約束而停止運(yùn)動(dòng),而頭部繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng),頸部脊柱出現(xiàn)反S形,上頸部脊柱向后伸展而下頸部脊柱向前彎曲。但是與第1階段相比,由于胸腔對(duì)安全帶約束力的緩沖,彎曲半徑較大,脊椎和椎間盤結(jié)構(gòu)受力較小,因此頸部損傷的研究主要集中在前兩個(gè)階段。
2.2 追尾碰撞中頸部受力分析
追尾碰撞過程中的頭部受力分析如圖2所示。
在假人頭部坐標(biāo)系X方向上:
在假人頭部坐標(biāo)系Z方向上:
頭部沿Y向轉(zhuǎn)動(dòng)方程為:
式中,F(xiàn)R為頭部約束合力;FX為上頸部剪切力;FZ為上頸部拉力;m為頭部質(zhì)量(4.4 kg);aX為頭部X向加速度;aZ為頭部Z向加速度;h為頭部質(zhì)心到FR力方向的垂直距離;I=0.021 kg·1m2,為頭部沿Y軸向的慣性矩;ω為頭部角速度;My為上頸部彎矩;e1和e2為頭部局部坐標(biāo)系下在Z向和X向頸部力傳感器到頭部質(zhì)心的距離,分別為34 mm和18 mm。
按照2012版C-NCAP管理規(guī)程中座椅鞭打試驗(yàn)要求完成了某座椅的鞭打試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。試驗(yàn)中使用BioRID II型假人模型,該假人具有詳細(xì)的脊椎結(jié)構(gòu),頸部響應(yīng)生物逼真度較高,目前各大安全評(píng)價(jià)體系主要使用該假人評(píng)估座椅的鞭打性能,如圖3所示。
表1 原始座椅鞭打試驗(yàn)中頸部損傷指標(biāo)
由表1可以看出,原始鞭打試驗(yàn)中頸部傷害指數(shù)NIC、上頸部軸向力、上頸部彎矩、下頸部剪切力和下頸部軸向力都超出2012版C-NCAP高性能限值,表明座椅未起到較好的頸部保護(hù)效果,需要進(jìn)一步改進(jìn)。
頸部傷害指數(shù)NIC是枕骨鉸鏈相對(duì)于脊椎骨T1的水平加速度和速度的相對(duì)值:
式中,Axrel為脊椎骨T1相對(duì)頭部的加速度;Vxrel為脊椎骨T1相對(duì)頭部的速度。
從公式(4)可以看出,NIC指標(biāo)兩個(gè)影響因素中相對(duì)加速度占據(jù)90%以上的比重。
如圖4所示,NIC峰值為15.6,峰值出現(xiàn)時(shí)刻為68 ms,該時(shí)刻相對(duì)加速度Axrel對(duì)NIC峰值貢獻(xiàn)為15.0,占NIC峰值的96%,因此減小頭頸部的相對(duì)加速度可以有效改善NIC指標(biāo)。為了減小相對(duì)加速度,一方面可以減小靠背剛度,降低T1處的加速度;另一方面可以減小頭枕后間隙以讓頭部盡早受力或增加頭枕剛度以增加頭部加速度。參考這兩方面因素,考慮到成本和周期等問題,最終確定方案為將靠背骨架之間的鋼絲改為蛇形簧(圖5),以減小靠背剛度,將頭枕?xiàng)U向前調(diào)整1.5°以減小頭后間隙,確保頭后間隙在20 mm左右,并增加頭枕剛度。
針對(duì)頸部軸向力偏高問題研究表明,由于頭部慣性力的作用頸部拉力應(yīng)該保持在450 N左右,該指標(biāo)偏高主要是由于頭部往上運(yùn)動(dòng)的距離超出了頭枕高度,頭部被掛在頭枕上引起。通過增加頭枕高度可以有效解決該問題,如圖6所示。頭枕高度增加40 mm,確保頭枕最高點(diǎn)超出假人頭頂最高點(diǎn),同時(shí)提高了頭枕剛度,調(diào)整了頭枕?xiàng)U角度。
4.1 座椅鞭打模型建立
為了有效評(píng)估改進(jìn)方案的保護(hù)效果,建立了詳細(xì)的鞭打分析有限元模型,模型中主要包括臺(tái)車、座椅和BioRID II模型,完整的分析模型如圖7所示。座椅骨架主要是板材和薄壁鋼管,采用殼單元模擬,單元尺寸為5~7 mm;坐墊、靠背和頭枕發(fā)泡采用實(shí)體單元模擬,單元尺寸為12~15 mm;坐墊和靠背鋼絲采用梁?jiǎn)卧M,單元尺寸為10 mm左右。
假人模型使用了LSTC公司開發(fā)的BioRID II模型。模型加載的邊界條件是C-NCAP規(guī)定的臺(tái)車加速度,加速度波形在0~150 ms的時(shí)間范圍中需要被精確控制以滿足試驗(yàn)要求。加速式臺(tái)車的速度變化量應(yīng)控制在15.65± 0.8 km/h,波形持續(xù)時(shí)間為91±3 ms,整體波形如圖8所示。
4.2 座椅鞭打模型驗(yàn)證
為了保證座椅模型準(zhǔn)確,對(duì)該座椅模型進(jìn)行了驗(yàn)證,主要包括材料/零部件驗(yàn)證和整體模型驗(yàn)證。零部件驗(yàn)證主要是驗(yàn)證部件的力學(xué)特性,如靠背剛度和頭枕?xiàng)U剛度等;整體模型驗(yàn)證主要是使模型得到的假人動(dòng)力學(xué)響應(yīng)盡可能接近試驗(yàn)結(jié)果,再現(xiàn)真實(shí)碰撞,如圖9所示對(duì)比了仿真和試驗(yàn)中頭部加速度曲線,曲線整體趨勢(shì)、峰值出現(xiàn)時(shí)刻和大小都比較吻合。
