基于DOE的座椅鞭打试验优化分析

刘高，王敏



基于DOE的座椅鞭打试验优化分析

刘高，王敏

（舒茨曼座椅（宁波）有限公司，浙江 宁波 315336）

文章根据2018版C-NCAP低速后碰撞颈部保护试验（“鞭打试验”）相关规程，利用Hypermesh软件建立某整车项目主驾座椅的仿真模型。基于初版分析结果，运用DOE（试验设计）技术，通过调整座椅的相关设计参数，快速确定座椅结构优化方向，以达到客户鞭打试验4.5分需求。

鞭打试验；仿真；DOE；优化

1 引言

随着我国汽车行业的高速发展，汽车消费者对汽车安全越来越关注。从2012版C-NCAP新增Whiplash试验开始，经过2015版和2018版C-NCAP的改版完善，Whiplash试验表现引起了广大主机厂的重视，通过优化座椅参数，能有效提高座椅Whiplash得分，进而帮助整车提高C-NCAP安全星级。

2 Whiplash试验及评分介绍

Whiplash试验是将试验车辆驾驶员侧座椅及约束系统仿照原车结构，固定安装在移动滑车上，滑车以速度变化量为（20.0±1.0）km/h 的特定加速度波形发射，模拟后碰撞过程（如图1 所示）。座椅上放置BioRID II 型假人，通过测量后碰撞过程中颈部受到的伤害情况，用以评价车辆座椅头枕对乘员颈部的保护效果。

图1 Whiplash试验

Whiplash 试验[1]的加速度波形在0～170ms 的时间范围中，加速式台车的速度变化量应控制在ΔV=20±1.0km/h，波形持续时间为ΔT=103±3ms。Whiplash试验在C-NCAP 中所占分值为5分，其中头部2分，上下颈部各1.5分，具体评分原则如表1示。

评分以假人伤害指标为基础，高、低性能限制对应WAD2+伤害风险率为5%和95%，减分项以高速摄像为依据，计算冲击过程中靠背后仰的最大变化量，此减分目的在于防止对后排乘员造成额外伤害[2]。

表1 鞭打试验总体评分原则

3 试验结果分析及优化约束条件

根据座椅建模企业标准及C-NCAP 2018相关要求，搭建了某整车项目主驾座椅Whiplash试验模型，如图2所示。

图2 主驾座椅Whiplash模型

试验模型主要由滑台、座椅模型、假人模型、约束系统组成，分析结果见表2。

表2 初版Whiplash试验分析结果

表2的分析结果显示：Whiplash试验得分为3.71，不能满足客户Whiplash得分≥4.5分的要求，失分项主要集中在头部伤害值NIC（1.21&2.0）和上颈部扭矩My（1.0&1.5）。

头部评价失分主要原因是头部加速度和上颈部T1加速度不同步（如图3所示），因为NIC值是关于胸部T1和头部相对加速度和速度的函数。

NIC=0.2Axrel(t)+[Vxrel(t)]2

其中Axrel(t)=AxT1(t)-AxHead(t)；

要减少NIC失分，可以从两个方面进行，减少头后间隙或者延迟胸部接触时间。而为了满足造型及客户对整椅舒适性的需求，头后间隙及泡沫A面都不能进行改变；延迟胸部接触时间则可以适当将座椅靠背进行偏转，同时减小座调角器下部刚度。

图3 头部NIC曲线

上颈部评价失分主要是因为在试验反弹阶段上颈部扭矩My偏大（如图4所示）。要增加上颈部My得分，可以减少头枕泡沫A面与头枕杆之间的距离、增加头枕杆及头枕杆贴片刚度。根据客户输入，头枕杆A面与头部接触区有层10mm厚软泡沫，因此头枕泡沫A面与头枕杆之间距离最少为25mm才能满足泡沫浇注要求；增加头枕杆厚度、改变试验过程中假人头部接触部位刚度及接触位置与头枕杆上部之间相对距离可以增加头枕局部刚度。

