于 躍，袁 哲，趙 民，王 宇

（1.沈陽(yáng)建筑大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168；2.上海鴻仿汽車(chē)技術(shù)有限公司，上海 201506）

1 引言

揮鞭傷是由于汽車(chē)后部受到撞擊后靠背帶動(dòng)軀干前移而頭部滯后產(chǎn)生速度差所引起的[1]，揮鞭傷雖不致命，但也極大的危害了人體頸部安全，所以各國(guó)研究者一直致力于研究具有出色抗鞭打能力的座椅結(jié)構(gòu)方案，目前在符合座椅結(jié)構(gòu)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)前提下，提高座椅抗鞭打能力主要從兩個(gè)方向出發(fā)，一方面文獻(xiàn)[2]通過(guò)保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)改變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，文獻(xiàn)[3]利用仿真軟件模擬碰撞，得到碰撞數(shù)據(jù)，經(jīng)分析提出改進(jìn)方案。另一方面如文獻(xiàn)[4]是改用主動(dòng)式頭枕機(jī)構(gòu)，主動(dòng)貼附頭部避免頸部受到強(qiáng)大的扭矩。改變機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)這種方法提高了效率同時(shí)也節(jié)約成本，但座椅抗鞭打能力是多個(gè)因素相互影響制約的，缺少一個(gè)科學(xué)的多目標(biāo)優(yōu)化方法可能會(huì)使優(yōu)化程度難以達(dá)到最佳，文獻(xiàn)[5]將座椅需要優(yōu)化的因素建成數(shù)學(xué)模型利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，此方法需要大量的模型數(shù)據(jù)，計(jì)算量巨大效果欠佳。主動(dòng)式頭枕機(jī)構(gòu)同樣存在弊端，純機(jī)械結(jié)構(gòu)的主動(dòng)式頭枕響應(yīng)效果差，機(jī)電結(jié)構(gòu)的主動(dòng)式頭枕可靠性差，造價(jià)成本高，難以在普通汽車(chē)中普及。因此非主動(dòng)式座椅效果好，應(yīng)用范圍廣，與此同時(shí)尋找科學(xué)的參數(shù)尋優(yōu)方法也是必要的。同樣利用模擬仿真方法，在提出改進(jìn)方案時(shí)擬定多個(gè)因素、多階水平，利用正交試驗(yàn)方法綜合選取最優(yōu)參數(shù)，較以往方法而言優(yōu)化方法簡(jiǎn)單可行，優(yōu)化過(guò)程方向明確，優(yōu)化程度更高。

2 目標(biāo)座椅抗鞭打性能分析

2.1 有限元模型的建立

選取某汽車(chē)廠的F517款駕駛員座椅模型，利用汽車(chē)座椅仿真建模軟件Hypermesh對(duì)主駕座椅數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，為提高碰撞仿真精度，選用四邊形和三角形混合單元，三角形單元數(shù)量控制在5%內(nèi)，單元尺寸控制在（5～8）mm，網(wǎng)格長(zhǎng)寬比不大于 5：1，雅可比不超過(guò)0.65，翹曲小于15，并且設(shè)定部件材料及厚度，因所有預(yù)緊連接部位對(duì)模擬分析影響甚微，所以所有的焊接與螺栓連接都用剛性連接。以此建立座椅有限元模型，如圖1所示。BioRIDll型假人是一種建模非常詳細(xì)的模型，如圖2所示。建立了頸部、脊柱、骨盆等仿真細(xì)節(jié)，適合做追尾碰撞的仿真實(shí)驗(yàn)，座椅模型建好后放入BioRID II型假人，調(diào)整好座椅處于初始化位姿。調(diào)整干涉、建立接觸、參考加載波形搭載運(yùn)動(dòng)條件后待計(jì)算，如圖3所示。

