基于汽车座椅鞭打试验的仿真模型改进

基于汽车座椅鞭打试验的仿真模型改进【摘要】某项目初始状态下的汽车座椅鞭打仿真结果与试验结果相比存在较大误差，主要体现在NIC（颈部伤害指数）和上颈部扭矩这2项指标上。通过对假人颈部伤害机理和鞭打试验数据的分析，发现假人的坐姿、座椅的试验状态（座垫高度调节装置）和座椅发泡蒙皮的光滑程度对鞭打仿真试验结果影响较大。针对上述因素对座椅鞭打仿真模型进行了调整，模型调整后的仿真计算结果与试验结果一致性较好。主题词:汽车座椅鞭打试验NIC上颈部扭矩仿真模型中图分类号:U467.1+4文献标识码:A文章编号:1000-3703（2015）09-0019-04ImprovementofSimulationModelBasedontheVehicleSeatWhiplashTestWang,Jin,ZhaoXiuqiang,WangZhitao,LiangYu,QiaoXin（BrillianceAutomotiveEngineeringResearchInstitute）【Abstract】Thereisconsiderabledifferencebetweentheinitialstatusofseatwhiplashsimulationresultandthetestresult,whichmainlyfocusontwoindex:NIC(NeckInjuryCriterion)anduppernecktorque.Itisbefoundbyanalysisonthedummyneckinjurymechanismandwhiplashtestdatathatthesittingpostureofdummy,theteststatusofseat(seatcushionheightadjustingdevice)andthesmoothdegreeofseatupholsteryhavegreatinfluenceonwhiplashsimulationresult.Thewhiplashsimulationmodelisadjustedaccordingtotheabovefactors,andthesimulationresultsoftheadjustedmodelagreewellwithtestresults.Keywords:Vehicleseat，Whiplashtest，NIC，Uppernecktorque，Simulationmodel王晋赵秀强王志涛梁宇乔鑫（华晨汽车工程研究院）1前言据统计，汽车追尾事故占交通事故的30%左右，追尾事故所造成的人员伤亡占总损伤的60%[1]。汽车发生追尾时，前车会受到向前的加速度，座椅推动乘员的躯干向前运动，而头部因惯性作用相对滞后，乘员头部4结束语利用玉米芯作为原料，制备了可用于超级电容器电极材料的玉米芯基活性炭，该材料不仅具有较高的比表面积和合理的孔径分布，更具有较高的比电容。本文对该材料的物理性能和电化学性能进行了表征，并借助正交试验设计对玉米芯基活性炭的活化工艺进行研究，得到了最优活化条件。参考文献1BurkeA.ElectricVehicleCapacitorTestProceduresManu⁃al.IdahoNationalEngineeringLaboratory，U.S.DepartmentofEnergy，DOE/ID-10491，October1994：20-29.2BurkeA，MillerM.Comparisonsofthepowercharacteris⁃ticofultracapacitorsandbatteries.Proceedingsofthe8thIn⁃ternationalSeminaronDouble-layerCapacitorsandSimilarEnergyStorageDevices，1998，FloridaEducationalSemi⁃nar，DeerfieldBeach.3MoreauL，CesbronD，ChailletA,etal.Jehoulet.Superca⁃pacitors:powerbufferforautomotiveapplications.Proceed⁃ingsofthe10thInternationalSeminaronDouble-LayerCa⁃pacitorsandSimilarEnergyStorageDevices，2000，FloridaEducationalSeminar，DeerfieldBeach.4EdwardsJH，BadwalSPS，DuffyGJ,etal.Theapplica⁃tionofsolidstateionictechnologyfornovelmethodsofener⁃gygenerationandsupply.SolidStateIonics，2002，152-153：843-852.（责任编辑文楫）修改稿收到日期为2015年7月7日。·2015中国汽车工程学会年会优秀论文（选登）·-19-2015年第9期向后转动从而造成颈部受伤，这类伤害称之为“挥鞭伤”。为了降低这种受伤风险，2012年7月我国将鞭打试验正式引入C-NCAP评价体系来考核低速后碰撞颈部保护能力[2]。目前，各主机厂将颈部保护引入到座椅开发中。随着CAE技术的发展，在座椅开发初期，厂商会按照鞭打试验要求对假人的颈部伤害进行数次的仿真分析。然而因仿真分析时还未进行鞭打试验，座椅实际状态还未确定，所以这种分析结果与试验结果存在一定误差。为此，本文通过对试验数据的分析，找到了导致该误差的原因，并对鞭打仿真模型进行了改进，提高了鞭打仿真结果与试验结果的吻合度。2鞭打试验结果分析2.1鞭打试验鞭打试验的具体方法为，将座椅及约束系统仿照原车结构固定在移动滑车上，滑车以速度变化量为15.65km/h的特定加速度波形发射，模拟后碰撞过程。座椅上放置BioRIDII型假人，用以测量后碰撞过程中颈部受到伤害的水平[3]。鞭打试验根据测得的BioRIDII型假人颈部伤害值进行评分。在2015版C-NCAP中，鞭打试验总分为4分，其中NIC的评分为2分，占总得分权重的50%，上颈部载荷和下颈部载荷的评分各占1分。2.2鞭打仿真结果与试验结果误差分析某次，鞭打试验得分为3.78分，而鞭打仿真得分仅为2.26分，得分误差主要体现在NIC和上颈部扭矩这2项指标。其中，鞭打试验的NIC最大值为10.44，鞭打仿真的NIC最大值为16.30，折算得分相差0.543分；鞭打试验上颈部扭矩最大值为11.8N·m，鞭打仿真的上颈部扭矩最大值为38.5N·m，折算得分相差0.946分。NIC可以定义为枕骨铰链相对于T1（第1根胸椎）的水平加速度和速度的绝对值：NIC()t=0.2Arelx()t+[]Vrelx()t2（1）Arelx()t=AT1x()t-AHeadx()t（2）式中，Arelx()t为枕骨铰链相对于T1的水平加速度；Vrelx()t为枕骨铰链相对于T1的水平速度；AT1x()t为T1的水平加速度；AHeadx()t为头部水平加速度。枕骨铰链相对于T1的水平速度为对其相对加速度的积分，因此，NIC主要考察T1与头部的相对加速度，即T1与头部的相对运动趋势。如果头部与T1相对运动越同步，NIC值就越低。在座椅头枕刚度和靠背刚度确定的情况下，头后间隙大小会影响T1与头部的运动同步情况。由于仿真假人与试验假人坐姿及位置存在误差（仿真假人的H点和骨盆角按照理论位置摆放），导致仿真假人头后间隙比试验测量值大，同时，座椅靠背模型刚度比试验座椅大，这使得仿真假人的T1与头部运动同步性比试验差（头接触头枕时刻比试验晚），最终导致鞭打仿真的NIC值比鞭打试验的NIC值大。本次鞭打试验所用的座椅带有座垫高度调节功能，整个座垫的调高结构可以看作是“四杆机构”。图1为座垫高度调节机构示意图。