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      影響乘員追尾傷害因素的研究

      2019-01-03 01:38:06翟錫杰王昌勝胡丕君朱江明
      汽車工程學(xué)報(bào) 2018年6期
      關(guān)鍵詞:頭枕座椅彎矩

      翟錫杰,李 偉,王昌勝,胡丕君,許 煒,朱江明,

      (1.浙江零跑科技有限公司,杭州 310053;2.浙江大華技術(shù)股份有限公司 杭州,310053)

      在各類交通事故中,人體頭頸是最常見的致傷部位,尤其在汽車追尾碰撞事故[1-3]中,頸部傷害的比例高達(dá)77.1 %。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織、美國IIHS等針對汽車追尾碰撞對乘員頸部傷害產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了研究,并制定了相應(yīng)的法規(guī)和安全性評價(jià)體系;歐洲Euro-NCAP 也于2008 年將汽車追尾碰撞頸部傷害列入安全性評價(jià)體系。而中國為了評價(jià)車輛在追尾碰撞事故中乘員頸部所受“揮鞭傷”的程度,在2012版C-NCAP星級評價(jià)體系[4]中增加了新的考核試驗(yàn)項(xiàng)目——鞭打試驗(yàn)。但是,2012版C-NCAP推廣至今,通過研究發(fā)現(xiàn)其中的一些評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)難度有所降低,為了更好地保護(hù)乘客的安全,于2015年正式提出了新版評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。2015版C-NCAP比2012版更加嚴(yán)格,而今年提出的2018版C-NCAP則是基于2015版對乘員上下頸部傷害值的權(quán)重進(jìn)行加權(quán)處理,相對于2015版會更加寬松。因此,本研究以2012版與2015版為基礎(chǔ)進(jìn)行比較分析。

      本研究以目前已量產(chǎn)的車型為基礎(chǔ)進(jìn)行鞭打試驗(yàn),建立仿真模型,并進(jìn)行對標(biāo)分析,得到座椅參數(shù)對鞭打性能的影響趨勢及影響度,將所得到的結(jié)論應(yīng)用到實(shí)際的性能開發(fā)中。

      1 2012版與2015版C-NCAP比較

      隨著2015版C-NCAP[5]的發(fā)布,得分的難度也隨之上升,而在鞭打試驗(yàn)方面,其與2012版相比主要的差別見表1。

      表1 2012版與2015版C-NCAP差別

      由表1可知,整體計(jì)算得分的方式發(fā)生變化,本來在 NIC得分方面就比較困難,這種改變使其得高分的難度加大,并且新版對座椅動態(tài)張角的要求更加嚴(yán)格。從表2[6]可以看出2012版與2015版C-NCAP的差距。

      表2 2012版與2015版鞭打試驗(yàn)得分對比

      由表2可知,一些車型在2012版C-NCAP中的得分盡管達(dá)到了滿分,但在2015版C-NCAP中得分不到3.4分。這只是這兩版鞭打試驗(yàn)得分中摘錄的一部分,說明2015版C-NCAP得高分的難度較2012版大。

      2 仿真模型

      由于缺少座椅相應(yīng)的材料屬性,同時(shí)考慮到有限元計(jì)算效率的局限性,本研究以多剛體仿真模型[7]作為基礎(chǔ)模型,進(jìn)行一系列的仿真分析優(yōu)化計(jì)算等。

      由于2015版C-NCAP中,得分的難點(diǎn)主要集中在NIC方面,因此對標(biāo)結(jié)果主要以NIC為主,并且綜合考慮其它傷害值的影響。所建立的模型如圖1所示,仿真及對標(biāo)曲線對比如圖2所示。

      圖1 仿真模型

      圖2 仿真及對標(biāo)曲線對比

      仿真擬合度誤差α為:

