基于假人头部受力分析的鞭打试验研究

商恩义 陈现岭 师玉涛 刘 涛

（长城汽车股份有限公司技术中心，河北省汽车工程技术研究中心）

1 鞭打试验介绍

为了评价车辆在追尾碰撞事故中乘员颈部所受“挥鞭伤”的程度，2012版C-NCAP星级评价体系[1]中，增加了新的考核试验项目——鞭打试验。鞭打试验是将座椅及约束系统仿照原车结构，固定安装在移动滑车上，滑车以目标速度变化量为15.65±0.8 km/h的特定加速度波形正向发射，模拟追尾碰撞过程。试验中座椅上放置BioRID II型假人，测量该假人某些点数据，将数据分别指定为高性能指标和低性能指标，高性能指标对应满分，低性能指标对应零分，两指标之间数值按差值计算得分，以最终得分评价乘员颈部伤害情况。假人测量数据有以下两组：一组为通过头部加速度、胸部加速度计算出的颈部伤害指数NIC，分数为0～2；另一组为上颈部和下颈部的载荷与扭矩，包括上下颈部正向剪切力、正向张力、弯矩，分数分别为0～1分，该组最高分数为6分，即鞭打试验分数最高得分为8分。C-NCAP中规定，鞭打试验在总体得分中所占分值为4分,所以试验后要通过以下方式将鞭打试验分数进行换算：7分及以上为满分，4分及以下对应零分，4～7分间通过差值法计算得到。

2 追尾碰撞时乘员运动及颈部损伤机理

2.1 追尾碰撞时乘员头部、颈部、胸部的运动过程

追尾碰撞时，乘员头部、颈部、胸部的运动响应通常可分为以下几个运动过程：一是碰撞开始至头部后端与头枕接触前，此过程中，乘员胸部在座椅靠背推动下向前运动，但头部保持在初始位置，且不旋转，头部、颈部、胸部之间将产生内力，在内力作用下，上颈部脊柱向前弯曲而下颈部脊柱向后伸展，颈部脊柱呈S形；二是头部与头枕接触过程，此过程中，头部将受到头枕施加的剪切力、轴向力和弯矩，由于头部与头枕接触位置不同，头部受到的各方向合力将完全不同，对颈部造成的伤害差异明显；三是头部弹离头枕至碰撞结束过程，此过程中，头部在头枕作用下向前运动，在安全带作用下再回弹，最终结束运动。

2.2 追尾碰撞中乘员颈部的损伤机理

追尾碰撞中乘员颈部损伤机理的理论基础是碰撞中头部和胸部之间的运动差异导致了相邻颈椎间的相对运动[2]。关于颈部损伤机理的代表性假设有：在追尾碰撞中，颈椎受到剪切力和轴向力作用，造成相邻颈椎上、下关节突出表面相互冲撞从而引起软骨面损伤。当前，C-NCAP鞭打试验中关于颈部的损伤评价基于此假设制定。

3 鞭打试验中假人头部受力分析方法

鞭打试验中规定的评价指标充分反映了假人颈部造成的损伤是假人头部和胸部之间相对运动造成的，因此，以假人头部运动和受力为试验分析基础，将有助于提高试验分析效率。

3.1 假人头部外力计算方法

鞭打试验过程中，假人头部除了存在惯性力外，还将受到头枕施加的外力、上颈部施加的约束内力。分析中[3，4]，假人头部质量m取4.54 kg，头部受力和加速度方向，x向为前、后方向，向前为正；z向为上、下方向，向下为正。颈部受力方向，轴向为z向（张力），拉伸为正，压缩为负；横向为x向（剪切力），头部向后，胸部向前为正，反之为负。对于颈部弯矩，下颌向胸部为正。则有[5]：

式中，ax、az表示假人头部 x向和 y向的加速度；Fx、Fux表示假人头部x向所受外力、约束内力（即上颈部剪切力）；Fz、Fuz表示假人头部z向所受外力、约束内力（即上颈部张力）。

ax、az、Fux、Fuz在试验过程中可采集得到， 因此，依据公式（1）和公式（2），可计算出试验过程中假人头部x向和z向所受到的外力。对于头部y向受力，由于后碰撞试验中其值较低，则不予考虑。

