影响乘员追尾伤害因素的研究

2019-01-03翟锡杰王昌胜胡丕君朱江明

汽车工程学报 2018年6期

翟锡杰，李伟，王昌胜，胡丕君，许炜，朱江明，

（1.浙江零跑科技有限公司，杭州 310053；2.浙江大华技术股份有限公司杭州，310053）

在各类交通事故中，人体头颈是最常见的致伤部位，尤其在汽车追尾碰撞事故[1-3]中，颈部伤害的比例高达77.1 %。国际标准化组织、美国IIHS等针对汽车追尾碰撞对乘员颈部伤害产生机理进行了研究，并制定了相应的法规和安全性评价体系；欧洲Euro-NCAP 也于2008 年将汽车追尾碰撞颈部伤害列入安全性评价体系。而中国为了评价车辆在追尾碰撞事故中乘员颈部所受“挥鞭伤”的程度，在2012版C-NCAP星级评价体系[4]中增加了新的考核试验项目——鞭打试验。但是，2012版C-NCAP推广至今，通过研究发现其中的一些评价标准难度有所降低，为了更好地保护乘客的安全，于2015年正式提出了新版评价标准。2015版C-NCAP比2012版更加严格，而今年提出的2018版C-NCAP则是基于2015版对乘员上下颈部伤害值的权重进行加权处理，相对于2015版会更加宽松。因此，本研究以2012版与2015版为基础进行比较分析。

本研究以目前已量产的车型为基础进行鞭打试验，建立仿真模型，并进行对标分析，得到座椅参数对鞭打性能的影响趋势及影响度，将所得到的结论应用到实际的性能开发中。

1 2012版与2015版C-NCAP比较

随着2015版C-NCAP[5]的发布，得分的难度也随之上升，而在鞭打试验方面，其与2012版相比主要的差别见表1。

表1 2012版与2015版C-NCAP差别

由表1可知，整体计算得分的方式发生变化，本来在 NIC得分方面就比较困难，这种改变使其得高分的难度加大，并且新版对座椅动态张角的要求更加严格。从表2[6]可以看出2012版与2015版C-NCAP的差距。

表2 2012版与2015版鞭打试验得分对比

由表2可知，一些车型在2012版C-NCAP中的得分尽管达到了满分，但在2015版C-NCAP中得分不到3.4分。这只是这两版鞭打试验得分中摘录的一部分，说明2015版C-NCAP得高分的难度较2012版大。

2 仿真模型

由于缺少座椅相应的材料属性，同时考虑到有限元计算效率的局限性，本研究以多刚体仿真模型[7]作为基础模型，进行一系列的仿真分析优化计算等。

由于2015版C-NCAP中，得分的难点主要集中在NIC方面，因此对标结果主要以NIC为主，并且综合考虑其它伤害值的影响。所建立的模型如图1所示，仿真及对标曲线对比如图2所示。