      式中:m為試驗(yàn)曲線的峰值;n為仿真曲線的峰值;α為曲線擬合度誤差。

      α≤5%即為滿足要求,而α1=4.76%,說明兩條曲線的擬合程度比較一致,仿真模型能夠比較好地模擬出試驗(yàn)的情況。

      3 各參數(shù)的影響趨勢及影響度

      本研究著重考慮頭后間隙、頭枕高度、頭枕剛度、上靠背剛度、下靠背剛度以及調(diào)角器剛度等因素對座椅性能的影響趨勢。

      通過對仿真模型的各個(gè)參數(shù)分別取值,見表3,利用DOE方法[8]依次進(jìn)行仿真計(jì)算,并對所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析。

      通過將表3中的各個(gè)參數(shù)帶入到仿真模型中進(jìn)行計(jì)算,可以得到一系列的關(guān)于假人頸部的傷害值[9-10]。將這些傷害值分類處理之后,可以得到如圖3~9所示的結(jié)果。

      表3 性能參數(shù)取值

      圖3 各因素對上頸部剪切力的影響趨勢

      圖4 各因素對上頸部拉伸力的影響趨勢

      圖5 各因素對上頸部彎矩的影響趨勢

      圖6 各因素對下頸部剪切力的影響趨勢

      圖7 各因素對下頸部拉伸力的影響趨勢

      圖8 各因素對下頸部彎矩的影響趨勢

      圖9 各因素對NIC的影響趨勢

      由圖3~9中的變化趨勢可知,這些因素對上頸部剪切力、上頸部拉伸力、下頸部剪切力等的影響因素比較復(fù)雜,但是這三項(xiàng)對頸部傷害值得分的影響程度較低,見表4。因此,對這幾項(xiàng)參數(shù)所造成的影響度[11]進(jìn)行分析時(shí),這幾項(xiàng)的影響可以忽略。為研究這幾個(gè)座椅參數(shù)對其余4個(gè)頸部傷害指標(biāo)的影響,采用極差分析法[11](簡稱R法)對主要參數(shù)進(jìn)行了正交試驗(yàn)分析。利用極差分析法可以得到各個(gè)參數(shù)對上頸部彎矩、下頸部拉伸力、下頸部彎矩以及NIC的影響程度,如圖10~13所示。

      圖10 各因素對上頸部彎矩的影響度

      圖11 各因素對下頸部拉伸力的影響度

      圖12 各因素對下頸部彎矩的影響度

      圖13 各因素對NIC的影響度

      由圖10~13可知,在上頸部彎矩的影響度中,占主要因素的分別為調(diào)角器剛度、頭枕高度和頭后間隙;在下頸部拉伸力的影響度中,占主要因素的分別為頭枕高度、頭后間隙和調(diào)角器剛度;在下頸部彎矩的影響度中,占主要因素的分別為頭枕高度、調(diào)角器剛度、頭枕剛度、上靠背剛度、下靠背剛度和頭后間隙;在NIC的影響度中,占主要因素的分別為頭后間隙、調(diào)角器剛度、上靠背剛度、頭枕剛度、頭枕高度和下靠背剛度。

      因此,在給座椅供應(yīng)商制定性能目標(biāo)時(shí),按照不同的座椅性能提出不同的參數(shù)要求,特別是座椅調(diào)角器的剛度,在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期務(wù)必對其提出可靠的性能要求,這一點(diǎn)必須引起重視。

      4 案例分析

      在某一項(xiàng)目前期開發(fā)階段制定的安全目標(biāo)是2012版C-NCAP(總分62分)碰撞得分56分,但由于規(guī)則更改,2015版C-NCAP總分變?yōu)?1分,并且座椅鞭打試驗(yàn)得分難度增大。前期座椅的鞭打試驗(yàn)得分按照2012版C-NCAP規(guī)則,得到3.3分,但是換算成2015版規(guī)則,得到2.49分,見表4,不滿足3.5分的性能要求。

      前期基礎(chǔ)鞭打試驗(yàn)的假人傷害值得分見表4,座椅的初始狀態(tài)如圖14所示。

      由表4可知,上頸部彎矩扣分非常嚴(yán)重,其次是NIC,再次就是下頸部彎矩。后續(xù)的優(yōu)化會主要以這3個(gè)傷害值作為最終目標(biāo),在保持其它傷害值不增大的前提下,盡量提升這3個(gè)傷害值的得分。

