客车乘员座椅的被动安全性能研究

卢琳兆

（厦门金龙联合汽车工业有限公司，福建厦门361023）

客车乘员座椅的被动安全性能研究

卢琳兆

（厦门金龙联合汽车工业有限公司，福建厦门361023）

建立客车座椅动态试验的仿真模型并进行试验验证，在此基础上选取靠背泡棉刚度、座垫刚度、座垫摩擦系数及靠背管强度等四个变量作为设计变量，以降低假人WIC值为目标，利用正交试验方法得出以上四个变量的灵敏度，并以此为依据对座椅进行改进设计。

客车；乘员座椅；动态试验；被动安全；正交试验

客车座椅是客车内饰件的重要组成部分，它的优劣对客车内部的美观性、舒适性、操作方便性和安全性等有至关重要的影响。有数据表明，客车正面碰撞事故造成人员伤亡的比例仅次于侧翻事故，其中正面碰撞过程中乘员与座椅间的二次碰撞或因座椅与车体相连部位失效而造成乘员二次伤害的情况占了较大的比例[1-2]。因此，研究客车乘客座椅的安全性能已变得非常重要。本文选取客车中间段的座椅，依据GB13057-2014[3]要求深入研究客车座椅及其固定件变形和乘员在碰撞过程中的伤害情况，供提升国内客车厂及座椅配套厂的技术水平参考和借鉴。

1 仿真分析及验证

1.1建立仿真分析模型

1）座椅有限元模型。从某客车模型中截取中间段的模型作为仿真模型，对此模型进行有限元处理，最终得到座椅动态试验仿真分析的有限元模型，共有1D单元1 678个，2D单元248 539个，3D单元353 180个。

2）乘员坐姿定位。由于座椅动态试验分两个试验[3]，其中“试验一”采用50%的TNO10假人，主要考察座椅在受到冲击载荷作用下，座椅结构的变形情况（即考察座椅结构的强度）；“试验二”采用50%的HybridⅢ假人，主要考察座椅在受到冲击载荷作用下，座椅结构的变形对假人造成的伤害（即考察假人伤害值）。因此，本文在进行座椅动态试验仿真分析时，“试验一”是采用LS-DYNA的快速假人模型，“试验二”是采用LS-DYNA的详细假人模型。根据座椅厂家提供的座椅R点、靠背角、座垫角等信息，调整假人模型到舒适的位置，然后把假人模型偏离椅面一定距离，使假人受到重力作用下与座垫表面接触并产生变形，利用关键字*INTERFACE_SPRINGBACK_LSDYNA生成含有应力应变信息的座垫模型，并替换原有的座垫模型。最终其“试验一”和“试验二”的仿真模型见图1。

图1 动态“试验一”和“试验二”的仿真分析模型

3）边界条件。在仿真分析中，经常会出现有些部件在受到冲击载荷的作用下，产生大变形，如果不设置接触边界条件的话会发生穿透现象，导致变形模型失真，故采用自动单面接触的算法以提高计算效率、精度及稳定性[4]。据此设置假人上部与靠背，腿与靠背，脚与椅脚，下肢与座垫，脚与木地板等面面接触，最后对台车施加如图2所示的冲击加速度。

图2 试验加速度曲线

1.2 仿真结果分析及有效性验证

1.2.1 “试验一”仿真结果与验证

“试验一”主要是检查座椅固定件及座椅骨架的强度，即主要检查假人是否会超过辅助座椅R点前方1.6 m的横向截面和座椅安装件、附件或零件有无分离、座椅能否牢固地固定在车身上及结构件有无断裂或尖角、锐边等。因座椅靠背受到假人的撞击后会绕着靠背与座垫间的“旋转副”运动，故可通过假人与靠背的撞击位置及对比靠背旋转的角度来验证仿真模型是否准确，具体见图3。图3中，被假人撞击的外侧座椅靠背的旋转角度，仿真值与试验值分别是11°和13°。

