基于仿真分析的某座椅鞭打性能改进

李铁柱 鲁后国 阚洪贵

（安徽江淮汽车股份有限公司）

基于仿真分析的某座椅鞭打性能改进

李铁柱 鲁后国 阚洪贵

（安徽江淮汽车股份有限公司）

针对某车辆座椅在C-NCAP鞭打试验中颈部保护性能较差的问题，通过对人体头、颈部受力分析确定了改进方向，主要集中在座椅靠背刚度、头枕刚度和头后间隙等方面。建立了该座椅的鞭打仿真模型并进行了验证。基于该仿真模型对改进方案进行验证表明，改进方案可行。进行了改进座椅样件试制，其座椅鞭打试验结果验证了方案的有效性。

1 前言

在汽车死亡事故中，汽车追尾碰撞只占4%的比例，但追尾碰撞事故占所有致伤事故的比例高达51%。在汽车追尾碰撞事故中，78.2%的损伤发生在颈部，追尾碰撞中的颈部保护已成为各个国家亟待解决的问题[1]。座椅的合理设计直接影响乘员的颈部保护效果[2，3]。为了更好地评价座椅对人体颈部的保护效果，各个国家都出台了相应的安全法规和评定规程，欧洲的Eu⁃ro-NCAP和美国汽车安全保险协会IIHS都较早地将座椅鞭打性能纳入了考核体系。我国2012版C-NCAP管理规则也正式将座椅鞭打试验纳入了考核内容[4]，已经发布实施的2015版C-NCAP管理规则将对座椅鞭打性能提出更高的要求。

针对某款轿车前排驾驶员座椅鞭打试验中颈部保护效果较差的问题，通过头颈部受力分析确定了初步改进方向，随后建立了该座椅的仿真模型，在该模型基础上制定了具体的改进方案，改进后座椅样件的鞭打试验结果进一步验证了方案有效性。

2 追尾碰撞中颈部生物力学响应

2.1 追尾碰撞中颈部运动过程

根据追尾碰撞试验结果发现，在不同碰撞速度、汽车参数和乘员身体条件下，颈部的冲击响应参数不同，但其运动过程一般可分为下列3个阶段[5]，如图1所示。

a.回收/伸展阶段

胸部被座椅靠背推动往前运动，此时乘员头部因为惯性仍然保持在初始位置，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。

由于颈部脊柱对头部的切向力，头部开始向后转动，整个颈部脊柱将向后伸展。上颈部脊柱从先前的向前弯曲改变为向后伸展。当头部接触到头枕，回收/伸展阶段结束。

b.向前运动阶段

头部接触头枕之后，头部相对头枕反向往前运动。由于座椅储存的能量传递到身体各部分，乘员将产生向前的回弹运动。

c.前伸/弯曲阶段

因为不存在完全非弹性的座椅，乘员通常会在第3个阶段相对汽车向前运动，安全带开始起作用，约束乘员的向前运动。胸部受安全带约束而停止运动，而头部继续向前运动，颈部脊柱出现反S形，上颈部脊柱向后伸展而下颈部脊柱向前弯曲。但是与第1阶段相比，由于胸腔对安全带约束力的缓冲，弯曲半径较大，脊椎和椎间盘结构受力较小，因此颈部损伤的研究主要集中在前两个阶段。

2.2 追尾碰撞中颈部受力分析

追尾碰撞过程中的头部受力分析如图2所示。

在假人头部坐标系X方向上：

在假人头部坐标系Z方向上：

头部沿Y向转动方程为：

式中，FR为头部约束合力；FX为上颈部剪切力；FZ为上颈部拉力；m为头部质量（4.4 kg）；aX为头部X向加速度；aZ为头部Z向加速度；h为头部质心到FR力方向的垂直距离；I=0.021 kg·1m2，为头部沿Y轴向的惯性矩；ω为头部角速度；My为上颈部弯矩；e1和e2为头部局部坐标系下在Z向和X向颈部力传感器到头部质心的距离，分别为34 mm和18 mm。

3 座椅鞭打性能改进方案分析

按照2012版C-NCAP管理规程中座椅鞭打试验要求完成了某座椅的鞭打试验，试验结果如表1所示。试验中使用BioRID II型假人模型，该假人具有详细的脊椎结构，颈部响应生物逼真度较高，目前各大安全评价体系主要使用该假人评估座椅的鞭打性能，如图3所示。

表1 原始座椅鞭打试验中颈部损伤指标

由表1可以看出，原始鞭打试验中颈部伤害指数NIC、上颈部轴向力、上颈部弯矩、下颈部剪切力和下颈部轴向力都超出2012版C-NCAP高性能限值，表明座椅未起到较好的颈部保护效果，需要进一步改进。

