面套与假人的摩擦系数对座椅防挥鞭性的影响

任海波，张为民，高 扬

（1.同济大学 机械与能源工程学院，上海 200082；2.佛吉亚（中国）投资有限公司 研发中心，上海 201100）

1 引言

低速后碰所造成的挥鞭伤通常并不致命，故其危害直到21世纪才引起人们的重视，但其造成的颈痛、头痛等伤害已给个人和社会带来了巨大的损失。目前对座椅防挥鞭性的研究主要集中于头枕几何参数以及头枕和靠背的刚度上，如文献[1]发现越软的座椅靠背对颈部能起到越好的保护作用，文献[2]的研究表明颈部损伤增加的原因是座椅更硬了，文献[3]也对头枕和靠背的参数对挥鞭伤的影响进行了研究。

在鞭打试验过程中，假人除挤压靠背出现靠背法向的位移外，也会产生沿靠背切向的运动，所以研究座椅对假人的切向阻挡作用对防挥鞭性的影响，对座椅设计的优化具有十分重要的意义。切向阻挡作用可由面套材料、发泡及骨架造型等因素决定，但各因素最终是通过对假人产生切向的作用力而产生切向阻挡作用。根据实际项目需要，选取面套和假人的摩擦系数作为研究对象。

2 C-NCAP鞭打简介及假人受力简析

2.1 C-NCAP鞭打试验介绍

我国C-NCAP于2012年正式将挥鞭伤纳入评价体系，并于2015版和2018版都进行了改进。鞭打试验通过台车来完成，评价指标为七个评分指标：NIC（颈部伤害指标）、上颈部Fx、上颈部Fz、上颈部My、下颈部Fx、下颈部Fz和下颈部My，以及三个减分指标：靠背动态张角、头枕干涉头部空间和座椅滑轨动态位移。三版的主要不同，如表1所示。可见挥鞭伤评价在提高要求的同时也尽量使各指标更科学。

表1 C-NCAP鞭打试验主要变动对比Tab.1 Comparison of Three C-NCAP Whiplash Versions

2.2 假人受力简析

将假人简化为弹簧质量系统，座椅简化为刚体系统，对假人的受力情况做简要分析，如图1所示。

假人躯干和头部分别受到来自座椅的正压力F和切向摩擦力f。躯干摩擦力fb对躯干产生的水平方向加速度的方向为-X向，故不利于NIC（颈部伤害指数），fb产生的颈部拉力Fz的方向为向下，故不利于颈部Fz。头部摩擦力fh对头部产生的水平加速度的方向为-X向，则有利于NIC，fh产生的颈部拉力Fz的方向为向下，其有利于颈部Fz。

图1 假人受力简析Fig.1 Simplified Force Analysis on Dummy

但是简化分析有其自身的局限性，上下颈部的剪切力Fx和扭矩My不只需要考虑两处所受载荷，还需考虑假人颈部姿态，且简化分析并不能进行量化分析。

3 有限元模型构建及实验验证

3.1 有限元模型的构建

该座椅的骨架部分，包括头枕的金属结构，使用壳单元、实体单元和梁单元来模拟[4]。发泡面套系统，包括头枕的面套和发泡，在建模时分为三个部分：面套A面、面套B面和发泡，其中面套A面和B面使用三角形膜单元，发泡使用四面体单元。安全带的模型分为三个部分，分别为1D安全带、2D安全带和功能性单元。1D安全带单元跟功能性安全带单元如安全带滑环单元配合使用，可模拟安全带从滑环内滑动等运动特性，2D安全带可以很好地处理安全带与其他部件及假人的接触问题，2D安全带使用三角形膜单元来模拟。

座椅骨架、头枕的支撑结构及安全带扣等金属材料，使用LS-DYNA的24号弹塑性本构，由于金属材料的物理特性对应变率很敏感，所以定义时输入多个应变率下的有效应力-应变曲线。发泡使用LS-DYNA57号材料本构，该本构能很好地模拟发泡在高度压缩状态下的应力及应变。面套及安全带选用LS-DYNA 34号材料本构，该材料为LS-DYNA针对安全气囊、面套等材料开发的材料本构模型。

导入BioRIDⅡ有限元假人，摆至正确位置，为模型定义接触和设置加速度载荷，可得到鞭打有限元模型，如图2所示。

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

3.2 有限元模型验证

按照C-NCAP2018的要求搭建物理鞭打试验，对有限元模型进行验证。假人头部滑至最高点时头颈部运动姿态和头部X向加速度对比，如图3、图4所示。由对比可得有限元分析结果与实验很好吻合，该模型具有很好的准确度。

图3 假人头部滑至最高点时头颈部姿态Fig.3 Head and Neck Posture When Head Reaches Highest Position

图4 假人头部X向加速度Fig.4 Acceleration of Head in X

4 正交实验方案确定及结果

4.1 面套与鞭打假人摩擦系数的确定

表2 正交试验表Tab.2 Table of Orthogonal Experiment

摩擦是两个物体相对运动时在其接触面上发生的切向阻抗现象，摩擦系数由以下因素决定：材料性质、载荷、滑动速度、温度、表面粗糙度和表面膜[5]。常见的面套材料可分为三个大类：织物、人造皮革和皮革。面套的选择遵循4个原则：安全可靠、环保健康、舒适美观和经济可加工[6]，所以不同汽车的座椅，甚至同一车型，不同配置时面套的材料差异较大。实验假人的皮肤材料由肖氏A硬度（Shorescleroscopehardness，HS）为（40～50）的聚氯乙烯制作完成[7]。

