基于仿真分析的汽车座椅鞭打性能研究和优化

陆超

摘 要：针对某款轻型客车的手动八向主驾座椅的座椅鞭打试验结果进行改进，通过各个零件的材质替换和结构改进，成功提升了伤害考核指标中的评分，文章着重对仿真分析结果进行分析比较，对不合理的结构进行优化设计，取得明显的改善效果，为整车的被动安全性能提供了足够的支撑。关键词：鞭打试验;汽车座椅;损伤分析中图分类号：U462.1  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）02-102-04

Abstract： Aiming at the improvement of the seat whip test results of the manual eight way driver seat of a light bus， through the material replacement and structural improvement of various parts， the scores in the injury assessment indexes have been successfully improved. This paper focuses on the analysis and comparison of the simulation analysis results， optimizes the unreasonable structure design， and achieves obvious improvement effect， which is the passive safety performance of the whole vehicle Provide adequate support.Keywords： Whipping test; Car seat; Damage analysisCLC NO.： U462.1  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）02-102-04

前言

随着经济的发展，汽车逐渐融入人们的日常生活中，交通追尾事故也时有发生，被碰撞车辆的车内乘员在碰撞加速度与头部惯性力的共同作用下，颈部会产生一个像被鞭子抽的动作。事故后伤者的颈部会感到不同程度的不适应，这种伤害并不致命，但是伤后恢复的过程非常复杂、漫长，有些甚至是不可治愈的永久伤害。

为了降低这种受伤的风险，在新车开发过程中就要考虑座椅系统的防挥鞭伤能力。目前美国、欧洲、日韩和我国都先后出台了相应的追尾碰撞的颈部保护的评价规程，国内外对座椅防鞭打性能越来越重视。

本研究依据EURO-NCAP相关标准和规定，就某驾驶员座椅鞭打试验中的问题进行分析，并建立该驾驶员座椅鞭打仿真分析模型，结合假人颈部运动响应分析，对该座椅结构进行仿真优化分析，使其鞭打得分达到目标要求。

1 某座椅鞭打试验问题分析

1.1 EURO-NCAP鞭打试验规程及评价指标

鞭打實验前需要完成座椅的调整及测量、鞭打假人的标定、试验假人的安放等准备工作;试验时将座椅及约束系统仿照原车结构固定在移动滑车上，滑车以固定速度变化量的特定加速度波形（见下图1）发射，模拟后碰撞过程。座椅上放置BioRIDII型假人，用以测量后碰撞过程中假人颈部受到伤害的水平。欧洲EURO-NCAP座椅鞭打总分为11分，两分具体试验设置及考核指标见表1。

由于实车和滑台试验需要利用样车，并且机械假人模型会在试验中受损，不能多次使用，并且需要耗费大量的人力物力去准备、操作，数据的捕捉也需要一系列的设别，并且可能得不到一系列一致性较高的数据，研究中采用仿真分析的方法来辅助设计，和传统的试验方式相比，仿真分析具有以下优点：

（1）成本低。可以多次进行不同参数的后碰撞试验。

（2）分析速度快。某些结构优化改进时，可以及时修改3D数模导入分析软件中输出结果，大大缩短了开发周期。

（3）试验数据记录方便，可以随时调取。CAE模拟分析不需要任何工具，试验数据可以完整的保存。

（4）模型标准一致，数据的可重复性好。

2 座椅鞭打仿真分析及优化

2.1 模型导入与参数的设置

通过CAD软件建模（CATIA或者UG），先导入hypermesh软件中建立CAE模型：从MADYMO假人数据库中调入相应的BioRIDII假人，并定义假人与座椅靠背动态张角。座椅的骨架采用壳单元，靠背与坐垫采用实体单元，整体的座椅模型如下图2所示。导入的模型图先进行有限元网格的划分，在形成了完整有限元模型后采用LS-DYNA求解器进行求解，施加相应的碰撞加速度载荷，分析假人在特定后碰撞工况下的乘员响应与伤害指标。

2.2 仿真分析优化

针对某驾驶员座椅按照EURO-NCAP相关鞭打试验规范进行摸底试验，静态测试中头后间隙值为35.0mm，头枕高度为7.66mm，假人躯干角为25°，试验结果统计如表2。

