基于正碰台车试验的座椅子系统安全性能研究

孙万朋+郑松林+唐善政+王丽君+陈有松+尹浩庆

摘 要：为了探究座椅子系统正面碰撞台车试验的影响因素，在建立某商用车双人副驾驶座椅有限元模型的基础上，应用Hybrid Ⅲ第50百分位假人，搭建了座椅子系统正面碰撞台车试验的分析模型，然后用台车试验对仿真模型进行了验证。通过正交试验法，系统地研究了安全带初始拉出量，假人与安全带、假人与坐垫、假人与地板、安全带与肩部滑环、安全带与腰部滑环的摩擦因数对假人H点前移量、下潜量的影响。研究结果表明：安全带初始拉出量、假人与坐垫的摩擦因数对试验结果影响显著。

关键词：正面碰撞；台车试验；前移量；下潜量；正交试验

中图分类号：U463.83+6 文献标识码：A

Research on Seat Sub-system Safety Based on Sled Test in Frontal Collision

SUN Wanpeng1，ZHENG Songlin1，TANG Shanzheng2，WANG Lijun2，CHEN Yousong2，Yin Haoqing2

（1. College of Mechanical Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200938， China；

2. SAIC Motor Commercial Vehicle Technical Center， Shanghai 200438， China）

Abstract： In order to explore the factors which influence the result of sled test of seat sub-system in frontal collision， a frontal collision simulation model was set-up together with a FE model of Hybrid Ⅲ 50th percentile dummy， on the basic of that a commercial vehicle twin copilot seats FE model was established. The simulation model was verified with some sled test. And used orthogonal experimental design to systematically analyze the factors which influence ante-displacement and submarining of the H-point of dummy. The factors are the initial length of the belt pulled out from retractor， the friction coefficient between dummy and seat belt， dummy and cushion， dummy and floor， seat belt and shoulder slip ring， seat belt and waist slip ring. The results indicate that the most significant factors to the sled test results are the initial length of the belt pulled out from retractor and the friction coefficient between dummy and cushion.

Key words：frontal collision；sled test；ante-displacement；submarining；orthogonal experiment

如今人们对汽车安全的重视程度越来越高，国家也提出了新的法规来促进汽车制造商提升汽车的安全性能。座椅作为乘员约束系统的一部分，不仅要满足消费者对舒适性的需求，还要满足整车性能的要求，在汽车发生事故时为乘员提供安全保障，以达到国家标准。目前，国内外学者主要采用建立仿真模型的方法[1-32]（文献[1]和[2]都来自国内学者，建议添加1～2个国外学者的相关参考文献）进行座椅安全性能研究。葛如海等人[43]分析了坐垫倾角对乘员的保护效果，并借助响应面法对约束系统的设计参数进行了改进。Adomeit D 等[54] 提出了汽车碰撞中“下潜”的概念并在此基础上研究了碰撞事故中乘员发生下潜对腹部损伤的影响，进而推动了后续对假人下潜预判和测量的研究[56-76]。

GB 11551-2014《汽车正面碰撞的乘员保护》属于碰撞范畴的法规，在整车碰撞试验中以假人的伤害值来判断约束系统是否满足保护乘员安全的要求。但在座椅开发阶段，由于在座椅子系统台车试验中不带仪表板IP（Instrument Panel，IP 仪表板）（英文全称及中文）、白车身和安全气囊，所以不考察假人的伤害值，而是通过假人H点前移量和下潜量的大小来衡量座椅能否帮助假人在整车碰撞中减少伤害。不同主机厂对假人H点前移量和下潜量的要求不尽相同。

在整车开发流程中，为缩短开发周期，整车开发和座椅开发需同时进行。新开发的座椅需要进行子系统台车试验，试验结果应满足主机厂提出的要求，以此保证座椅在整车正面碰撞试验中满足保护乘员安全的要求。因此，本文借助有限元仿真软件LS-DYNA搭建有效的仿真模型来探究不同因素对座椅子系统台车试验结果的影响规律。

1 仿真模型的建立

仿真模型包括Hybrid Ⅲ 第50百分位假人、双人副驾驶座椅、三点式安全带、卷收器、滑环和台车等。

1.1 假人模型

仿真中采用的假人模型是FTSS（First Technology Safety System）公司建立的Hybrid Ⅲ第50百分位假人有限元模型，该假人模型与试验假人具有相同的响应特性，仿真度较高。使用前，在Primer软件中调整假人姿态，使假人H点与座椅H点重合；假人躯干角与设计状态一致；假人两脚尽量往前伸，脚掌平放在地板上，地板角度与实车状态相同；假人双手置于大腿两侧（图1）。

