基于LS-DYNA的某座椅鞭打性能分析和优化

胡远志，胡源源，刘 西，廖高健

(1.汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室， 重庆 400054； 2.汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室， 重庆 400054)



基于LS-DYNA的某座椅鞭打性能分析和优化

胡远志1,2，胡源源2，刘 西2，廖高健2

(1.汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室， 重庆 400054； 2.汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室， 重庆 400054)

根据C-NCAP(2015版)鞭打试验评价规程和评分原则，利用BioRID II假人模型研究某座椅鞭打试验对于驾驶员颈部的伤害。利用动态非线性显式有限元方法，以动力学分析软件LS-Dyna为求解器，按照C-NCAP鞭打试验的要求建立有限元模型，实现鞭打试验的仿真和优化。研究结果表明：更改头枕杆的结构，使头部与头枕的间距和高度缩小，可以显著减小鞭打试验中颈部的损伤程度，从而实现座椅的有效优化。

C-NCAP；鞭打试验；BioRID II假人；颈部损伤

据统计，追尾碰撞在交通事故中的比例逐渐增多[1]，因碰撞造成的挥鞭伤导致的巨额医疗支出也越来越引起人们的重视。挥鞭伤是指由于后方碰撞导致人体受到向前的加速度，而头部在惯性力的作用下发生滞后，颈部产生像鞭子猛抽的动作，从而造成颈部的骨骼或软组织损伤。这种损伤并发症多、潜伏期长[2]，甚至会造成永久伤害。针对这一问题，2008年鞭打试验正式加入欧洲Euro-NCAP评价体系，日本于2009年将后碰撞颈部保护试验引入J-NCAP评价体系[3]，2012年我国首次将鞭打试验引进C-NCAP评价体系，并于2015年对鞭打试验的评定标准进行了提升。

本文利用有限元方法建立某款座椅的鞭打试验模型，依据C-NCAP(2015版)鞭打试验评价规程和评分原则对其进行鞭打试验的仿真分析，旨在研究BioRID II假人模型在鞭打试验下的颈部损伤情况。结果表明：通过对头枕结构的优化，可减小鞭打试验中颈部的损伤程度，提升座椅的安全性能。

1 C-NCAP(2015版)鞭打试验评价规程和评分原则

试验按照C-NCAP 试验程序进行，将驾驶员座椅及约束系统仿照原车结构固定安装在移动滑车上。滑车速度以(15.65±0.8)km/h 的特定速度波形发射，模拟后碰撞过程。座椅上放置BioRID II 型假人，用以测量后碰撞过程中其颈部受到的伤害情况[4]。

BioRID II假人模型是瑞典查尔摩斯大学的 Johan Davidsson 等[5]于2000年根据鞭打试验的需求，在 Hybrid III假人模型的基础上对脊椎部分进行优化而创建的。它根据真实的人体脊椎结构建立7节颈椎、12节胸椎和5节腰椎的24节脊椎结构，其脊骨之间由铰链相连接,使其仅能绕Y方向转动。与Hybrid III假人模型相比较，BioRID II的脊柱与人体脊柱的曲线更加吻合[6]，能够更加准确地反映出在碰撞过程人体颈部的运动状况。

C-NCAP采用颈部伤害指数NIC、上颈部剪切力Fx+、上颈部拉力Fz+、上颈部扭矩My，下颈部剪切力Fx+、下颈部拉力Fz+和下颈部扭矩My这7项评分指标以及座椅靠背最大动态张角、头枕干涉头部空间、座椅滑轨动态位移3项罚分项。总体评分原则如表1所示。

表1 鞭打试验总体评分原则

2 座椅鞭打模型建立和验证

鞭打模型包括座椅、假人、安全带以及B柱和滑车4部分(图1(a))。

本文采用某品牌汽车的座椅有限元模型，对此模型中调角器、高度调节器及滑轨等零部件进行了细致的划分，并选择合理的参数保证仿真的精度。座椅模型中骨架采用平均尺寸为8 mm的Shell单元模拟，三角形控制在5%以内，材料类型为MAT24；头枕、靠背和坐垫发泡采用平均尺寸为15 mm的四面体Solid单元模拟，材料类型为MAT57；曲簧采用Beam单元模拟,材料类型为MAT24。零部件之间的焊接和螺栓连接均采用Rigidbody单元模拟，铰链采用joint单元模拟。

模型采用三点式安全带，安全带主要由卷收器、滑环、锁扣等组成，采用1D单元和Shell单元模拟，1D单元的单元属性为*SENTION_SEATBELT，材料类型为SB_MAT.与假人接触部分用材料类型为MATL34的Shell单元。

