李海 趙座航 聶仁態(tài) 李雪晴
上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州市 545007
在追尾事故中,被碰撞車輛的駕駛員、乘員在碰撞加速度與頭部慣性力的共同作用下,頸部會(huì)產(chǎn)生一個(gè)像鞭子猛抽的動(dòng)作稱為鞭打傷害,追尾事故會(huì)給乘員頸部的骨骼或軟組織造成嚴(yán)重的損傷。通過優(yōu)化座椅設(shè)計(jì)減輕鞭打效應(yīng)對(duì)人體的傷害成為各大汽車廠重點(diǎn)研究的內(nèi)容。
本文根據(jù)C-NCAP 鞭打試驗(yàn)要求,對(duì)某款乘用車的駕駛員座椅運(yùn)用有限元方法建立鞭打模型,針對(duì)鞭打試驗(yàn)分?jǐn)?shù)較低,采用有限元進(jìn)行仿真分析,提出增加靠背剛性、增加頭枕骨架強(qiáng)度以及增加假人靠背穿透量等座椅改進(jìn)方案,并對(duì)改進(jìn)后的座椅再次進(jìn)行仿真分析及實(shí)物試驗(yàn)驗(yàn)證,得到了有利于減小鞭打傷害的方法。
《C-NCAP 管理規(guī)則(2021年版)》已經(jīng)實(shí)施,C-NCAP 鞭打試驗(yàn)評(píng)價(jià)通過7 項(xiàng)傷害指標(biāo)分組加和并扣除3 項(xiàng)罰分項(xiàng)形成總體得分,駕駛員座椅的總體得分的最高分是5 分,最低分是0 分且所有的得分均保留到小數(shù)點(diǎn)后三位。7 項(xiàng)傷害指標(biāo)分別設(shè)置低性能限值和高性能限值,分別得分為0 和滿分,處于高、低性能限值之間的測(cè)試值按線性插值方法計(jì)算得分。7 項(xiàng)傷害指標(biāo)分為三組,第一組為滿分為2 分的頸部傷害指數(shù)NIC;第二組為滿分為1.5 分的上頸部剪切力F、上頸部拉力F和上頸部扭矩M;第三組為滿分為1.5 分的下頸部剪切力F、下頸部拉力F和下頸部扭矩M,其中第二組和第三組選取每組最低分為該組得分。3 項(xiàng)罰分項(xiàng)分別是座椅靠背最大動(dòng)態(tài)張角大于等于25.5°時(shí)扣2 分;頭枕干涉頭部時(shí)扣2 分;座椅滑軌動(dòng)態(tài)位移大于20mm 時(shí)扣5 分。2021 版鞭打試驗(yàn)總體評(píng)價(jià)指標(biāo)及評(píng)分原則如表1 所示。
表1 2021版鞭打試驗(yàn)總體評(píng)價(jià)指標(biāo)及評(píng)分原則
在有限元前處理軟件HyperMesh 中將座椅中不同組件劃分成不同的網(wǎng)格單元,設(shè)置座椅靠背傾角和頭枕高度等相關(guān)參數(shù),再按照2021 版C-NCAP 鞭打試驗(yàn)要求將BioRID Ⅱ假人模型移動(dòng)試驗(yàn)位置,并通過LS-DYNA 軟件中的LS-Prepost 模塊調(diào)整假人位置和姿勢(shì),定義假人和座椅的接觸關(guān)系并定義假人模型受到的重力加速度,再將座椅固定在試驗(yàn)臺(tái)車上,形成如圖1 所示的鞭打仿真模型;再對(duì)試驗(yàn)臺(tái)車施加非移動(dòng)方向的約束以及施加如圖2 所示的X 方向的加速度。
圖1 鞭打仿真模型
圖2 試驗(yàn)臺(tái)車加速度
從試驗(yàn)結(jié)果看出,鞭打試驗(yàn)總分較低的主要原因是頸部傷害指數(shù)NIC 得分較低,該項(xiàng)得分0.941 分僅占滿分的47%。頸部傷害指數(shù)NIC 主要評(píng)價(jià)頭部枕骨鏈相對(duì)于胸部T1 的水平加速度和速度的相對(duì)值,體現(xiàn)頭部和胸部之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的劇烈程度,計(jì)算公式如下:
式中,相對(duì)加速度
相對(duì)速度
頭部加速度曲線、胸部T1 加速度曲線與NIC 值的仿真曲線如圖3 所示,仿真開始時(shí),假人頭部與背部均沒有與座椅發(fā)生碰撞,頭部加速度曲線、胸部T1 加速度曲線與NIC值均為0;在37ms時(shí),假人背部接觸座椅靠背,座椅靠背給假人背部一個(gè)向前作用力并有一個(gè)上提的趨勢(shì),這導(dǎo)致頸椎下部伸展而上部彎曲,頸部載荷產(chǎn)生,座椅靠背與假人背部之間產(chǎn)生作用力并逐漸增大,即T1 加速度逐漸增大,此時(shí)假人頭部由于慣性保持在初始位置,假人頭部尚未與座椅頭枕發(fā)生接觸,頭部加速度為0,胸部與頭部產(chǎn)生了加速度差值,NIC 值開始產(chǎn)生并隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化;在64ms 時(shí),由于頸部剪切力的作用,假人頭部開始向后轉(zhuǎn)動(dòng)并與座椅頭枕發(fā)生接觸,頭枕緩沖了頭部的后仰運(yùn)動(dòng),頭枕與頭部相互作用使得假人頭部加速度開始產(chǎn)生并逐漸增大;在73ms 時(shí),頭部加速度驟然下降,導(dǎo)致假人胸部與頭部的加速度差值即NIC 迅速增加,在82ms 時(shí)NIC 達(dá)到最大為19.65 m/s,按照線性插值法計(jì)算出NIC 得分為0.941 分。