5.1 仿真改進(jìn)分析
根據(jù)上述改進(jìn)方案對(duì)座椅模型進(jìn)行了調(diào)整,主要集中在靠背和頭枕。改進(jìn)前、后仿真分析頭部X向加速度對(duì)比如圖10所示,詳細(xì)的仿真分析頸部損傷對(duì)比如表2所列。
表2 追尾碰撞時(shí)仿真與試驗(yàn)頸部傷害對(duì)比
由圖10可以看出,NIC峰值出現(xiàn)時(shí)刻的頭部X向加速度峰值得到了明顯提高。由表2可以看出,頸部傷害指數(shù)NIC得到一定程度的降低,頸部拉力和剪切力都得到了較大幅度的改善,改進(jìn)方案效果較好。
5.2 試驗(yàn)驗(yàn)證
試制了改進(jìn)方案后的座椅樣件,按照C-NCAP鞭打試驗(yàn)要求完成改進(jìn)后座椅鞭打試驗(yàn)(圖11)。改進(jìn)前、后頭部X向加速度對(duì)比如圖12所示,可知波谷和波峰的趨勢(shì)和仿真分析基本一致。試驗(yàn)中各項(xiàng)頸部傷害指標(biāo)對(duì)比如表3所示,可知頸部傷害指數(shù)和上頸部彎矩得到了一定程度的降低,上頸部拉力和剪切力得到了較大幅度的改善。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了改進(jìn)方案的有效性。
表3 改進(jìn)前、后座椅頸部傷害試驗(yàn)值對(duì)比
1 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(guó)機(jī)械工程,2007,18(10):1239~1243.
2 Liming Voo,Andrew Merkle,and Jeff Wright,et al.Effect of Head-Restraint Rigidity on Whiplash Injury Risk.SAE, 2004-01-0332.
3 Biorn Ludell,Lotta Jakobsson,Bo Alfredsson,et al.Guide?lines for and the design of a car seat concept for protection against neck injuries in rear end car impacts.SAE,980301.
4 中國(guó)汽車技術(shù)研究中心.C-CNAP管理規(guī)程(2012版).天津:中國(guó)汽車技術(shù)研究中心,2012.
5 肖志.汽車后碰中乘員頸部損傷防護(hù)的研究:[學(xué)位論文].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué),2007.
6 Weigang Chen,James Cheng,Jeffrey Vinton,et al.Analysis of Neck Tension Force in IIHS Rear Impact Test.SAE, 2007-01-0368.
(責(zé)任編輯簾 青)
修改稿收到日期為2015年5月1日。
The Improvement of Seat Whiplash Performance Based on Simulation Analysis
Li Tiezhu,Lu Houguo,Kan Honggui
(Anhui Jianghuai Automotive Co.,Ltd)
Neck protection property of a vehicle is poor in C-NCAP seat whiplash test,to improve this property, improvement is determined by the mechanics analysis of the head and neck,which mainly focuses on back stiffness, head restraint stiffness,etc.Seat whiplash simulation model of is constructed and validated.The improvement proposal is verified based on this model,which reveals feasibility of this proposal.The modified seat prototype is made,and whiplash test result of the modified seat demonstrates the effectiveness of the proposal.
Passenger Car,Seat whiplash property,Neck injury,Simulation analysis
轎車 座椅鞭打性能 頸部損傷 仿真分析
U461.91
A
1000-3703(2015)07-0014-04