动态试验最终得分为0.61分，EURO-ncap标准评价的总分为0.91分。可以看出高强度试验得分较高，低强度和中强度得分为0，原因是欧标中每个指标存在一个上限值，这个项目超过极限值就为零分，而低、中强度脉冲过程中NIC、Nkm、上颈部拉力值等多项指标都超出了极限值，所以评分为零。高强度试验过程中显示，靠背下部明显发生变形，降低了假人胸部和头部的加速度差值，依照这个思路，我们可以通过结构设计在相应的速度下，不同的部件发生变形来降低加速度差值来提升鞭打性能。

已经有研究表明，座椅的各部分参数与假人颈部伤害并不是简单的一一对应，而是多参数对应多目标的综合匹配系统。对此，提出了以下的方案加以改进：

（1）将头后间隙值减小到10mm，避免假人头部到头枕的距离过大;靠背弯管材料、厚度加强，由QSTE340，T1.2变更为QSTE420，T1.6，提高了靠背上部的刚度，防止颈部的过度弯曲。

（2）靠背接板减弱，材质由SAPH440、T1.2变更为刚度更低的H340LA、T0.8，并且增加减重空、工艺孔，使此处在后碰过程中更容易失效。减弱了靠背刚度，缩短了头部和头枕的接触时间，也可以减小NIC伤害值。

（3）设计良好的头枕有一个舒适的间隙，使乘员在发生后碰时能完整的包裹在座椅内，并且头部和胸部的加速度能有一个良好的匹配。通过对整体模型的观察发现，原先的头枕高度设计过低，导致头枕的保护作用不强，因此将头枕上移20mm，在实际行驶过程中，需要使假人的后脑正对头枕的骨架支撑处，同时这样在后碰撞过程中，能够最大程度的对假人的头部进行保护，降低颈部的损伤。同时靠背材质由QSTE340TM提高为强度更高的QSTE420TM，头枕套杆上下分别延长20mm，座椅靠背骨架上部强度上升，结构优化。

整体改进后的欧标评分见表3，这样改进后整体的分数上升到了2.85分，座椅系统的防鞭打性能得到了极大的改善，低等强度和高等强度下均为3分满分。针对此结果，需要主要关注中等强度下座椅的防鞭打性能。

研究表明在合理的范围内，调角器特性越软越有利于保护乘客的颈部。从这个方面入手可以改进调角器的结构来提高鞭打试验的评价分数。

为了保证高速碰撞下的乘员安全，可以采取降低调角器刚度的方法来提高鞭打性能，设计初期在调角器下方连接处开设长方形吸能槽，并切除附近部分翻边来降低刚度CAE输出结果显示，在低速和高速碰撞下表现良好，评分达到1.09，在中速下的评分较低，为0.67，总体的评分为2.85。中等强度下头部回弹速度和靠背脊柱上端加速度超过下限值，为0分，有很大的改进余地。

低强度和高强度脉冲下分数为3分满分，中强度下加速度和头部回弹速度超过限度，为0分，为此，对调角器的形状进一步改进来增加中速碰撞下的評分。一共提供了两种改进的方案。两种改进方案的形状如下表4所示：

两种方案下的低强度、高强度动态试验仿真得分均为满分，中等强度下的评分分别为0.72和0.81。可以明显看出，圆角矩形孔面积更大，调角器刚度更小。圆形的吸能槽构造在中等强度下，头部回弹速度明显降低，达到了4.44ms?-1，T1加速度也有了明显的下降，到了14.16g，仍然超过最低限度值（13.1g），所以此项依然是0分。其他各项指标性能均有小幅度上升。而圆角矩形结构中T1加速度这一项不再是零分，达到了12.74g，进入了标准的范围内，动态试验仿真总体得分为2.99，到达了好的评价。

3 总结

本研究依据EURO-ncap相关规范，在某款驾驶员座椅的

开发过程中，结合后碰撞试验中乘员颈部损伤响应及伤害的各项指标，采用CAE仿真分析的方法分析了鞭打试验中假人颈部伤害值过大的原因，并据此进行了大量的座椅的结构优化，最终实现了该座椅的鞭打性能优化改进设计。给整车被动安全提供了足够的支撑。

（1）调角器刚度降低能够明显提升中等强度下，汽车座椅的防挥鞭伤性能。

（2）座椅的各部分参数与假人颈部伤害并不是简单的一一对应，而是多参数对应多目标的综合匹配系统。各个部分的整体优化配合能够最大限度的提升座椅的防挥鞭伤性能。

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