某车型驾驶员座椅鞭打试验性能研究及改进

李海 赵座航 聂仁态 李雪晴

上汽通用五菱汽车股份有限公司 广西柳州市 545007

1 引言

在追尾事故中，被碰撞车辆的驾驶员、乘员在碰撞加速度与头部惯性力的共同作用下，颈部会产生一个像鞭子猛抽的动作称为鞭打伤害，追尾事故会给乘员颈部的骨骼或软组织造成严重的损伤。通过优化座椅设计减轻鞭打效应对人体的伤害成为各大汽车厂重点研究的内容。

本文根据C-NCAP 鞭打试验要求，对某款乘用车的驾驶员座椅运用有限元方法建立鞭打模型，针对鞭打试验分数较低，采用有限元进行仿真分析，提出增加靠背刚性、增加头枕骨架强度以及增加假人靠背穿透量等座椅改进方案，并对改进后的座椅再次进行仿真分析及实物试验验证，得到了有利于减小鞭打伤害的方法。

2 鞭打试验评估方法

《C-NCAP 管理规则（2021年版）》已经实施，C-NCAP 鞭打试验评价通过7 项伤害指标分组加和并扣除3 项罚分项形成总体得分，驾驶员座椅的总体得分的最高分是5 分，最低分是0 分且所有的得分均保留到小数点后三位。7 项伤害指标分别设置低性能限值和高性能限值，分别得分为0 和满分，处于高、低性能限值之间的测试值按线性插值方法计算得分。7 项伤害指标分为三组，第一组为满分为2 分的颈部伤害指数NIC；第二组为满分为1.5 分的上颈部剪切力F、上颈部拉力F和上颈部扭矩M；第三组为满分为1.5 分的下颈部剪切力F、下颈部拉力F和下颈部扭矩M，其中第二组和第三组选取每组最低分为该组得分。3 项罚分项分别是座椅靠背最大动态张角大于等于25.5°时扣2 分；头枕干涉头部时扣2 分；座椅滑轨动态位移大于20mm 时扣5 分。2021 版鞭打试验总体评价指标及评分原则如表1 所示。

表1 2021版鞭打试验总体评价指标及评分原则

3 鞭打试验模型的建立

在有限元前处理软件HyperMesh 中将座椅中不同组件划分成不同的网格单元，设置座椅靠背倾角和头枕高度等相关参数，再按照2021 版C-NCAP 鞭打试验要求将BioRID Ⅱ假人模型移动试验位置，并通过LS-DYNA 软件中的LS-Prepost 模块调整假人位置和姿势，定义假人和座椅的接触关系并定义假人模型受到的重力加速度，再将座椅固定在试验台车上，形成如图1 所示的鞭打仿真模型；再对试验台车施加非移动方向的约束以及施加如图2 所示的X 方向的加速度。

图1 鞭打仿真模型

图2 试验台车加速度

4 鞭打试验仿真结果与分析

从试验结果看出，鞭打试验总分较低的主要原因是颈部伤害指数NIC 得分较低，该项得分0.941 分仅占满分的47%。颈部伤害指数NIC 主要评价头部枕骨链相对于胸部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，计算公式如下：

式中，相对加速度

相对速度

头部加速度曲线、胸部T1 加速度曲线与NIC 值的仿真曲线如图3 所示，仿真开始时，假人头部与背部均没有与座椅发生碰撞，头部加速度曲线、胸部T1 加速度曲线与NIC值均为0；在37ms时，假人背部接触座椅靠背，座椅靠背给假人背部一个向前作用力并有一个上提的趋势，这导致颈椎下部伸展而上部弯曲，颈部载荷产生，座椅靠背与假人背部之间产生作用力并逐渐增大，即T1 加速度逐渐增大，此时假人头部由于惯性保持在初始位置，假人头部尚未与座椅头枕发生接触，头部加速度为0，胸部与头部产生了加速度差值，NIC 值开始产生并随时间动态变化；在64ms 时，由于颈部剪切力的作用，假人头部开始向后转动并与座椅头枕发生接触，头枕缓冲了头部的后仰运动，头枕与头部相互作用使得假人头部加速度开始产生并逐渐增大；在73ms 时，头部加速度骤然下降，导致假人胸部与头部的加速度差值即NIC 迅速增加，在82ms 时NIC 达到最大为19.65 m/s，按照线性插值法计算出NIC 得分为0.941 分。