图4 上颈部My曲线

4 DOE试验设计及结果分析

4.1 DOE试验设计

DOE试验设计研究的是如何合理安排试验计划与分析试验结果数据的一门学科[3][4]，试验设计因满足完全重复性、随机化、区组化原则。

根据初版试验结果及相关设计经验[5][6]，我们设计了5个优化因子，每个因子的优化方案见表3。

表3 试验优化因子的优化方案

明确优化方向后我们设计了一个L8（4X42）的DOE试验，试验因子依次为：调角器下连接板、靠背骨架偏转、头枕杆贴板、头枕杆、头枕杆相对高度。具体试验设计安排如表4所示。

表4 DOE试验设计及结果

注：

因子b-调角器连接板优化方案如图5所示；

因子d-头枕杆刚度优化方案如图6所示；

因子e-头枕杆高度优化方案如图6所示；

图5 调角器下连接板

图6 头枕杆上支架

备注：头枕杆厚度①为1.4mm；②为1.6mm；③为1.8mm；④为2.0mm；

调角器下连接板①为翻边8mm；②为翻边5mm+三角形弱化孔，如图5所示；

靠背骨架偏转①为向后0.7°偏转；②为向前0.5°偏转；

头枕杆贴板①不增加筋条；②在接触位置增加横向筋条，如图6所示；

头枕杆相对高度①为向上15mm；②为向下10mm。

4.2 DOE试验结果分析

DOE试验结果表明，Whiplash失分项与初版结果表现一致，失分项为头部NIC和上颈部My，其它考察项均没有失分。

试验结果如表3所示，对试验结果进行简单处理，其中：

公式中Ki表示因素i的响应值，n表示试验组数，yi表示因素i的试验考察值。

试验结果表明，试验5、6、7得分分别为4.50、4.57、4.50，已满足客户需求对头部伤害值NIC，试验组合：头枕杆1.8mm；调角器下连接板5mm翻边+三角形弱化孔；靠背向后偏移0.7°；头枕杆贴板加加强筋；头枕杆向上15mm,为其最优解；

对上颈部My，试验组合：头枕杆2.0mm；调角器下连接板5mm翻边+三角形弱化孔；靠背向前偏移0.5°；头枕杆贴板加加强筋；头枕杆向下10mm,为其最优解；

试验结果表明，试验5、6、7得分分别为4.50、4.57、4.50，已满足客户需求，可以将头部伤害值最优解的试验6作为最终数据。

5 结论与展望

通过试验找出因子与响应之间的真实关系以便确定最佳的因子水平设置使响应达到最优是DOE试验设计的根本目的[3]，本文通过DOE试验设计在Whiplash仿真优化分析中的应用，并结合客户需求，经过较少的分析（试验）尝试，以最小的计算成本，尽可能大的满足客户的需求。

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

[2] 吴悦乐,汽车座椅在低速后碰中的模拟研究[J],制造业信息化, 2013(9):105-106.

[3] 欧俭华,QFD与DOE集成应用研究[D],昆明理工大学,2011.

[4] 雷刚,王希杰,张攀,基于DOE的汽车碰撞优化分析[J],重庆理工大学学报(自然科学),2011(2):8-12.

[5] 黄炫,基于C-NCAP鞭打试验座椅参数对颈部损伤的影响[D],吉林,吉林大学,2012.

Optimization analysis of whiplash test based on DOE technology

Liu Only, Wang Min

( SCI Seating (Ningbo) Co., Ltd., ZheJiang NingBo 315336 )

Based on the related procedures of the neck protection test (Whiplash test) of 2018 version C-NCAP, we establish the simulation mode of the seat by the software of Hypermesh. And use the technology of DOE (Design of experiment) from the results of the initial analysis, by adjusting the related design parameters of the seat, we can find the optimization direction as quickly as possible, and then achieve the customer requirement of 4.5piont of whiplash.

Whiplash; Simulation; DOE; Optimization

U463.8

A

1671-7988(2019)09-146-03

U463.8

A

1671-7988(2019)09-146-03

刘高，就职于舒茨曼座椅（宁波）有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.09.047