圖1 座椅仿真模型Fig.1 Seat Simulation Model

圖2 假人安放模型Fig.2 Dummy Placement Model

圖3 C-NCAP鞭打加載波形Fig.3 C-NCAP Whiplash Load Waveform

2.2 C-NCAP鞭打試驗(yàn)及評(píng)分規(guī)則

C-NCAP（2018版）中規(guī)定在移動(dòng)滑車(chē)上按照原車(chē)的配置放置座椅和約束系統(tǒng)，滑車(chē)以速度變化量為（20.0±1.0）km/h的特定加速度波形發(fā)射，模擬被追尾的過(guò)程。BioRID II型假人被固定在座椅上，通過(guò)傳感器獲得實(shí)驗(yàn)時(shí)的數(shù)據(jù)，并且進(jìn)行計(jì)算得出參考分值從而評(píng)價(jià)車(chē)輛座椅保護(hù)效果的好壞?？傮w評(píng)分原則，如表1所示。鞭打試驗(yàn)滿分為5分，實(shí)驗(yàn)得出三組測(cè)量數(shù)據(jù)，第一組為頸部傷害指數(shù)（NIC）最高分為2分。第二組為上頸部載荷和扭矩，最高分為1.5分。第三組為下頸部載荷和扭矩，最高分為1.5分。CNCAP中給出了標(biāo)準(zhǔn)傷害指數(shù)，各項(xiàng)包含一個(gè)高性能限值和一個(gè)低性能限值，分別對(duì)應(yīng)最高分和0分，位于區(qū)域間的數(shù)值用線性插值法計(jì)算最終得分。另外頭枕干涉頭部空間、靠背最大動(dòng)態(tài)張角、座椅滑軌動(dòng)態(tài)位移不合格的，會(huì)給予2分、2分和5分的罰分。

表1 鞭打試驗(yàn)總體評(píng)分原則Tab.1 Overall Grading Principle of Whiplash Test

2.3 基于C-NCAP的仿真計(jì)算及結(jié)果分析

利用求解器LS-dyna進(jìn)行計(jì)算，從輸出的文件中可得到相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)果，從假人的模型頸部預(yù)設(shè)點(diǎn)可以提取出C-NCAP中需要的頭部質(zhì)心加速度、上頸部載荷、上頸部力矩、下頸部載荷、下頸部力矩、胸部T1加速度（左/右），將得到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)得分計(jì)算公式上即可算出此座椅目前的鞭打仿真試驗(yàn)得分[6]，如表2所示。可以看出座椅整體鞭打得分為2.8分，抗鞭打能力偏低，其中NIC、上頸部扭矩、下頸部扭矩為主要低分項(xiàng)，按目前的分?jǐn)?shù)來(lái)看還有改進(jìn)的空間。

表2 座椅鞭打得分表Tab.2 Score Table of Seat Whiplash

3 優(yōu)化方案

3.1 多目標(biāo)優(yōu)化方法的選擇

座椅是由多個(gè)部件構(gòu)成，影響座椅抗鞭打能力的因素有很多，主要集中在座椅與駕駛員關(guān)系方面。因此確定座椅抗鞭打優(yōu)化方案要考慮的影響因素就要與人互相關(guān)聯(lián)，由仿真動(dòng)畫(huà)及各部件受力數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)[7]的研究中可以確定影響座椅抗鞭打能力的因素主要為頭枕高度、假人頭后間隙、靠背寬度、頭枕寬度[8]。此問(wèn)題就是典型的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，根據(jù)優(yōu)化問(wèn)題特性，選取正交試驗(yàn)方法來(lái)尋求最優(yōu)解是一種合理可行的方法。

3.2 目標(biāo)參數(shù)與目標(biāo)變量的選取

以現(xiàn)有模型的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)影響因數(shù)大的4種因素根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)分別設(shè)計(jì)三個(gè)水平，得到四因素三水平的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。待優(yōu)化座椅初始數(shù)據(jù)為：頭枕高度55mm，頭后間隙51.0mm，靠背寬度527.7mm，頭枕寬度220.6mm。待優(yōu)化座椅參數(shù)原始數(shù)值設(shè)為0，另兩組值在原始數(shù)值上增減。正交試驗(yàn)的因素水平表，各因素通過(guò)實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)選取了合理的調(diào)試范圍，如表3所示。