可见座椅面套与假人的摩擦系数并不是某个确定的值，不同座椅面套的材料不同，即使是同一种材料由于处理工艺的不同，如织物的纹理及密度，皮革的表面处理等，也会造成不同的摩擦系数。通常座椅面套与假人的摩擦系数为（0.3～0.5）。如pu皮与全棉牛仔布的动摩擦系数为0.39[8]。

4.2 仿真分析方案确定及结果

C-NCAP规定假人穿着弹性纤维材质的T恤和五分裤，但是并不会佩戴帽子，故假人的躯干和头部与座椅面套的摩擦系数不同。将假人头部和躯干与座椅面套的摩擦系数分别设为因素A和B。每个因素在工程范围内（0.3～0.5）等间距取五个水平，进行25组全因子正交实验。

分析有限元结果，发现下颈部各项得分皆为满分，且距扣分阈值还有很大空间。上颈部的扭矩为三个指标的最低值，即上颈部得分由上颈部扭矩决定。仿真实验结果，如表2所示。

5 仿真实验结果分析

5.1 摩擦系数对NIC得分的影响

对NIC得分进行极差分析，如表3所示。假人头部和头枕面套的摩擦系数对NIC影响很小，其极差为0.01。假人躯干和骨架面套的摩擦系数与NIC负相关，即该摩擦系数越小，NIC的分值越高，其极差为0.23分。

表3 NIC得分极差分析Tab.3 Range Analysis of NIC Score

头部摩擦系数0.3，如图5所示。躯干部摩擦系数分别为0.3和0.5的NIC时程曲线图。NIC的峰值出现在80ms左右，结合动画文件可判断此时假人的躯干受到靠背的作用力产生负X向加速度，头部刚开始与头枕接触，但由于骨架的晃动，该接触并不稳定，时而会脱离，故当躯干部摩擦系数降低时可有效降低NIC，降低头部的摩擦系数对NIC的改善很小。

图5 躯干摩擦系数变化时NIC结果对比Fig.5 NIC Result with Different Body Friction Coefficient

5.2 摩擦系数对上颈部得分的影响

对上颈部得分进行极差分析，如表4所示。两个摩擦系数与上颈部得分都为负相关关系。躯干摩擦系数的极差为0.85分，头部摩擦系数的极差为0.05分。对比各实验得分，如图6所示。可得当躯干摩擦系数增大时头部摩擦系数对上颈部的得分影响变大，当躯干摩擦系数为0.5，头部摩擦系数从0.5降至0.3时，上颈部得分可从0.6分提高至0.72分。躯干和头部摩擦系数都为0.3、躯干摩擦系数0.5头部摩擦系数0.3以及躯干和头部摩擦系数都为0.5的上颈部My时程曲线，如图7所示。对比躯干和头部摩擦系数都为0.3和躯干摩擦系数0.5头部摩擦系数0.3时程曲线可得，躯干部的摩擦系数降低会减小上颈部My，并会改变峰值时刻，当躯干摩擦系数为0.5时，峰值出现在139ms，此时躯干已完成反弹而头部处在反弹过程中，当躯干摩擦系数为0.3时，峰值出现在88ms，此时为头部和头枕刚接触不久，原因为当躯干摩擦系数增大时，躯干反弹更快，造成My迅速上升。对比躯干摩擦系数0.5，头部摩擦系数为0.3和0.5的时程曲线可见，头部摩擦系数对峰值时刻的改变较小。

表4 上颈部得分极差分析Tab.4 Range Analysis of Upper Neck Score

图6 上颈部得分Fig.6 Upper Neck Score

图7 上颈部My时程曲线Fig.7 Upper Neck My Result

5.3 摩擦系数对总得分的影响

对鞭打总得分进行极差分析，如表5所示。可得其与两个摩擦系数均为负相关关系，头部和躯干部摩擦系数的极差分别为0.05分和1.08分，影响原因为5.1和5.2的综合作用。

表5 鞭打总分极差分析Tab.5 Range Analysis of Final Score

6 结语

建立了鞭打试验的有限元模型，通过与物理实验的对标，验证了有限元模型的有效性。采用DOE分析方法，研究了面套与假人的摩擦系数对座椅防挥鞭性的影响。在工程范围内，即（0.3～0.5）之间摩擦系数越小，挥鞭伤越小，主影响因素为骨架面套与假人的摩擦系数，主要改善的指标为上颈部的My。当摩擦系数从0.5-0.5组合改善到0.3-0.3组合时，鞭打得分可从3.30分提高至4.42分，即可提高33.9%，可见座椅对假人的切向阻挡作用对鞭打得分具有很大的影响。研究结论对座椅设计的优化提供了一些指导，如面套应选用摩擦系数较低的材料，且表面处理越光滑越好，如为织物，则需注意纹理方向及织物纤维的密度以获得较低的摩擦作用；发泡的外型与骨架的设计，可在允许范围内尽量减小其对假人滑动的阻挡作用。