3.2 假人头部外力计算实例

在L车型座椅开发过程中进行了A、B等多次鞭打试验，以试验A为例，计算鞭打试验过程中头部所受外力。

试验中，采集的ax和az如图1所示，Fux和Fuz如图2所示。

用 Fix表示 max， 得出 Fx、Fux、Fix之间关系如图 3所示。 同理，用 Fiz表示 maz，得出 Fz、Fuz、Fiz之间关系如图4所示。

图3 中，头部x向所受外力为正，峰值达到1 000 N；图4中，头部z向所受外力为负，即头枕对头部的作用力向上，且幅值达到700 N以上。综合分析此次鞭打试验中头部x向和z向所受外力可知，头部与头枕发生碰撞时刻约为90 ms，碰撞过程中假人后脑砸到头枕偏上位置。

3.3 头部受力分析所确认碰撞时刻在颈部伤害指标NIC分析中的应用

3.3.1 NIC计算过程介绍

在碰撞过程中有：

用E表示头部与头枕碰撞结束时刻，则有：

式中，aT表示胸部上端x向加速度，为对应胸椎上端位置左、右两侧T1传感器测得的假人胸部x向加速度平均值，方向和单位与头部加速度相同；ar表示胸部与头部x向间相对加速度；Vr表示胸部与头部x向间相对速度。

NIC计算过程表明，该伤害指标计算过程中主要涉及aT和ax，aT和ax间差值的降低是优化NIC的关键。

3.3.2 头部碰撞时刻应用

以试验A中数据处理过程为例，对NIC计算过程中头部碰撞时刻的应用进行研究。通过左、右两侧T1传感器所采集到的x向加速度计算出aT，将aT和ax调入同一图中，通过取差值计算出ar，如图5所示。将ar积分成Vr，如图6所示。用M表示相对加速度0.2ar，用N表示相对速度的平方，M、N和NIC间关系如图7所示。

图 5中，aT和 ax相比，aT起步早、上升缓、持续时间长，该现象主要是由于试验前假人背部与座椅靠背相接触，T1位置与靠背发生硬性碰撞时间早，并且随着碰撞深入向后上方持续上挺所致。假人ax在碰撞初始阶段基本为零，只在约90 ms时才有变化，且正向变化急剧，此变化与头部和头枕发生碰撞有关，头部与头枕发生碰撞的时间晚，强度大，随着假人头部与头枕发生碰撞，相对加速度瞬间转向，NIC值开始减小。

图7中，NIC在约90 ms时取得最大值18，超标较多，只得1.2分，尚有0.8分的提升空间。分析NIC构成，相对加速度的平方占比较高，直接影响较大；另外，相对速度也是由相对加速度积分而来，受加速度间接影响，因此，提高分数必须降低相对加速度。

上述分析表明，NIC值的大小与假人背部碰撞强度和头部与头枕的碰撞时刻密切相关。假人背部碰撞强度低，NIC偏小；假人头部与头枕碰撞早，在aT曲线起步初期便发生，将迅速缓解背部的冲击强度，使ar在值较小时方向便开始转折，进而降低NIC正向幅值。考虑到假人背部的冲击强度不可能无限下调，因此在优化NIC时应尽可能考虑将头部与头枕接触时刻提前。

3.4 颈部载荷分析中头部受力分析结果应用

截取试验A中假人头部与头枕接触时刻及颈部Fz最大时刻录像如图8和图9所示。图9中，将假人头部受力平移至头部与颈部连接位置，平移后，假人头部x向和z向作用力对假人颈部将产生正向叠加弯矩My，导致该正向弯矩较大。头部受力对颈部的总体影响是，颈部上端正向弯矩My增大；颈部z向张力Fz也将增大，且相对下端，上端增加将更加明显。假人头部在My作用下，下颌内收（图8和图9中比较可知），颈部下端的剪切力将增大。

试验A中假人颈部的各伤害指标如表1所列。

表1 L车型鞭打试验A中颈部各伤害评分

表1中，该车型整体得分情况较差，其中，以Fz、My、Fx失分最高，这与分析情况较一致，表明头部与头枕碰撞中头部后脑受到向前上方推力对假人颈部伤害较大。另外，从图3中得知该次试验中假人头部x向受力达1 000N左右，偏大，x向碰撞力偏大与头部和头枕碰撞时刻晚，头部运动速度相对较高有关。为了降低颈部x向受力，进而降低颈部各载荷伤害，有必要将头部与头枕的碰撞时刻提前，以降低碰撞前头部运动速度，进而降低其冲击强度。