颈部伤害指数NIC是枕骨铰链相对于脊椎骨T1的水平加速度和速度的相对值：

式中，Axrel为脊椎骨T1相对头部的加速度；Vxrel为脊椎骨T1相对头部的速度。

从公式（4）可以看出，NIC指标两个影响因素中相对加速度占据90%以上的比重。

如图4所示，NIC峰值为15.6，峰值出现时刻为68 ms，该时刻相对加速度Axrel对NIC峰值贡献为15.0，占NIC峰值的96%，因此减小头颈部的相对加速度可以有效改善NIC指标。为了减小相对加速度，一方面可以减小靠背刚度，降低T1处的加速度；另一方面可以减小头枕后间隙以让头部尽早受力或增加头枕刚度以增加头部加速度。参考这两方面因素，考虑到成本和周期等问题，最终确定方案为将靠背骨架之间的钢丝改为蛇形簧（图5），以减小靠背刚度，将头枕杆向前调整1.5°以减小头后间隙，确保头后间隙在20 mm左右，并增加头枕刚度。

针对颈部轴向力偏高问题研究表明，由于头部惯性力的作用颈部拉力应该保持在450 N左右，该指标偏高主要是由于头部往上运动的距离超出了头枕高度，头部被挂在头枕上引起。通过增加头枕高度可以有效解决该问题，如图6所示。头枕高度增加40 mm，确保头枕最高点超出假人头顶最高点，同时提高了头枕刚度，调整了头枕杆角度。

4 座椅鞭打模型建立和验证

4.1 座椅鞭打模型建立

为了有效评估改进方案的保护效果，建立了详细的鞭打分析有限元模型，模型中主要包括台车、座椅和BioRID II模型，完整的分析模型如图7所示。座椅骨架主要是板材和薄壁钢管，采用壳单元模拟，单元尺寸为5～7 mm；坐垫、靠背和头枕发泡采用实体单元模拟，单元尺寸为12～15 mm；坐垫和靠背钢丝采用梁单元模拟，单元尺寸为10 mm左右。

假人模型使用了LSTC公司开发的BioRID II模型。模型加载的边界条件是C-NCAP规定的台车加速度，加速度波形在0～150 ms的时间范围中需要被精确控制以满足试验要求。加速式台车的速度变化量应控制在15.65± 0.8 km/h，波形持续时间为91±3 ms，整体波形如图8所示。

4.2 座椅鞭打模型验证

为了保证座椅模型准确，对该座椅模型进行了验证，主要包括材料/零部件验证和整体模型验证。零部件验证主要是验证部件的力学特性，如靠背刚度和头枕杆刚度等；整体模型验证主要是使模型得到的假人动力学响应尽可能接近试验结果，再现真实碰撞，如图9所示对比了仿真和试验中头部加速度曲线，曲线整体趋势、峰值出现时刻和大小都比较吻合。

5 座椅结构改进分析及验证

5.1 仿真改进分析

根据上述改进方案对座椅模型进行了调整，主要集中在靠背和头枕。改进前、后仿真分析头部X向加速度对比如图10所示，详细的仿真分析颈部损伤对比如表2所列。

表2 追尾碰撞时仿真与试验颈部伤害对比

由图10可以看出，NIC峰值出现时刻的头部X向加速度峰值得到了明显提高。由表2可以看出，颈部伤害指数NIC得到一定程度的降低，颈部拉力和剪切力都得到了较大幅度的改善，改进方案效果较好。

5.2 试验验证

试制了改进方案后的座椅样件，按照C-NCAP鞭打试验要求完成改进后座椅鞭打试验（图11）。改进前、后头部X向加速度对比如图12所示，可知波谷和波峰的趋势和仿真分析基本一致。试验中各项颈部伤害指标对比如表3所示，可知颈部伤害指数和上颈部弯矩得到了一定程度的降低，上颈部拉力和剪切力得到了较大幅度的改善。试验结果验证了改进方案的有效性。

表3 改进前、后座椅颈部伤害试验值对比

1 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.

2 Liming Voo,Andrew Merkle,and Jeff Wright,et al.Effect of Head-Restraint Rigidity on Whiplash Injury Risk.SAE, 2004-01-0332.

3 Biorn Ludell,Lotta Jakobsson,Bo Alfredsson,et al.Guide⁃lines for and the design of a car seat concept for protection against neck injuries in rear end car impacts.SAE,980301.

4 中国汽车技术研究中心.C-CNAP管理规程（2012版）.天津：中国汽车技术研究中心，2012.

5 肖志.汽车后碰中乘员颈部损伤防护的研究：[学位论文].长沙：湖南大学，2007.

6 Weigang Chen,James Cheng,Jeffrey Vinton,et al.Analysis of Neck Tension Force in IIHS Rear Impact Test.SAE, 2007-01-0368.

（责任编辑帘 青）

修改稿收到日期为2015年5月1日。

The Improvement of Seat Whiplash Performance Based on Simulation Analysis

Li Tiezhu,Lu Houguo，Kan Honggui
（Anhui Jianghuai Automotive Co.,Ltd）

Neck protection property of a vehicle is poor in C-NCAP seat whiplash test,to improve this property, improvement is determined by the mechanics analysis of the head and neck,which mainly focuses on back stiffness, head restraint stiffness,etc.Seat whiplash simulation model of is constructed and validated.The improvement proposal is verified based on this model,which reveals feasibility of this proposal.The modified seat prototype is made,and whiplash test result of the modified seat demonstrates the effectiveness of the proposal.

Passenger Car,Seat whiplash property,Neck injury,Simulation analysis

轿车 座椅鞭打性能 颈部损伤 仿真分析

U461.91

A

1000-3703（2015）07-0014-04