任海波，張為民，高 揚(yáng)

（1.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 200082；2.佛吉亞（中國）投資有限公司 研發(fā)中心，上海 201100）

1 引言

低速后碰所造成的揮鞭傷通常并不致命，故其危害直到21世紀(jì)才引起人們的重視，但其造成的頸痛、頭痛等傷害已給個(gè)人和社會(huì)帶來了巨大的損失。目前對(duì)座椅防揮鞭性的研究主要集中于頭枕幾何參數(shù)以及頭枕和靠背的剛度上，如文獻(xiàn)[1]發(fā)現(xiàn)越軟的座椅靠背對(duì)頸部能起到越好的保護(hù)作用，文獻(xiàn)[2]的研究表明頸部損傷增加的原因是座椅更硬了，文獻(xiàn)[3]也對(duì)頭枕和靠背的參數(shù)對(duì)揮鞭傷的影響進(jìn)行了研究。

在鞭打試驗(yàn)過程中，假人除擠壓靠背出現(xiàn)靠背法向的位移外，也會(huì)產(chǎn)生沿靠背切向的運(yùn)動(dòng)，所以研究座椅對(duì)假人的切向阻擋作用對(duì)防揮鞭性的影響，對(duì)座椅設(shè)計(jì)的優(yōu)化具有十分重要的意義。切向阻擋作用可由面套材料、發(fā)泡及骨架造型等因素決定，但各因素最終是通過對(duì)假人產(chǎn)生切向的作用力而產(chǎn)生切向阻擋作用。根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目需要，選取面套和假人的摩擦系數(shù)作為研究對(duì)象。

2 C-NCAP鞭打簡(jiǎn)介及假人受力簡(jiǎn)析

2.1 C-NCAP鞭打試驗(yàn)介紹

我國C-NCAP于2012年正式將揮鞭傷納入評(píng)價(jià)體系，并于2015版和2018版都進(jìn)行了改進(jìn)。鞭打試驗(yàn)通過臺(tái)車來完成，評(píng)價(jià)指標(biāo)為七個(gè)評(píng)分指標(biāo)：NIC（頸部傷害指標(biāo)）、上頸部Fx、上頸部Fz、上頸部My、下頸部Fx、下頸部Fz和下頸部My，以及三個(gè)減分指標(biāo)：靠背動(dòng)態(tài)張角、頭枕干涉頭部空間和座椅滑軌動(dòng)態(tài)位移。三版的主要不同，如表1所示?？梢姄]鞭傷評(píng)價(jià)在提高要求的同時(shí)也盡量使各指標(biāo)更科學(xué)。

表1 C-NCAP鞭打試驗(yàn)主要變動(dòng)對(duì)比Tab.1 Comparison of Three C-NCAP Whiplash Versions

2.2 假人受力簡(jiǎn)析

將假人簡(jiǎn)化為彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，座椅簡(jiǎn)化為剛體系統(tǒng)，對(duì)假人的受力情況做簡(jiǎn)要分析，如圖1所示。

假人軀干和頭部分別受到來自座椅的正壓力F和切向摩擦力f。軀干摩擦力fb對(duì)軀干產(chǎn)生的水平方向加速度的方向?yàn)?X向，故不利于NIC（頸部傷害指數(shù)），fb產(chǎn)生的頸部拉力Fz的方向?yàn)橄蛳?，故不利于頸部Fz。頭部摩擦力fh對(duì)頭部產(chǎn)生的水平加速度的方向?yàn)?X向，則有利于NIC，fh產(chǎn)生的頸部拉力Fz的方向?yàn)橄蛳?，其有利于頸部Fz。

圖1 假人受力簡(jiǎn)析Fig.1 Simplified Force Analysis on Dummy

但是簡(jiǎn)化分析有其自身的局限性，上下頸部的剪切力Fx和扭矩My不只需要考慮兩處所受載荷，還需考慮假人頸部姿態(tài)，且簡(jiǎn)化分析并不能進(jìn)行量化分析。

3 有限元模型構(gòu)建及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 有限元模型的構(gòu)建

該座椅的骨架部分，包括頭枕的金屬結(jié)構(gòu)，使用殼單元、實(shí)體單元和梁?jiǎn)卧獊砟M[4]。發(fā)泡面套系統(tǒng)，包括頭枕的面套和發(fā)泡，在建模時(shí)分為三個(gè)部分：面套A面、面套B面和發(fā)泡，其中面套A面和B面使用三角形膜單元，發(fā)泡使用四面體單元。安全帶的模型分為三個(gè)部分，分別為1D安全帶、2D安全帶和功能性單元。1D安全帶單元跟功能性安全帶單元如安全帶滑環(huán)單元配合使用，可模擬安全帶從滑環(huán)內(nèi)滑動(dòng)等運(yùn)動(dòng)特性，2D安全帶可以很好地處理安全帶與其他部件及假人的接觸問題，2D安全帶使用三角形膜單元來模擬。