图3 头部加速度曲线、胸部T1加速度曲线与NIC值的仿真曲线

如图4 所示，进一步分析碰撞过程中座椅骨架的受力情况可知，73 ms 时头部加速度骤然下降的原因为：靠背调角器连接板下端刚性不足，靠背调角器连接板下端变形偏大，骨架发生屈服，致使座椅靠背带动头枕向后倾倒，造成头枕对假人头部的支撑变弱。

图4 座椅骨架的受力情况

5 座椅方案改进

通过公式的理论分析初步判断减小NIC值即减小胸部与头部加速度的差值的思路为：在现有设计的基础上改善座椅靠背，增加靠背骨架刚性、增加假人穿透量，改善头枕外形、头枕前后位置、头枕内部支撑结构，增加头枕对假人头部支撑，同时还要适当减小胸部加速度并适当增大头部加速度、缩短头部加速度与胸部加速度峰值时间差。具体改进方案如下所述：

（1）更改靠背调角器连接板结构，减小碰撞过程中靠背调角器连接板变形量，进而增强靠背调角器连接板刚度，能够改善座椅靠背后倾的问题，使靠背能更好支撑人体，如图5a 和图5b 所示。同时应注意控制调角器与靠背连接板之间焊点的数量与质量。

图5

（2）增加头枕高度，将现有的低于假人头部的头枕顶端调整至与假人头部顶端平齐，提高头枕对头部的支撑，提前阻止了头部的后仰运动从而减小上下颈部载荷，如图6a 和图6b 所示。

图6

（3）头枕内部增加塑料件，增大头枕对假人头部的支撑，进而适当增加头枕对假人头部支撑，加大假人头部加速度，如图7a 和图7b 所示。

图7

（4）背上部钢丝后移，同时降低靠背发泡硬度，增加假人背部穿透量，使假人头部更早地与头枕接触，减小胸部加速度，从而减小假人颈部伤害指数及颈部曲张量，如图8a 和图8b 所示。

图8

6 鞭打优化仿真结果

经过改进后，如图9 和图10 所示，靠背调角器连接板下端变形减小，最大应变降低至0.067，靠背骨架几乎不变形。

图9 改进后座椅骨架的受力情况

图10 改进后座椅头枕的受力情况

经过改进后，颈部伤害指数NIC 明显下降，NIC 得分为1.62 分，占满分的81%，相较改进前提升了34%，鞭打试验总体得分得以提高，对比结果如表2 所示。

表2 鞭打试验改进前后损伤对比

7 试验验证

如图11 所示，根据仿真试验结果，重新组织实物进行试验，以验证试验仿真分析结果与实际试验结果差异，为改进当前产品及后续项目提供鞭打设计依据。

经过改进后试验验证，表3 所示，NIC 的最大值为11.49 m/s，颈部伤害指数NIC 明显下降，按照线性插值法计算出NIC 得分为1.683 分，鞭打试验得分提升至4.683 分。

表3 改进后实物试验的鞭打得分

8 结语

本文针对某车型驾驶员座椅2021 版鞭打试验得分较低的问题，建立座椅鞭打试验的仿真模型，对模拟碰撞过程中的受力情况和仿真结果进行分析研究，通过更改靠背调角器连接板结构、调整头枕高度、增加头枕内部支撑结构、调整靠背支撑钢丝位置的方法改善颈部伤害指数，改善后鞭打试验得分明显提高，能够有效地减小车辆追尾事故中驾驶员的颈部鞭打损伤，为改进当前产品及后续项目提供鞭打设计依据。