1.2 座椅模型

将在CATIA中搭建好的几何模型导入到Hypermesh，划分网格。为了准确模拟座椅主要研究结构件的特征，建模尺寸采用4～5 mm，同时对不关心的特征可以适当简化。为了方便座椅与假人建立接触关系，座椅的坐垫及靠背表层采用shell单元，而坐垫及靠背的内部发泡采用四面体实体单元。若直接将假人安放在座椅上，假人会和坐垫及靠背产生干涉，因此需要对座椅进行预压，将假人H点压到与实际状态一致。预压后的座椅如图2所示。

1.3 其它部件和结构模型

安全带采用一维单元和二维单元混合搭建，与假人接触的部分采用三角形二维单元模拟，其余部分用一维线性单元模拟，安全带要求紧贴假人，走向尽量与真实情况一致。

采用*ELEMENT_SEATBELT_SLIPRING模拟安全带上滑环和腰部滑环，采用*ELEMENT_SEATBELT_RETRACTOR模拟安全带卷收器。台车地板采用刚体模拟，并且将整车正碰试验时采集到的右侧B柱下部的x向加速度曲线赋给地板，加速度曲线如图3所示。仿真分析和台车试验均采用这条曲线作为载荷输入。搭建好的座椅子系统台车试验仿真模型如图4所示。

在碰撞分析中，质量分布对结果的影响比较大，要对搭建好的模型进行质量和质心的调整，使其接近实际情况，以保证仿真模型的准确性。

2 仿真模型的验证

为了确认所建立的模型是否有效，需要以台车试验结果来验证仿真结果。模型的验证是分步有序地进行的，座椅子系统模型的验证按照从下至上的原则[87]，根据整车安全分解至座椅子系统的要求，以安全带腰带力、假人H点前移量最大值、假人H点下潜量最大值和假人的运动姿态来验证模型的有效性。

2.1 假人安全带受力及位移曲线对比

试验前测得标记点的间距为d1=100 mm，如图5所示，分析对比台车碰撞试验视频，通过图像追踪法测得假人H点前移量最大值为200 mm，下潜量最大值为40 mm。

通过传感器测得安全带腰带力的试验值，图6 a为安全带腰带力的试验与仿真结果对比，由图可知，安全带受力的初始时刻、波形走势及受力峰值一致性较高。图6 b为假人H点前移量的仿真位移曲线。图6 c为假人H点下潜量的仿真位移曲线。

2.2 假人的运动姿态

座椅子系统台车试验整个过程约90 ms，按照0 ms，60 ms，90 ms三个时刻的假人状态来对比。图7为试验和仿真中假人在不同时刻的运动姿态。t=0 ms时，假人的姿态按照要求摆放，试验与仿真保持一致；t=60 ms时，假人脚尖翘起，脚跟贴在地板，双手摆动到膝盖下部，上半身姿态相同；t=90 ms时，假人脚跟离开地板，双手摆动到膝盖上部，头部开始向下摆动。由图可知，仿真与试验中的假人运动姿态基本一致。

通过比较仿真与试验中假人安全带力、假人H点前移量和下潜量最大值，以及假人的运动姿态，可以说明该仿真模型能够有效地模拟座椅子系统台车试验，可以作为基础模型进行试验设计。

3 试验设计

假人H点前移量可以衡量假人在整车碰撞试验中的受伤程度，前移量越大，假人的身体与IP接触的风险就越高，IP对假人头部、胸部以及大腿的伤害就会越大，座椅就不能起到有效保护乘员安全的作用。假人H点下潜量过大，会使原本作用在假人髋部的安全带因受力不均而发生滑落，脱离正常佩戴位置，从假人髋部滑向腹部，相应的载荷也会施加在假人腹部，在事故发生时造成乘员腹部软组织挫伤。为探究影响假人H点前移量（Hx）、下潜量（Hz）的因素，采用正交试验法设计试验。正交试验法是试验设计方法的一种，在工程经验和理论认识的基础上，利用正交表来安排“均衡分散”的试验，通过尽量少的试验次数，找到各个因素不同水平对响应指标的影响规律，从而得到最佳方案[98]。