根据C-NCAP试验要求，座椅4个支脚固定在滑车上，约束滑车除X方向的其他5个方向。将BioRIDII假人模型放入座椅模型中，并按照试验要求调整假人姿态，对座椅发泡进行预压泡处理，使假人和座椅、滑车之间正确的贴合。最后对地板施加如图1(b)所示的X方向加速度。

将上述的鞭打试验模型用LS-Dyna进行求解， 将仿真结果与试验录像对比，如图2所示。从图2可以看出：在150 ms内，仿真结果与试验录像的起始时刻、靠背接触时刻、头部接触时刻以及头部回弹时刻的运动响应基本一致。

(a) 有限元鞭打模型

(b) 鞭打试验加速度波形

图1 有限元鞭打模型和鞭打试验加速度波形

图2 试验与仿真的运动响应对比

从图3中可以看出：仿真输出的头部加速度曲线、胸部T1加速度曲线与试验曲线的整体趋势、峰值出现时刻和大小都比较吻合，证明仿真模型是可靠的，可以用于座椅防挥鞭伤的研究。

图3 试验与仿真的曲线对比

3 仿真结果分析

座椅按图2所示的加速度向前运动，躯干在43 ms时与座椅靠背接触，产生向前的运动趋势，头部由于惯性的作用且没有得到头枕的支撑，呈现出颈部上段向前弯曲、下段向后伸展的“S”型；但随着运动的继续，头部开始向后伸展，直至70 ms时与头枕发生接触；然后在132 ms时头部回弹，开始向前运动。

3.1 颈部伤害指数(NIC)

颈部伤害值NIC是由Bostrom[7]提出的，主要评价头部枕骨铰链相对于胸部T1的水平加速度和速度的相对值，体现头部和胸部之间相对运动的剧烈程度[8]。根据仿真结果(如图4(a))可以得到：假人背部在43 ms时与座椅靠背接触，84 ms 时T1达到峰值；头与头枕在70 ms发生接触，87 ms时头部加速度达到峰值。根据式(1)～(2)[4]计算NIC值为22.74 m2/s2。

(1)

(2)

其中：

(3)

(4)

(5)

Bonman等提出，当NIC值超过15 m2/s2时，颈部承受轻微伤(AISI)的风险会明显增加，损伤程度由短期损伤扩大到长期损伤[9]。因此，假人受到颈部损伤的风险较大。

3.2 颈部剪切力

颈部剪切力是考虑头部相对于躯干向后的作用力，根据C-NCAP评价准则，颈部剪切力小于340 N时获得最高分，大于730 N时不得分。计算公式[3]如下：

(6)

Yang等[10]认为椎骨的剪切运动与椎间关节面的损伤有关。因此，剪切力越大，受到损伤的可能性越大，损伤程度越高。根据仿真结果(如图4(b)(c))可以得到：上颈部剪切力为318.3 N，下颈部剪切力为237.1 N，颈部无剪切损伤风险。

3.3 颈部扭矩

颈部扭矩要考虑伸张和弯曲2个方向的作用。Mertz和Patrick[11]认为过度的弯曲运动是造成颈部软组织损伤的原因之一。C-NCAP评价准则中颈部扭矩小于12 N·m时获得最高分，大于40 N·m时不得分。计算公式[4]如下：

上颈部扭矩：

(7)

MyOC(t)=Myupper(t)-D·Myupper(t)

(8)

其中D=0.017 78 m。

下颈部扭矩：

(9)

根据仿真结果(如图4(d)(e))可以得到：上颈部扭矩为27.57 N·m，下颈部扭矩为8.41 N·m，故上颈部由于扭矩所受的损伤较为严重。

3.4 颈部拉力

颈部拉力是考虑沿脊椎的拉伸，计算公式[4]如下：

(10)

根据C-NCAP评价准则：上颈部拉力小于475 N时获得最高分，大于1 130 N时不得分；下颈部拉力小于257 N时获得最高分，大于1 480 N时不得分。仿真结果(如图5中(f)(g))表明：上颈部拉力为189.4 N，下颈部拉力为278.3 N，故上颈部无受拉损伤损伤风险，下颈部受拉损伤风险较小。

根据C-NCAP评价准则，NIC项得1.08分，颈部载荷和扭矩得0.44分，下颈部载荷和扭矩得0.98分，鞭打试验得分为2.5分，整体得分偏低，防鞭打性能有待改进。