      根據(jù)上文得出的結(jié)論來看,要想減小上頸部彎矩、NIC以及下頸部彎矩這些傷害值,均需要考慮調(diào)整調(diào)角器的剛度。但是,由于本項(xiàng)目已經(jīng)處在項(xiàng)目開發(fā)的中期,如果調(diào)整調(diào)角器剛度則存在法規(guī)項(xiàng)以及扣分項(xiàng)的風(fēng)險(xiǎn),所以調(diào)角器的剛度因素不在此階段考慮。

      表4 初始狀態(tài)鞭打試驗(yàn)得分表

      圖14 座椅初始狀態(tài)

      結(jié)合上頸部彎矩傷害值影響曲線(圖3)以及影響度(圖10),可以看出關(guān)鍵因素是頭枕高度、頭后間隙,其次是上靠背剛度、下靠背剛度;結(jié)合NIC傷害值影響曲線(圖9)以及影響度(圖13),可以看出關(guān)鍵因素是頭后間隙,其次是上靠背剛度、頭枕剛度;結(jié)合下頸部彎矩傷害值影響曲線(圖8)以及影響度(圖12),可以看出關(guān)鍵因素是頭枕高度,其次是頭枕剛度、上靠背剛度、下靠背剛度。

      通過以上說明,可以提出的修改方案如圖15所示。

      圖15 修正之后的座椅狀態(tài)

      具體的修改方案:(1)減少頭后間隙,由原先的40 mm調(diào)整為15 mm,通過將頭枕?xiàng)U角度17.5°調(diào)整為9°并增加頭枕厚度來實(shí)現(xiàn)。(2)增大頭枕的高度,由原先的-10 mm調(diào)整為0 mm。(3)減少頭枕剛度,通過增加頭枕的厚度來實(shí)現(xiàn)。(4)增加上靠背的剛度,通過削減上靠背上面的泡棉來實(shí)現(xiàn)。按照以上方案進(jìn)行鞭打試驗(yàn),得到如圖16~18的試驗(yàn)曲線。

      圖16 NIC傷害值曲線

      圖17 上頸部彎矩傷害值曲線

      圖18 下頸部彎矩傷害值曲線

      由圖16~18可知,NIC、上頸部彎矩以及下頸部彎矩的峰值有了非常明顯的改善,具體得分見表5。

      由表5可知,與初始狀態(tài)的得分進(jìn)行比較,在NIC、上頸部彎矩以及下頸部彎矩得分方面提升非常明顯,并且也滿足最初設(shè)定的性能要求。這說明這次方案比較好地解決了座椅開發(fā)過程中不能夠滿足鞭打試驗(yàn)性能的問題,為后續(xù)項(xiàng)目開發(fā)提供了更多的經(jīng)驗(yàn)。

      表5 方案修改后鞭打試驗(yàn)得分表

      5 結(jié)論

      通過對以上數(shù)據(jù)、圖示、表格的分析處理可以得出以下結(jié)論。

      (1)影響NIC傷害值的參數(shù)主要是頭后間隙及調(diào)角器剛度,通過減小頭后間隙并適當(dāng)?shù)卣{(diào)大調(diào)角器剛度,可以減少NIC傷害值;上頸部彎矩則可以通過調(diào)整調(diào)角器剛度、頭后間隙及頭枕高度來減小傷害值;而下頸部彎矩則主要通過調(diào)整頭枕高度及調(diào)角器剛度來減小。

      (2)本文從仿真角度找到了影響鞭打試驗(yàn)中假人傷害值的各個(gè)因素的影響趨勢以及影響程度,再把這些結(jié)論應(yīng)用到實(shí)際的項(xiàng)目開發(fā)過程中,并且比較好地解決了實(shí)際存在的問題。

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