座椅骨架、頭枕的支撐結(jié)構(gòu)及安全帶扣等金屬材料，使用LS-DYNA的24號(hào)彈塑性本構(gòu)，由于金屬材料的物理特性對(duì)應(yīng)變率很敏感，所以定義時(shí)輸入多個(gè)應(yīng)變率下的有效應(yīng)力-應(yīng)變曲線。發(fā)泡使用LS-DYNA57號(hào)材料本構(gòu)，該本構(gòu)能很好地模擬發(fā)泡在高度壓縮狀態(tài)下的應(yīng)力及應(yīng)變。面套及安全帶選用LS-DYNA 34號(hào)材料本構(gòu)，該材料為L(zhǎng)S-DYNA針對(duì)安全氣囊、面套等材料開發(fā)的材料本構(gòu)模型。

導(dǎo)入BioRIDⅡ有限元假人，擺至正確位置，為模型定義接觸和設(shè)置加速度載荷，可得到鞭打有限元模型，如圖2所示。

圖2 座椅鞭打有限元模型Fig.2 FEA Model of Seat in Whiplash

3.2 有限元模型驗(yàn)證

按照C-NCAP2018的要求搭建物理鞭打試驗(yàn)，對(duì)有限元模型進(jìn)行驗(yàn)證。假人頭部滑至最高點(diǎn)時(shí)頭頸部運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和頭部X向加速度對(duì)比，如圖3、圖4所示。由對(duì)比可得有限元分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)很好吻合，該模型具有很好的準(zhǔn)確度。

圖3 假人頭部滑至最高點(diǎn)時(shí)頭頸部姿態(tài)Fig.3 Head and Neck Posture When Head Reaches Highest Position

圖4 假人頭部X向加速度Fig.4 Acceleration of Head in X

4 正交實(shí)驗(yàn)方案確定及結(jié)果

4.1 面套與鞭打假人摩擦系數(shù)的確定

表2 正交試驗(yàn)表Tab.2 Table of Orthogonal Experiment

摩擦是兩個(gè)物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)在其接觸面上發(fā)生的切向阻抗現(xiàn)象，摩擦系數(shù)由以下因素決定：材料性質(zhì)、載荷、滑動(dòng)速度、溫度、表面粗糙度和表面膜[5]。常見的面套材料可分為三個(gè)大類：織物、人造皮革和皮革。面套的選擇遵循4個(gè)原則：安全可靠、環(huán)保健康、舒適美觀和經(jīng)濟(jì)可加工[6]，所以不同汽車的座椅，甚至同一車型，不同配置時(shí)面套的材料差異較大。實(shí)驗(yàn)假人的皮膚材料由肖氏A硬度（Shorescleroscopehardness，HS）為（40～50）的聚氯乙烯制作完成[7]。

可見座椅面套與假人的摩擦系數(shù)并不是某個(gè)確定的值，不同座椅面套的材料不同，即使是同一種材料由于處理工藝的不同，如織物的紋理及密度，皮革的表面處理等，也會(huì)造成不同的摩擦系數(shù)。通常座椅面套與假人的摩擦系數(shù)為（0.3～0.5）。如pu皮與全棉牛仔布的動(dòng)摩擦系數(shù)為0.39[8]。

4.2 仿真分析方案確定及結(jié)果

C-NCAP規(guī)定假人穿著彈性纖維材質(zhì)的T恤和五分褲，但是并不會(huì)佩戴帽子，故假人的軀干和頭部與座椅面套的摩擦系數(shù)不同。將假人頭部和軀干與座椅面套的摩擦系數(shù)分別設(shè)為因素A和B。每個(gè)因素在工程范圍內(nèi)（0.3～0.5）等間距取五個(gè)水平，進(jìn)行25組全因子正交實(shí)驗(yàn)。

分析有限元結(jié)果，發(fā)現(xiàn)下頸部各項(xiàng)得分皆為滿分，且距扣分閾值還有很大空間。上頸部的扭矩為三個(gè)指標(biāo)的最低值，即上頸部得分由上頸部扭矩決定。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表2所示。

5 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

5.1 摩擦系數(shù)對(duì)NIC得分的影響

對(duì)NIC得分進(jìn)行極差分析，如表3所示。假人頭部和頭枕面套的摩擦系數(shù)對(duì)NIC影響很小，其極差為0.01。假人軀干和骨架面套的摩擦系數(shù)與NIC負(fù)相關(guān)，即該摩擦系數(shù)越小，NIC的分值越高，其極差為0.23分。