3.1 因素及水平选取

在正交试验设计时，因素及其水平常常需要根据工程或者实际生产经验选取，当然也可以根据理论分析选取关键参数作为试验因素，但需要考虑到所选取的关键参数应当便于测量和实际试验操作。因素及其水平数也不宜选取太多，否则会造成试验矩阵十分庞大，使所需进行的试验次数难以承受。本文根据经验，结合试验，提出了影响试验结果的6点潜在影响因素：

（1）安全带初始拉出量（A），是指自碰撞发生时起，至卷收器自动锁死时刻，安全带被拉出的长度。

（2）假人各部位摩擦因数：假人与安全带的摩擦因数（B），假人与坐垫的摩擦因数（C），假人与地板的摩擦因数（D）。

（3）安全带滑环的摩擦因数：安全带与上滑环摩擦因数（E），安全带与下滑环摩擦因数（F）。

每个因素根据工程经验选取3个适当的水平。本文正交试验设计制定的因素及其水平见表2。

3.3 数据分析

为了找出各因素对各响应指标的影响规律，采用极差分析法对数据进行分析。极差是一组数据中最大值和最小值之差，极差值越大表示该因素对响应指标的影响越大，该因素越关键；极差值越小表示该因素对响应指标的影响越小，该因素重要度越一般。表4和表5为各因素不同水平对各响应指标的极差分析结果。

根据极差分析结果，规定 为显著影响， 为中等影响， 为轻微影响。因此，影响假人H点前移量的主要因素是（ ）：安全带初始拉出量，以及假人与安全带、假人与坐垫、安全带与下滑环的摩擦因数（ ）；影响假人H点下潜量的主要因素是：安全带初始拉出量，以及假人与坐垫、安全带与下滑环的摩擦因数。

图8和图9为各响应指标的响应均值图。由图可知各响应指标随因素水平变化而变化的趋势。由图8可知，假人H点前移量（Hx）随安全带初始拉出量（A）增大而增大，因此安全带初始拉出量对假人H点前移量的影响为显著正相关；假人H点前移量（Hx）随假人与安全带的摩擦因数（B）增大而减小，因此假人与安全带的摩擦因数对假人H点前移量的影响为中等负相关；假人H点前移量（Hx）随假人与坐垫的摩擦因数（C）的增大先减少后增加，因此假人与坐垫的摩擦因数对假人H点前移量的影响为中等不明确确定趋势。综上，根据图8和图9折线的走势，确定各响应指标随因素水平变化而变化的趋势是正相关、负相关或不明确趋势。

能否对图9进行描述？

依据响应均值图，结合表4、表5中得所列的极差值，制定出座椅子系统正面碰撞台车试验影响因素识别矩阵一览表，见表6。其中，安全带初始拉出量及假人与坐垫的摩擦因数对H点前移量和下潜量的影响水平都在中等及以上，对试验结果影响显著。

4 结论

本文通过建立有效的仿真模型，借助于正交试验法，对影响座椅子系统正面碰撞台架试验结果的因素进行了分析研究。研究结果表明，安全带初始拉出量、假人与坐垫的摩擦因数对试验结果影响最显著。同时也得到了各因素不同水平对响应量的响应关系，并制定出影响因素识别矩阵一览表。

影响因素识别矩阵一览表为座椅子系统正面碰撞台车试验与仿真提供了参考。在座椅前期开发阶段，座椅制造商可以通过改善卷收器的性能，选用摩擦因数较高的坐垫面料等方法，使假人H点前移量和下潜量降低，从而提升座椅的安全性能，在满足法规要求的前提下，使座椅具有安全性能的富余量。

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作者介绍：

责任作者：郑松林（1958-），男，河南洛阳人。博士，教授，主要研究方向为车辆载荷特性、结构强度、振动及可靠性评价方法 等。

Tel：021-55275287

E-mail：zhengpinery@126.com

通讯作者：孙万朋（1990-），男，江苏仪征人。硕士，主要研究方向为现代汽车设计理论、汽车安全与座椅性能分析。

Tel：13052070887

E-mail：619911621@qq.com。

联系方式：上海市杨浦区军工路334号上海理工大学第五学生公寓二号楼306室。邮编：200093。收件人：孙万朋。联系电话：13052070887。