图1 仿真模型

图2 仿真及对标曲线对比

仿真拟合度误差α为：

式中：m为试验曲线的峰值；n为仿真曲线的峰值；α为曲线拟合度误差。

α≤5%即为满足要求，而α1=4.76%，说明两条曲线的拟合程度比较一致，仿真模型能够比较好地模拟出试验的情况。

3 各参数的影响趋势及影响度

本研究着重考虑头后间隙、头枕高度、头枕刚度、上靠背刚度、下靠背刚度以及调角器刚度等因素对座椅性能的影响趋势。

通过对仿真模型的各个参数分别取值，见表3，利用DOE方法[8]依次进行仿真计算，并对所得到的数据进行整理分析。

通过将表3中的各个参数带入到仿真模型中进行计算，可以得到一系列的关于假人颈部的伤害值[9-10]。将这些伤害值分类处理之后，可以得到如图3～9所示的结果。

表3 性能参数取值

图3 各因素对上颈部剪切力的影响趋势

图4 各因素对上颈部拉伸力的影响趋势

图5 各因素对上颈部弯矩的影响趋势

图6 各因素对下颈部剪切力的影响趋势

图7 各因素对下颈部拉伸力的影响趋势

图8 各因素对下颈部弯矩的影响趋势

图9 各因素对NIC的影响趋势

由图3～9中的变化趋势可知，这些因素对上颈部剪切力、上颈部拉伸力、下颈部剪切力等的影响因素比较复杂，但是这三项对颈部伤害值得分的影响程度较低，见表4。因此，对这几项参数所造成的影响度[11]进行分析时，这几项的影响可以忽略。为研究这几个座椅参数对其余4个颈部伤害指标的影响，采用极差分析法[11]（简称R法）对主要参数进行了正交试验分析。利用极差分析法可以得到各个参数对上颈部弯矩、下颈部拉伸力、下颈部弯矩以及NIC的影响程度，如图10～13所示。

图10 各因素对上颈部弯矩的影响度

图11 各因素对下颈部拉伸力的影响度

图12 各因素对下颈部弯矩的影响度

图13 各因素对NIC的影响度

由图10～13可知，在上颈部弯矩的影响度中，占主要因素的分别为调角器刚度、头枕高度和头后间隙；在下颈部拉伸力的影响度中，占主要因素的分别为头枕高度、头后间隙和调角器刚度；在下颈部弯矩的影响度中，占主要因素的分别为头枕高度、调角器刚度、头枕刚度、上靠背刚度、下靠背刚度和头后间隙；在NIC的影响度中，占主要因素的分别为头后间隙、调角器刚度、上靠背刚度、头枕刚度、头枕高度和下靠背刚度。

因此，在给座椅供应商制定性能目标时，按照不同的座椅性能提出不同的参数要求，特别是座椅调角器的刚度，在产品设计初期务必对其提出可靠的性能要求，这一点必须引起重视。

4 案例分析

在某一项目前期开发阶段制定的安全目标是2012版C-NCAP（总分62分）碰撞得分56分，但由于规则更改，2015版C-NCAP总分变为61分，并且座椅鞭打试验得分难度增大。前期座椅的鞭打试验得分按照2012版C-NCAP规则，得到3.3分，但是换算成2015版规则，得到2.49分，见表4，不满足3.5分的性能要求。

前期基础鞭打试验的假人伤害值得分见表4，座椅的初始状态如图14所示。

由表4可知，上颈部弯矩扣分非常严重，其次是NIC，再次就是下颈部弯矩。后续的优化会主要以这3个伤害值作为最终目标，在保持其它伤害值不增大的前提下，尽量提升这3个伤害值的得分。

根据上文得出的结论来看，要想减小上颈部弯矩、NIC以及下颈部弯矩这些伤害值，均需要考虑调整调角器的刚度。但是，由于本项目已经处在项目开发的中期，如果调整调角器刚度则存在法规项以及扣分项的风险，所以调角器的刚度因素不在此阶段考虑。

表4 初始状态鞭打试验得分表

图14 座椅初始状态

结合上颈部弯矩伤害值影响曲线（图3）以及影响度（图10），可以看出关键因素是头枕高度、头后间隙，其次是上靠背刚度、下靠背刚度；结合NIC伤害值影响曲线（图9）以及影响度（图13），可以看出关键因素是头后间隙，其次是上靠背刚度、头枕刚度；结合下颈部弯矩伤害值影响曲线（图8）以及影响度（图12），可以看出关键因素是头枕高度，其次是头枕刚度、上靠背刚度、下靠背刚度。

通过以上说明，可以提出的修改方案如图15所示。

图15 修正之后的座椅状态

具体的修改方案：（1）减少头后间隙，由原先的40 mm调整为15 mm，通过将头枕杆角度17.5°调整为9°并增加头枕厚度来实现。（2）增大头枕的高度，由原先的-10 mm调整为0 mm。（3）减少头枕刚度，通过增加头枕的厚度来实现。（4）增加上靠背的刚度，通过削减上靠背上面的泡棉来实现。按照以上方案进行鞭打试验，得到如图16～18的试验曲线。