图3 假人与靠背接触位置的仿真与试验对比

从图3可以看出，仿真模型的假人与靠背的撞击位置和试验假人撞击的位置几乎相同，外侧座椅的靠背受到假人撞击后的旋转角仿真值与试验值仅相差2°，因此可以得出“试验一”的仿真模型可信度较高，可以进行后续的仿真分析。内侧座椅的靠背变形过大是由于靠背管装配工艺的问题，导致靠背受到假人撞击后滑出挡板。因碰撞仿真分析忽略焊接和工艺等的影响，故只能通过对比外侧座椅的变形来验证模型的准确性。同时，从图4的头部位移-时间历程曲线可以看出，头部的最大位移量为0.76m，满足假人躯干和头部的任何部位向前位移应不超过位于辅助座椅R点前1.6m横向垂面的要求，且座椅结构的完整性较好，故座椅结构满足“试验一”的强度要求。

图4 “试验一”的头部位移曲线

1.2.2 “试验二”仿真结果与验证

“试验二”主要是检查假人在不离位状态下，假人身体各部位与座椅接触后，假人头部HIC、胸部ThAC、座椅大腿的轴向受力情况是否满足法规要求。“试验二”的仿真与试验结果，具体如图5-图8所示：

图5 “试验二”的头部伤害仿真与试验结果对比

图6 “试验二”的胸部伤害仿真与试验结果对比

图7 “试验二”的左大腿受力仿真与试验结果对比

图8 “试验二”的右大腿受力仿真与试验结果对比

从图5-图8的曲线图来看，仿真结果中各曲线的峰值及波形都与试验结果较接近；但曲线上的峰值所对应的时间，仿真与试验有偏差，这主要是由于仿真模型中的膝盖距前排座椅的靠背距离与实际距离有一定的偏差，以及仿真模型中安全带的松紧程度与实际情况也有偏差所致，其结果的峰值对比如表1所示。

表1 试验与仿真结果的峰值对比

对于工程上的问题，一般要求其波形几乎相似，峰值偏差在15%以内即可判定有效[6]。从表1可以看出，仿真与试验的偏差都较小，精度较高，特别是人体伤害加权指数WIC的误差仅有1.23%，故可判定此仿真模型有较高的可信度及有效性。

从试验结果来看，头部HIC值及胸部ThAC值较大，如果不做任何优化改进，则很容易超出法规要求，而使设计失败。因此，后续优化目标就是降低头部和胸部的冲击加速度值。

2 座椅动态安全性的结构改进

2.1 影响因子分析

根据目前客车乘客座椅的实际情况和可改进性，选取座垫泡棉刚度、座垫摩擦系数、靠背泡棉刚度及靠背强度等四项作为设计变量[7-8]，其值的具体变化范围见表2[9]。以各设计变量的取值范围为约束条件，取假人加权伤害指数WIC值最小为设计目标。

本文采用正交试验法[10]，并选择L9（34）正交表来建立试验样本点，经过9次仿真计算，得到各试验方案的结果，其中各因子对WIC值的影响结果见图9。

图9 各试验因子的影响结果

从图9中可以看出，座椅靠背强度对乘员的WIC表现最为灵敏，座垫摩擦系数的表现次之，座垫泡棉刚度的表现最弱。

2.2 改进方案

鉴于上述灵敏度的分析，在保证乘客座椅舒适性的同时兼具安全性，初步制定了如下优化改进方案：

1）将座椅靠背强度变为原先的80%，即减小靠背管材料的厚度；

2）将座椅靠背泡棉刚度变为原先的80%，即降低靠背的泡棉密度，同时增加泡棉的厚度；

3）将座垫摩擦系数变为原先的1.2倍，即更换座垫椅面材质。

通过调整上述仿真模型的参数后，乘客伤害指标峰值见表3。通过对比发现，头部伤害指标HIC值降低了13.85%，胸部ThAC值降低了19.91%，人体伤害评价指标WIC下降了17.07%，可以得出上述改进方案对降低乘员伤害的效果较明显。

