基于仿真的鞭打试验影响因素分析

2020-01-04 02:59陈长亮董玉德李龙庆

汽车工程 2019年12期

陈长亮，董玉德，陈超，李龙庆

（1.合肥工业大学机械工程学院，合肥 230009； 2.中国汽车技术研究中心，天津 300300；3.芜湖瑞泰汽车零部件有限公司，芜湖 241000）

前言

汽车事故中追尾事故约占全部事故的30%［1-4］，是一种常见的交通事故［5］。人体颈部属于相对脆弱的部位［6］，在追尾事故中颈部伤害［7］较为常见，在汽车追尾事故中，人体颈部受到伤害的风险占70%以上［8-9］。颈部伤害又称挥鞭伤，是交通事故中最为严重的次要性伤害，虽不致死，但其潜伏期及治疗期长、并发症多，严重影响患者的日常生活［10］，为降低这种受伤的风险，C-NCAP（China-new car assessment program）在2012年版管理规则中正式引入了鞭打试验［11-14］，并从2012年7月开始正式实施，以鞭打试验来检验汽车座椅对头部和颈部的保护性能。

在座椅设计阶段即可考虑汽车座椅挥鞭伤性能，但影响座椅挥鞭伤性能的因素很多，须有针对性地提取出对挥鞭伤影响较为明显的几个因素进行分析。但多因素分析需要开展多轮次试验，不仅试验（包括耗材）费用非常昂贵，试验周期也长，因此，须通过仿真分析来解决问题。首要任务是验证基础仿真模型的准确性，在确保基础模型计算可行的前提下，采用仿真对这些主要影响因素进行分析，找出这些因素对汽车座椅挥鞭伤的影响规律，以便在座椅开发过程中对这些因素进行考虑。

1 挥鞭伤CAE分析与试验对比

运用有限元前处理软件建立的鞭打分析模型如图1所示。

按照鞭打试验规程要求进行鞭打试验。仿真模型与实际试验的假人姿态尽可能保持一致，如图2所示。

图1 有限元模型

图2 试验模型

经多次修正基础模型后，计算获得的颈部伤害指数（NIC）与实际物理试验的测量曲线基本一致，如图3所示。

图3 NIC对比

上颈部正向剪切力FUx、上颈部正向拉力FUz、上颈部扭矩MUy、下颈部正向剪切力FLx、下颈部正向拉力FLz和下颈部扭矩MLy的CAE分析与试验结果的对比分别如图4～图9所示。

图4 上颈部F U x对比

图5 上颈部F U z对比

图6 上颈部扭矩M U y对比

图7 下颈部正向剪切力F L x对比

图8 下颈部正向拉力F L z对比

图9 下颈部扭矩M L y对比

假人头部与头枕接触历程的CAE分析与试验结果的对比如图10所示。

表1为各损伤指标CAE与试验结果绝对值峰值的的对比。

图10 假人头部与头枕接触历程

表1 CAE与试验结果绝对峰值的对比

由于试验座椅及假人模型无法在CAE中精准模拟，会造成仿真结果与试验结果存在差异。但从CAE和试验对比来看，趋势基本一致，故可认为采用CAE手段来研究关键因素的影响是可行的。

2 座椅各因素对颈部伤害的影响分析

2.1 座椅靠背刚度及其转动刚度对颈部伤害的影响

把骨架钢丝、靠背发泡和包覆面套的整体抗变形能力称为靠背刚度，用Ka表示。把靠背骨架和调角器抗转动变形（转动圆心为调角器中心）的能力称为靠背转动刚度，用Kb表示。把靠背刚度划分为4个等级，分别为1，2，3，4，代表靠背刚度在工程实际范围内按照一定规律依次升高；将靠背转动刚度划分为4个等级，分别为10，15，20，25，代表靠背转动刚度在工程实际范围内按照一定规律依次升高。两组等级组合成16个方案，通过计算16个方案的仿真结果，研究靠背对颈部损伤的影响，结果见表2。

由表可见，仅有NIC和上颈部扭矩MUy失分（评分规则参见《C-NCAP管理规则（2015版）》），其余指标均不失分，因此仅对NIC和MUy两项结果进行研究。把靠背刚度和靠背转动刚度对NIC的影响制作成三维曲面，如图11所示。由图可见，靠背刚度越小和靠背转动刚度越大，则NIC值越小，其中靠背刚度对NIC数值影响较为明显。