表3 NIC得分極差分析Tab.3 Range Analysis of NIC Score

頭部摩擦系數(shù)0.3，如圖5所示。軀干部摩擦系數(shù)分別為0.3和0.5的NIC時(shí)程曲線圖。NIC的峰值出現(xiàn)在80ms左右，結(jié)合動(dòng)畫文件可判斷此時(shí)假人的軀干受到靠背的作用力產(chǎn)生負(fù)X向加速度，頭部剛開始與頭枕接觸，但由于骨架的晃動(dòng)，該接觸并不穩(wěn)定，時(shí)而會(huì)脫離，故當(dāng)軀干部摩擦系數(shù)降低時(shí)可有效降低NIC，降低頭部的摩擦系數(shù)對(duì)NIC的改善很小。

圖5 軀干摩擦系數(shù)變化時(shí)NIC結(jié)果對(duì)比Fig.5 NIC Result with Different Body Friction Coefficient

5.2 摩擦系數(shù)對(duì)上頸部得分的影響

對(duì)上頸部得分進(jìn)行極差分析，如表4所示。兩個(gè)摩擦系數(shù)與上頸部得分都為負(fù)相關(guān)關(guān)系。軀干摩擦系數(shù)的極差為0.85分，頭部摩擦系數(shù)的極差為0.05分。對(duì)比各實(shí)驗(yàn)得分，如圖6所示。可得當(dāng)軀干摩擦系數(shù)增大時(shí)頭部摩擦系數(shù)對(duì)上頸部的得分影響變大，當(dāng)軀干摩擦系數(shù)為0.5，頭部摩擦系數(shù)從0.5降至0.3時(shí)，上頸部得分可從0.6分提高至0.72分。軀干和頭部摩擦系數(shù)都為0.3、軀干摩擦系數(shù)0.5頭部摩擦系數(shù)0.3以及軀干和頭部摩擦系數(shù)都為0.5的上頸部My時(shí)程曲線，如圖7所示。對(duì)比軀干和頭部摩擦系數(shù)都為0.3和軀干摩擦系數(shù)0.5頭部摩擦系數(shù)0.3時(shí)程曲線可得，軀干部的摩擦系數(shù)降低會(huì)減小上頸部My，并會(huì)改變峰值時(shí)刻，當(dāng)軀干摩擦系數(shù)為0.5時(shí)，峰值出現(xiàn)在139ms，此時(shí)軀干已完成反彈而頭部處在反彈過程中，當(dāng)軀干摩擦系數(shù)為0.3時(shí)，峰值出現(xiàn)在88ms，此時(shí)為頭部和頭枕剛接觸不久，原因?yàn)楫?dāng)軀干摩擦系數(shù)增大時(shí)，軀干反彈更快，造成My迅速上升。對(duì)比軀干摩擦系數(shù)0.5，頭部摩擦系數(shù)為0.3和0.5的時(shí)程曲線可見，頭部摩擦系數(shù)對(duì)峰值時(shí)刻的改變較小。

表4 上頸部得分極差分析Tab.4 Range Analysis of Upper Neck Score

圖6 上頸部得分Fig.6 Upper Neck Score

圖7 上頸部My時(shí)程曲線Fig.7 Upper Neck My Result

5.3 摩擦系數(shù)對(duì)總得分的影響

對(duì)鞭打總得分進(jìn)行極差分析，如表5所示?？傻闷渑c兩個(gè)摩擦系數(shù)均為負(fù)相關(guān)關(guān)系，頭部和軀干部摩擦系數(shù)的極差分別為0.05分和1.08分，影響原因?yàn)?.1和5.2的綜合作用。

表5 鞭打總分極差分析Tab.5 Range Analysis of Final Score

6 結(jié)語

建立了鞭打試驗(yàn)的有限元模型，通過與物理實(shí)驗(yàn)的對(duì)標(biāo)，驗(yàn)證了有限元模型的有效性。采用DOE分析方法，研究了面套與假人的摩擦系數(shù)對(duì)座椅防揮鞭性的影響。在工程范圍內(nèi)，即（0.3～0.5）之間摩擦系數(shù)越小，揮鞭傷越小，主影響因素為骨架面套與假人的摩擦系數(shù)，主要改善的指標(biāo)為上頸部的My。當(dāng)摩擦系數(shù)從0.5-0.5組合改善到0.3-0.3組合時(shí)，鞭打得分可從3.30分提高至4.42分，即可提高33.9%，可見座椅對(duì)假人的切向阻擋作用對(duì)鞭打得分具有很大的影響。研究結(jié)論對(duì)座椅設(shè)計(jì)的優(yōu)化提供了一些指導(dǎo)，如面套應(yīng)選用摩擦系數(shù)較低的材料，且表面處理越光滑越好，如為織物，則需注意紋理方向及織物纖維的密度以獲得較低的摩擦作用；發(fā)泡的外型與骨架的設(shè)計(jì)，可在允許范圍內(nèi)盡量減小其對(duì)假人滑動(dòng)的阻擋作用。