4 鞭打试验中头部受力分析方法在座椅优化中的应用研究

在座椅优化过程中，通过应用头部受力分析方法分析鞭打试验结果可以大大提高优化效率。在L车型座椅开发过程中，对试验A的假人头部进行受力分析后发现，试验A中伤害结果普遍偏高。进一步分析可知，其主要原因在于座椅整体刚度不够，碰撞过程中，座椅滑道发生相对滑动，靠背在假人背部上挺过程中发生相对下移至其后仰明显，最终造成头部与头枕碰撞时刻较晚，碰撞点在头枕前上方，且碰撞强度较大。

4.1 改进试验中头部受力分析

在对试验A结果分析的基础上，对现有座椅进行了有针对性的改进。为了避免碰撞中靠背相对假人发生下移而导致头部后脑下部与头枕上端发生碰撞，将座椅整体结构进行了加固；为了将头部与头枕的接触时刻提前，将头枕结构进行了更改，将原直上直下式头枕改为前倾式头枕（图13），缩短了头部后端与头枕间的相对距离。将座椅强度增大和头枕结构改进后进行了试验B。

试验中，采集的ax和az如图10所示。

处理后 Fx、Fux、Fix之间关系如图 11 所示，Fz、Fuz、Fiz之间关系如图12所示。

图11 中，头部与头枕接触时刻约为碰撞开始后的第52 ms左右，与试验A结果相比明显提前，并且头部x向所受外力只约为700 N，下降明显；图12中，头部z向所受外力约为130 N，不但幅值下降明显，而且碰撞后转为正向，即头枕在头部上挺过程中对其产生了向下的摩擦力。

试验B中，头部与头枕接触情况如图13所示。图13中，假人头部后端靠上位置与头枕上端发生接触，此碰撞形式起到了阻止假人头部上挺的作用。

4.2 改进试验中NIC分析

在试验B中计算出ar如图14所示，NIC处理结果如图15所示。

从图14可以看出，与试验A中ar约7 g相比，改进后ar约为4.6 g，下降明显。

图15中，NIC的最大值约为10，虽未取得满分，但比试验A下降了近50%，取得1.8分。

综上所述可知，NIC值的大小与假人背部碰撞强度和头部与头枕的碰撞时刻密切相关，假人背部碰撞强度低，NIC偏小；假人头部与头枕碰撞时刻早，在aT曲线起步初期便发生，将迅速缓解背部冲击强度，使ar在值较小时方向便开始转折，进而实现降低NIC正向幅值。考虑到假人背部冲击强度不可能无限下调，因此在优化NIC伤害时应尽可能将头部与头枕接触时刻提前。

4.3 改进试验中颈部载荷分析

试验B中假人颈部的各伤害指标如表2所列。

表2 L车型鞭打试验B中颈部伤害评分

表 2 中，各评分点均为满分，表明 Fz、My、Fx改善明显，尤其头部z向受力方向的改变对其它指标的改善起到了较大作用。最终，在C-NCAP评分中，改进后C-NCAP得分由1.3分提升为满分4分。总体而言，该车型座椅头枕优化方案较成功。

5 结束语

通过对鞭打试验中假人头部受力分析方法进行探讨，对假人头部与头枕接触时刻及碰撞强度在座椅结构及头枕优化中的应用进行研究，得出如下结论：

a 假人与头部接触时刻越早，越有利于降低颈部NIC指标及头部碰撞强度；

b 头部碰撞强度低及z向受力向下，将有利于降低颈部各载荷。

1 中国汽车技术研究中心 (天津).中国新车评价规则(C—NCAP),2009.

2 肖志,杨济匡.汽车低速追尾碰撞中乘员动力学响应和颈部损伤的仿真研究.中国机械工程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 商恩义,张君媛，杨斌，等.正面碰撞试验中假人头部及胸部受力分析方法的研究与应用.汽车技术.2010（10）:18～21.