挥鞭伤性能验证噪声分析

王海华

(延锋安道拓座椅有限公司，上海 201315)

0 引言

在乘用车行驶过程中，低速追尾碰撞是普遍发生的一种车辆碰撞事故，在此类事故中，乘员头颈部发生类似于鞭子挥舞的剧烈运动，由此所产生的颈部伤害被称为“挥鞭伤”。中国于2012年将低速追尾碰撞试验(Whiplash Test)引入至新车评价规程(C-NCAP,China New Car Assessment Program)，评估座椅对乘员颈部保护的性能。作者根据CNCAP的鞭打试验评价规程，通过有限元建模分析、台车物理试验等方法，研究追尾碰撞试验中几个重要噪声因子对试验结果的影响，以帮助工程技术人员合理定义座椅防挥鞭伤性能设计目标，并确保在后续新车评价正式试验中能达到设计目标值。

1 方法

进行因子分析之前，先建立座椅Whiplash仿真分析有限元模型，如图1所示。

座椅Whiplash仿真分析模型包括座椅金属骨架网格模型、头枕与泡沫网格模型、BioRID2生物力学假人模型。其中，金属骨架网格模型采用壳单元建模，如图2所示。头枕与泡沫网格模型采用实体单元建模，在此研究案例中，采用四面体单元，如图3所示。生物力学假人采用DynaMore公司开发的、BioRID-II v3.6 LS Dyna版本的有限元假人，如图4所示。

图1 Whiplash分析模型

图2 骨架网格 图3 泡沫网格

图4 生物力学假人模型

2 参数设定

挥鞭伤分析模型中，泡沫材料的特性至关重要。通过材料试验，获得泡沫力学特性，可以有效地提高有限元仿真分析的精度。文中用到的泡沫材料特性曲线如图5所示。

图5 泡沫力学特性曲线

其他金属件材料参数也采用实测材料数据的名义中值曲线。按照以往项目经验，中值曲线可以更容易和物理试验取得结果比对的一致性。

生物力学假人参数设定。按照C-NCAP评价规程，先将假人设定至规程规定的参数，即假人躯干角26.5°，假人H点采用理论H点向前20 mm，假人头部Backset目标值为静态测量值+15 mm。

模型脉冲加载曲线选用台车设备实际模拟值，如图6所示。

图6 脉冲加载曲线

计算环境采用LS Dyna单精度MPP版本R7.1.2，MPI程序采用Intel MPI 4.1.0.024，16核并行计算，操作系统为CentOS Linux 6.6。

3 模型验证

表1所示为按照CNCAP 2018版挥鞭伤评价规程的打分对比。图7—13所示为各伤害值曲线的对比。

表1 某型座椅试验与仿真Whiplash得分对比

图7 某型座椅试验与仿真Whiplash颈部伤害值NIC曲线对比

图8 某型座椅试验与仿真Whiplash下颈部剪切力Fx曲线对比

图9 某型座椅试验与仿真Whiplash上颈部剪切力Fx曲线对比

图10 某型座椅试验与仿真Whiplash下颈部拉力Fz曲线对比

图11 某型座椅试验与仿真Whiplash上颈部拉力Fz曲线对比

图12 某型座椅试验与仿真Whiplash下颈部力矩My曲线对比

图13 某型座椅试验与仿真Whiplash上颈部力矩My曲线对比

4 噪声因子

通过仿真与台车物理试验的对比验证，获得了较为准确的有限元分析模型。因此在该仿真模型基础上，可以开展噪声因子的影响研究。作者对以下因子进行了研究：

(1)台车脉冲模拟稳定性对试验结果的影响。台车设备因其机械液压执行系统的响应速度、控制系统中控制算法的鲁棒性等因素，每次台车发射实际拟合的波形或多或少存在着一些偏差。台车波形存在着以下3大偏差：①最大峰值加速度值；②加速度峰值出现时刻；③最大速度。作者根据历年台车试验实际波形拟合数据，选取了6条曲线，分别是加速度峰值最大与最小、加速度峰值时刻最早和最晚、速度最大和最小。将这6条脉冲曲线，代入同一个计算模型，可以看到脉冲波动对试验结果的影响，因对其他伤害值没有任何影响，因此文中仅给出了颈部伤害值NIC和上颈部扭矩My这两个打分项的对比，如表2所示。通过计算对比可以发现：脉冲波动对试验结果影响非常小，在实际工程开发中，可以忽略这个噪声因子的影响。

表2 脉冲对试验结果影响

(2)生物力学假人设置偏差对试验结果的影响。在台车试验过程中，不可避免会存在生物力学假人摆放位置的偏差。考虑到实际项目中，一般只有颈部伤害值NIC和上颈部力矩这两项指标会受影响，因此文中也仅针对这两个评分项。对比研究的结果请参见表3。围绕H点的位置偏差，以及综合考虑头后间隙的允许设置公差，通过对比计算发现：在C-NCAP评价规程允许的公差范围内，生物力学假人的位置偏差对试验结果产生的最大分值偏差为0.02、0.05分;但是如果假人设置位置明显超出了允许偏差后，如头后间隙偏离目标10及20 mm时，会显著影响试验结果0.13、0.2分。

表3 假人设置偏差的影响

同时，采用对同一批次样品进行重复台车试验，可以验证物理试验过程的稳定性。文中选取了两个型号的座椅，进行了试验过程稳定性的研究。表4及表5所示数据分别为针对2015年版和2018年版评价规程，进行的挥鞭伤性能台车物理试验研究。可以看到：对同一生产批次的样品，同一作业班次的试验技术员，使用同一个生物力学假人，试验得分最大值与最小值存在着0.18和0.27分的偏差。这意味着，目前的物理试验，存在着约5%的测量不确定性。

表4 某型座椅CNCAP 2015版多样品试验得分汇总表

表5 某型座椅CNCAP 2018版多样品试验得分汇总表

5 结论

通过挥鞭伤仿真分析建模及模型验证，详细介绍了挥鞭伤性能验证过程中，主要噪声影响因子对试验结果的影响。应用文中的研究结论，在Whiplash性能开发过程中，合理制定设计目标值与安全裕度，排除一些试验数据上的干扰因素，对设计方案作出正确的判断，可缩短产品研发的周期和成本。

参考文献:

[1]DYNAmore GmgH.BioRID-II LS Dyna v3.6 User’s Manual[M].Germany,2015.

[2]LSTC.LS Dyna R7.1 KEYWORD User’s Manual[M].USA,2014.

[3]中国汽车技术研究中心.C-NCAP管理规则(2018年版)[M].[S.1],2017.