表3 仿真模型改进前后结果的峰值对比

从表3可以看出，假人各部位的伤害值除了左大腿轴向受力（FAC_L）变大外，其余均有不同程度的降低。导致左大腿轴向受力（FAC_L）变大的原因是：改进后座椅靠背整体的刚度及强度均是变弱的，导致靠背管变形比原先的大，从而左脚的位移比原先的大一点，因此左腿与周边接触产生的更大变形从而导致大腿轴向力（FAC_L）的值变大。因降低了座椅靠背强度，座椅靠背管可能会被破坏，故需对优化后的仿真模型进行“试验一”的仿真计算，通过对比座椅骨架的应变值是否超出其对应的材料失效的最大应变值来判断座椅结构是否失效，具体如图10所示。

图10 仿真模型优化后的“试验一”结果

从图10可以看出，座椅靠背管的最大应变值达到了0.182，小于材料失效的最大应变值0.2，故靠背管不会破裂，同时座椅椅脚的应变值也降低了，能较好地保证座椅骨架结构的完整性，故此改进方案可行。

3 结论

利用Hypermesh和LS-DYNA建立客车中段座椅的有限元模型及乘员约束系统模型，通过试验验证了仿真模型的有效性及可信度。在此基础上，通过分析各变化因子的灵敏度，得到了影响乘员伤害较大的三个因子，即座椅靠背强度、座椅靠背泡棉刚度及座垫摩擦系数等。通过对座椅系统的结构改进，乘员伤害指数降低了16.05%，且不破坏座椅骨架结构，改进效果明显。

[1]李毅.大客车侧翻碰撞安全性设计与优化关键技术研究[D].广州：华南理工大学，2012.

[2]金明新，王军华.客车座椅及其车辆固定件的被动安全性——联合国欧洲经济委员会ECE R80法规简析[J].客车技术与研究，2001，23（5）：56-58.

[3]全国汽车标准化技术委员会.客车座椅及其车辆固定件的强度：GB13057-2014[S].北京：中国标准出版社，2014：10.

[4]方锡邦，周革，尹鸿飞.客车侧翻试验仿真研究[J].客车技术，2006，25（6）：10-13.

[5]Lau LV，Viano DC．The viscous criterion 2 base and appalications of an injury severity index for soft tissues[J].USA.1986：SAE Paper 861882.

[6]廖兴涛.基于代理模型的汽车碰撞安全性仿真优化研究[D].长沙：湖南大学，2006.

[7]葛如海，许栋，王桃英，等.客车座椅设计参数对乘员正面碰撞伤害影响的仿真研究[J].车辆与动力技术，2010，118（2）：9-13.

[8]叶松奎，吴长风，黄登峰.校车座椅动态试验乘员损伤研究与优化[J].客车技术与研究，2014，36（5）：17-20.

[9]卢琳兆，吴晓明，崔朝军，等.客车乘员座椅动态试验的仿真研究[D].机电技术，2016（1）：103-105.

[10]赖宇阳.Isight参数优化理论与实例详解[M].1版.北京：北京航空航天大学出版社，2012.

修改稿日期：2016-08-26

Study on Passive Safety Performance of a Coach Passenger Seats

Lu Linzhao
（Xiamen KingLongUnited Automotive IndustryCo.,Ltd,Xiamen 361023,China）

The author establishes the simulation model of a coach seats dynamic test and does the verification test. Based on this,he selects the stiffness of seatback foam and seat cushion,the coefficient of the cushion friction and the strength ofthe seatback as the design variables toreduce the WICvalue as the target.Then he gets the sensitivity of the above four variables by using the method of orthogonal experiment,and taking the conclusion as the basis,he improves the design ofthe coach passenger seats.

coach;passenger seat;dynamic test;passive safety;orthogonal experiments

U463.83+6；U461.91

A

1006-3331（2016）06-0007-04

厦门市创新型企业资助项目（3502Z20130043）

卢琳兆（1982-），男，硕士；工程师；主要从事客车被动安全及轻量化研究工作。