圖3 頭部加速度曲線、胸部T1加速度曲線與NIC值的仿真曲線
如圖4 所示,進(jìn)一步分析碰撞過程中座椅骨架的受力情況可知,73 ms 時(shí)頭部加速度驟然下降的原因?yàn)椋嚎勘痴{(diào)角器連接板下端剛性不足,靠背調(diào)角器連接板下端變形偏大,骨架發(fā)生屈服,致使座椅靠背帶動(dòng)頭枕向后傾倒,造成頭枕對(duì)假人頭部的支撐變?nèi)酢?/p>
圖4 座椅骨架的受力情況
通過公式的理論分析初步判斷減小NIC值即減小胸部與頭部加速度的差值的思路為:在現(xiàn)有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上改善座椅靠背,增加靠背骨架剛性、增加假人穿透量,改善頭枕外形、頭枕前后位置、頭枕內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu),增加頭枕對(duì)假人頭部支撐,同時(shí)還要適當(dāng)減小胸部加速度并適當(dāng)增大頭部加速度、縮短頭部加速度與胸部加速度峰值時(shí)間差。具體改進(jìn)方案如下所述:
(1)更改靠背調(diào)角器連接板結(jié)構(gòu),減小碰撞過程中靠背調(diào)角器連接板變形量,進(jìn)而增強(qiáng)靠背調(diào)角器連接板剛度,能夠改善座椅靠背后傾的問題,使靠背能更好支撐人體,如圖5a 和圖5b 所示。同時(shí)應(yīng)注意控制調(diào)角器與靠背連接板之間焊點(diǎn)的數(shù)量與質(zhì)量。
圖5
(2)增加頭枕高度,將現(xiàn)有的低于假人頭部的頭枕頂端調(diào)整至與假人頭部頂端平齊,提高頭枕對(duì)頭部的支撐,提前阻止了頭部的后仰運(yùn)動(dòng)從而減小上下頸部載荷,如圖6a 和圖6b 所示。
圖6
(3)頭枕內(nèi)部增加塑料件,增大頭枕對(duì)假人頭部的支撐,進(jìn)而適當(dāng)增加頭枕對(duì)假人頭部支撐,加大假人頭部加速度,如圖7a 和圖7b 所示。
圖7
(4)背上部鋼絲后移,同時(shí)降低靠背發(fā)泡硬度,增加假人背部穿透量,使假人頭部更早地與頭枕接觸,減小胸部加速度,從而減小假人頸部傷害指數(shù)及頸部曲張量,如圖8a 和圖8b 所示。
圖8
經(jīng)過改進(jìn)后,如圖9 和圖10 所示,靠背調(diào)角器連接板下端變形減小,最大應(yīng)變降低至0.067,靠背骨架幾乎不變形。
圖9 改進(jìn)后座椅骨架的受力情況
圖10 改進(jìn)后座椅頭枕的受力情況
經(jīng)過改進(jìn)后,頸部傷害指數(shù)NIC 明顯下降,NIC 得分為1.62 分,占滿分的81%,相較改進(jìn)前提升了34%,鞭打試驗(yàn)總體得分得以提高,對(duì)比結(jié)果如表2 所示。
表2 鞭打試驗(yàn)改進(jìn)前后損傷對(duì)比
如圖11 所示,根據(jù)仿真試驗(yàn)結(jié)果,重新組織實(shí)物進(jìn)行試驗(yàn),以驗(yàn)證試驗(yàn)仿真分析結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果差異,為改進(jìn)當(dāng)前產(chǎn)品及后續(xù)項(xiàng)目提供鞭打設(shè)計(jì)依據(jù)。
經(jīng)過改進(jìn)后試驗(yàn)驗(yàn)證,表3 所示,NIC 的最大值為11.49 m/s,頸部傷害指數(shù)NIC 明顯下降,按照線性插值法計(jì)算出NIC 得分為1.683 分,鞭打試驗(yàn)得分提升至4.683 分。
表3 改進(jìn)后實(shí)物試驗(yàn)的鞭打得分
本文針對(duì)某車型駕駛員座椅2021 版鞭打試驗(yàn)得分較低的問題,建立座椅鞭打試驗(yàn)的仿真模型,對(duì)模擬碰撞過程中的受力情況和仿真結(jié)果進(jìn)行分析研究,通過更改靠背調(diào)角器連接板結(jié)構(gòu)、調(diào)整頭枕高度、增加頭枕內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)、調(diào)整靠背支撐鋼絲位置的方法改善頸部傷害指數(shù),改善后鞭打試驗(yàn)得分明顯提高,能夠有效地減小車輛追尾事故中駕駛員的頸部鞭打損傷,為改進(jìn)當(dāng)前產(chǎn)品及后續(xù)項(xiàng)目提供鞭打設(shè)計(jì)依據(jù)。