图4 鞭打试验仿真评分指标结果

4 座椅鞭打试验的优化

根据仿真结果(如图5(a))可以得到：假人背部在43 ms时与座椅靠背接触，84 ms时T1加速度达到峰值；头与头枕在70 ms发生接触，87 ms时头部加速度达到峰值；虽然T1和头部加速度的峰值出现的时刻非常接近，但是其接触时刻相差较大。因此，当假人背部受到座椅靠背的推力而向前运动时，头没有头枕的支撑，在惯性力的作用下保持原有状态，导致颈部出现易损伤的“S”形。

图5 头枕的优化前后

颈部伤害值NIC是通过头部加速度和胸部加速度计算出来的，反映了头和胸部之间相对运动，即头部加速度和胸部加速度之间相差越大，NIC值越大，颈部的损伤越严重。又由于上颈部剪切力和拉力分别考虑的是头部相对于背部向后的X方向的作用力和头部延脊椎向上的拉伸，因此缩小头与头枕之间距离，使头与头枕更早的接触，头枕更早地支撑并推动头向前运动，就能有效地降低NIC值、上颈部剪切力Fx+以及上颈部拉力Fz+。颈部扭矩反映了颈部的伸张和弯曲，减小头与头枕的高度差，可减小头部绕上颈椎关节的旋转[12-18]，有效地减小上颈部扭矩，从而降低颈部受伤程度。

如图5(b)所示，将头枕杆向前向上提升，使头与头枕间距由48 mm缩小为21 mm，且提高头枕高度11 mm，使头与头枕的接触时刻提前至53 ms。经过上述优化各指标均有所提升，鞭打试验总分也由2.5分提升至3.36分(如表2)。

表2 鞭打试验优化前后损伤对比

5 结束语

本文基于C-NCAP(2015)鞭打试验要求建立精确的模型并进行有效地仿真，依据C-NCAP的评分标准对BioRID II假人模型在鞭打试验中的运动状态和损伤程度进行研究。针对试验中得分较低的情况，提出有效的优化方案并加以验证。研究结果表明：缩短头与头枕之间的距离和高度，能够有效地减小鞭打试验中颈部的损伤程度，提高座椅的防挥鞭伤能力。

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(责任编辑 刘 舸)

Analysis and Optimization of Seat in Whiplash Test Based on LS-DYNA

HU Yuan-zhi1,2， HU Yuan-yuan2， LIU Xi2， LIAO Gao-jian2

(1.State Key Laboratory of Vehicle NVH and Safety Technology，Chongqing 400054, China; 2.Key Laboratory of Advanced Manufacture Technology for Automobile Parts, Ministry of Education, Chongqing 400054, China)

According to the C-NCAP(2015) whiplash test assessment rules and scoring criteria, using the BioRID II dummy model, this paper studies the neck injury of the driver in a particular seat whiplash test. Based on the dynamic nonlinear explicit finite element method, the dynamic analysis software LS-Dyna is used for the simulation. According to the requirement of C-NCAP, the finite element model is established, and the simulation and optimization of the whip test are realized. The research results show that the change of the headrest structure, which could reduce both horizontal and vertical distances between the head and headrest, can significantly reduce the severity of neck injury in the test, to achieve the effective optimization of the seat.

C-NCAP; whiplash test; BioRID II dummy; neck injury

2017-04-18

国家自然科学基金项目资助(51405050); 2015年重庆市重点产业共性关键技术创新专项(cstc2015zdcy-ztzx60010); 2015重庆市基础与前沿研究计划资助项目(cstc2015jcyjA00048); 2015年重庆市高等教育教学改革研究资助项目(152032); 2013年重庆市科技人才培养计划资助项目(cstc2013kjrc-qnrc60002)； 2012年汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室开放课题资助项目(2012KLMT08)

胡远志(1977—)，男，博士，教授，巴渝学者，主要从事汽车主被动安全研究，E-mail:yuanzhihu@cqut.edu.cn；通讯作者 刘西(1977—)，女，博士，副教授，主要从事汽车主被动安全、人机工程研究，E-mail：liuxi@cqut.edu.cn。

胡远志，胡源源，刘西，等.基于LS-DYNA的某座椅鞭打性能分析和优化[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2017(6):8-14.

format：HU Yuan-zhi，HU Yuan-yuan， LIU Xi，et al.Analysis and Optimization of Seat in Whiplash Test Based on LS-DYNA[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(6):8-14.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.06.002

U467.14

A

1674-8425(2017)06-0008-07