试验中座椅座垫高度由于四连杆转动产生下沉现象，因座垫下沉发生在头部与头枕接触之后，对头部和躯干的运动起到了缓冲作用，所以会降低上颈部扭矩。然而在搭建仿真模型时，由于没有座椅座垫角度调节机构的刚度参数，故临时将四连杆铰链的自由度全部约束。这种处理方式产生的结果是：假人接触座椅后，座椅靠背将假人躯干约束住，而假人头部会因为头枕的变形仍有一个向后移动的趋势，使得假人颈部产生一个扭曲，最终导致上颈部扭矩增加。图1座垫高度调节机构示意图2为鞭打仿真与鞭打试验进行至108ms时假人颈部扭曲情况对比，由图2可看出，鞭打仿真时假人头部完全被头枕约束，颈部有明显的扭曲；尽管鞭打试验假人头顶明显高于头枕上顶面，但头枕仍对头部起到支撑作用，故鞭打试验假人颈部无明显扭曲。（a）仿真状态（b）试验状态图2鞭打仿真与鞭打试验时假人颈部扭曲情况对比3鞭打仿真模型的调整通过对鞭打试验结果分析可知，假人头后间隙（假人的坐姿）和座椅实际状态（座椅的动态变化）对假人的颈部伤害影响较大，为此对鞭打仿真模型进行了调整。3.1按照试验位置调整假人坐姿在调整假人坐姿前，先确认座椅位置状态与鞭打试·2015中国汽车工程学会年会优秀论文（选登）·-20-汽车技术验位置状态是否一致，包括座椅头枕高度、座椅滑轨前后位置、座椅座垫高度和头枕杆角度等，其中座椅滑轨前后位置和头枕杆角度可决定假人的头后间隙。座椅位置状态确定后，再对假人位置按照试验状态进行调节，主要包括H点位置和骨盆角，这2个参数可确定假人的头后间隙和头枕高度。调整后的假人位置如图3所示。假人坐姿按照试验状态调整后的仿真计算结果如表1所列。（a）仿真状态（b）试验状态图3鞭打仿真与鞭打试验时假人位置对比表1鞭打仿真计算结果（仅考虑假人坐姿）由表1可知，假人坐姿调整后，鞭打仿真的NIC值由16.3降为11.8，上颈部扭矩由38.5N·m降到32.6N·m，鞭打得分已由2.26分提高到2.92分，增加了0.66分。其中NIC单项得分由1.25分提高到1.66分，增加了0.41分；上颈部扭矩单项得分由0.054分提高到0.26分，增加了0.206分。所以，通过对假人头后间隙的调整，假人的NIC值和上颈部扭矩都得到了提高。但NIC得分提高明显，上颈部扭矩得分提高较低，这说明假人头后间隙大小对NIC值有直接影响，而对上颈部扭矩影响有限。3.2调整座椅的实际状态由于座椅座垫带有调高机构，初始仿真时座垫调高机构（四连杆）铰链临时设置为锁死状态，而试验过程中，座垫调高机构铰链的转动导致座垫下沉，故将座椅模型的调高机构铰链自由度放开。因暂不清楚铰链刚度，故放开所有自由度，此次调整主要考察铰链放开对上颈部扭矩的影响。座椅调高机构铰链自由度如图4所示，表2为座椅状态调整后鞭打仿真得分情况。图4座垫调高机构铰链放开示意表2鞭打仿真计算结果（考虑假人坐姿和座椅状态）由表2可知，座垫调高机构铰链自由度放开后，鞭打得分由2.92分增加到3.43分。其中上颈部扭矩改善很多，由32.6N·m降低到21.2N·m，单项得分由0.26分增加到0.67分；NIC得分也略有增加，由1.66分增加到1.76分。故座椅座垫铰链自由度放开后，对上颈部扭矩影响很大。尽管上颈部扭矩已得到明显改善，但距试验值（11.8N·m）仍有很大差距。从仿真动画中可知，假人模型颈部在100~130ms内仍有扭曲现象，而试验假人在该时间段内颈部基本无扭曲，这从侧面验证了试验假人上颈部扭矩比仿真值小。另外，从试验录像可看出，试验假人在整个试验过程中明显有一个向上滑行的趋势，而仿真动画中假人向上滑行的趋势不明显。图5为鞭打仿真与鞭打试验时假人头部相对位置对比（假人头部即将离开座椅头枕瞬间），由图5可看出，试验假人头部比头枕顶部高出很多。从上述现象可初步判断假人与座椅之间的摩擦因数直接影响假人的滑移量，这说明仿真模型中假人与座椅的摩擦因数比试验时摩擦因数大。鞭打仿真计算结果颈部载荷NIC上颈部剪切力Fx/N上颈部拉力Fz/N上颈部扭矩My/N·m下颈部剪切力Fx′/N下颈部拉力Fz′/N下颈部扭矩My′/