表2 不同靠背刚度和靠背转动刚度仿真结果

图11 靠背刚度和靠背转动刚度对NIC的影响

把靠背刚度和靠背转动刚度对MUy的影响制作成三维曲面，如图12所示。由图可见，靠背刚度越小，MUy值就越小，靠背转动刚度对MUy影响较小。

2.2 座椅头枕刚度及其转动刚度对颈部伤害的影响

图12 靠背刚度和靠背转动刚度对M U y的影响

把头枕相对靠背抗转动变形的能力称为头枕转动刚度，用Kc表示。将头枕转动刚度划分为4个等级，分别为1，2，4，8，代表头枕转动刚度在工程实际范围内按照一定规律依次升高；同时考察头枕软硬程度对头部运动产生的影响，把这种头枕抗变形能力称为头枕刚度，用Kd来表示，将头枕刚度划分为4个等级，分别为10，20，40，80，代表头枕刚度在工程实际范围内按照一定规律依次升高。两组等级组合成16个方案，通过16个方案的仿真，研究头枕刚度和头枕转动刚度对颈部损伤的影响，结果见表3。

表3 不同头枕刚度和头枕转动刚度仿真结果

由表可见，仅有NIC、上颈部正向剪切力FUz＋和上颈部扭矩MUy失分（评分规则参见《C-NCAP管理规则（2015版）》），其余指标均不失分，因此仅对NIC，FUz＋和MUy3项结果进行研究。

把头枕刚度和头枕转动刚度对NIC的影响制作成三维曲面，如图13所示。由图可见，头枕转动刚度越大，则NIC值越小，而头枕刚度对NIC数值影响较小。

图13 头枕刚度和头枕转动刚度对NIC的影响

把头枕刚度和头枕转动刚度对FUz＋的影响制作成三维曲面，如图14所示。由图可见，头枕刚度和头枕转动刚度越大，则FUz＋值越小，其中头枕转动刚度对FUz＋影响更明显（在两个因素按照设定的递增规律条件下）。

图14 头枕刚度和头枕转动刚度对F U z＋的影响

把头枕刚度和头枕转动刚度对MUy的影响制作成三维曲面，如图15所示。由图可见，头枕刚度和头枕转动刚度越大，则MUy值越小，其中头枕转动刚度对MUy影响更明显（在两个因素按照设定的递增规律条件下）。

2.3 座椅头枕位置对颈部伤害的影响

图15 头枕刚度和头枕转动刚度对M U y的影响

把头枕相对假人头型的最小水平距离称为头后间隙，用X表示。将头后间隙划分为4个等级，分别为0，10，20，30，代表头后间隙在工程实际范围内按照一定规律依次增加；再把头枕顶端相对假人头部顶端的垂向距离称为头顶高，用Z表示。将头顶高划分为4个等级，分别为-10，0，10，20，代表头部顶端相对头枕顶端在工程实际范围内按照一定规律依次升高。两组等级组合成16个方案，通过计算16个方案的仿真结果，研究头枕位置对颈部损伤的影响，计算结果见表4。

由表可见，FLz＋和MLy的结果不失分（评分规则请见《C-NCAP管理规则（2015版）》），无需研究。因此仅对NIC，FUx＋，FUz＋，MUy和FLx＋结果进行分析。

把头后间隙及头顶高对NIC的影响制作成三维曲面，如图16所示。由图可见，头顶高越小（头枕越高）和头后间隙越小，则NIC值越小。

把头后间隙及头顶高对FUx＋的影响制作成三维曲面，如图17所示。由图可见，头顶高越小（头枕越高）和头后间隙越小，则FUx＋值越小。

把头后间隙和头顶高对FUz＋的影响制作成三维曲面，如图18所示。由图可见，头顶高越小（头枕越高）和头后间隙越小，FUz＋值越小。

把头后间隙和头顶高对MUy的影响制作成三维曲面，如图19所示。由图可见，头顶高越小（头枕越高）和头后间隙越小，则MUy值越小。

把头后间隙和头顶高对FLx＋的影响制作成三维曲面，如图20所示。由图可见，头顶高越小（头枕越高）和头后间隙越小，则FLx＋值越小。