表3 因素水平表Tab.3 Factor Level Table

3.3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)因素水平表開(kāi)始進(jìn)行正交試驗(yàn)組的編排制成一個(gè)L9（3，4）的正交實(shí)驗(yàn)，如表4所示。參考9組實(shí)驗(yàn)分別修改模型各部位參數(shù)后進(jìn)行仿真計(jì)算。以C-NCAP管理規(guī)定鞭打?qū)嶒?yàn)計(jì)算規(guī)則算取座椅性能得分匯總制表如下。表中：Kn—所有采用某因素第n個(gè)水平時(shí)C-NCAP評(píng)分的和；km—Kn平均值，極差R是Km中極差最大值，極差R大小順序即是影響因數(shù)大小順序，優(yōu)水平即是K最大值代表的水平。

表4 正交試驗(yàn)表Tab.4 Orthogonal Test Table

3.4 極差分析

經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算及數(shù)據(jù)處理得到各組的得分情況并進(jìn)行極差分析，分析極差R大小順序以此得出對(duì)于座椅抗鞭打能力影響因數(shù)由大到小分別是：靠背寬度0.33，頭后間隙0.20，頭枕高度0.17，頭枕寬度0.13。靠背寬度主要影響了座椅整體的受力面積和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，所以也是最主要的影響因素；頭后間隙主要影響頭部觸碰頭枕所需時(shí)間，進(jìn)而影響脊柱部與頭部相對(duì)于座椅向后方向運(yùn)動(dòng)的同步性；頭枕高度主要影響頭枕?xiàng)U受力大小進(jìn)而影響頭部與脊柱部運(yùn)動(dòng)同步性；頭枕寬度在本試驗(yàn)中影響最小，輕微影響頭枕吸能的能力。

3.5 優(yōu)化參數(shù)的驗(yàn)證

通過(guò)正交試驗(yàn)確定了一組優(yōu)組合，如表4所示。其各因素的改進(jìn)值為：頭枕高度提高5mm、頭后間隙不變、靠背寬度縮窄4mm、頭枕寬度增加5mm。修改模型再次進(jìn)行仿真計(jì)算得到改進(jìn)模型仿真結(jié)果與初始模型相對(duì)比，如圖4所示?？梢钥闯龈髦笜?biāo)均有提升，同時(shí)此改進(jìn)模型頭部與頭枕部觸碰時(shí)間更提前，如圖5所示。頭部更早的得到頭枕的保護(hù)及緩沖，使得頭部與身體運(yùn)動(dòng)更同步，鞭打?qū)嶒?yàn)得分有了進(jìn)一步提高，經(jīng)計(jì)算為3.8分滿足了優(yōu)化指標(biāo)。

圖4 改進(jìn)模型數(shù)值對(duì)比Fig.4 Numerical Comparison of The Improved Model

圖5 頭部接觸頭枕時(shí)刻Fig.5 Head Contact With Head Pillow Moment

座椅對(duì)乘車(chē)人頸部的保護(hù)是不容忽視的，在仿真實(shí)驗(yàn)中盡量找出優(yōu)秀合理的設(shè)計(jì)參數(shù)，同時(shí)要在實(shí)物實(shí)驗(yàn)中趨于實(shí)際，例如假人與靠背間摩擦力不宜過(guò)小防止假人過(guò)度向上竄動(dòng)，實(shí)驗(yàn)之前假人預(yù)先放置在座椅上半小時(shí)，模擬實(shí)際座椅發(fā)泡形變。

4 結(jié)論

對(duì)汽車(chē)座椅模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)分析，可以有效的減少研發(fā)成本縮短，研發(fā)周期，利用正交試驗(yàn)的方法可以在多目標(biāo)優(yōu)化中使優(yōu)化具有方向性，還可以得到各因素影響權(quán)重的主次順序，并可以產(chǎn)生一個(gè)優(yōu)組合實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)優(yōu)化。座椅的抗鞭打能力就是保持頭部與身體同步運(yùn)行的能力，其中靠背寬度是重要的影響因素，它決定整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及防變形能力，在不影響整體強(qiáng)度的情況下合理縮窄靠背寬度可以使座椅受撞擊時(shí)整體變形過(guò)程更有利于保護(hù)頸部，頭枕位置擺放的合理性同樣決定座椅抗鞭打表現(xiàn)，在多個(gè)優(yōu)化目標(biāo)并存的情況下無(wú)法確定單項(xiàng)最優(yōu)數(shù)值，需要成組尋優(yōu)找尋最優(yōu)參數(shù)組。