呂 娜， 譚衛(wèi)鋒， 王 亭， 唐友名，薛 清，易 了，陳劍周

（1.廈門理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建廈門361024；2.福建省客車及特種車輛研發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心，福建廈門361024；3.廈門金龍汽車座椅有限公司，福建廈門361022）

校車座椅乘員約束系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

呂 娜1，2，3， 譚衛(wèi)鋒1，2，3， 王 亭1，2，3， 唐友名1，2，薛 清3，易 了1，2，陳劍周3

（1.廈門理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建廈門361024；2.福建省客車及特種車輛研發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心，福建廈門361024；3.廈門金龍汽車座椅有限公司，福建廈門361022）

為研究校車兩點(diǎn)式約束系統(tǒng)對中學(xué)生乘員損傷防護(hù)效果，利用顯式有限元分析軟件LS-DYNA建立某款校車座椅約束系統(tǒng)數(shù)值仿真模型.基于國家標(biāo)準(zhǔn)要求，在實(shí)測減速度波形加載下，分析模型中假人頭部HIC值，胸部3 ms加速度值和大腿軸向壓力值，通過優(yōu)化約束系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)一步提升中學(xué)生乘員損傷防護(hù)效果.結(jié)果表明：減小座椅靠背剛度可以改善中學(xué)生乘員腿部損傷防護(hù)效果；沿X方向后移安全帶固定點(diǎn)位置可明顯降低中學(xué)生乘員胸部損傷；在合理范圍內(nèi)增大安全帶織帶剛度可明顯降低中學(xué)生乘員頭部和胸部損傷.

校車；座椅約束系統(tǒng)；正面碰撞；安全帶

近年來，校車安全事故在全國各地頻有發(fā)生，交通事故已經(jīng)成為學(xué)生傷亡的主要原因之一.為提高校車安全性能，國務(wù)院于2012年4月首次頒布并實(shí)行了 《校車安全管理?xiàng)l例》，并于同年5月發(fā)布了《專用校車安全國家標(biāo)準(zhǔn)》，對我國校車的設(shè)計(jì)制造、使用管理、安全性等方面進(jìn)行了規(guī)范.隨著法規(guī)的頒布實(shí)施，人們對于校車安全的重視度越來越高.由于校車被動(dòng)安全測試的費(fèi)用十分昂貴，且受到環(huán)境和技術(shù)手段等的制約，人們將計(jì)算機(jī)模擬碰撞仿真技術(shù)運(yùn)用到校車測試上，研究校車的被動(dòng)安全性能.王良模等研究專用校車在側(cè)翻事故中校車頂棚結(jié)構(gòu)對乘員的保護(hù)作用，對校車頂棚結(jié)構(gòu)材料選取提出合理化建議［1］；張揚(yáng)等建立某校車動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)仿真模型，并在此基礎(chǔ)上對關(guān)鍵承載結(jié)構(gòu)提出了改進(jìn)方案［2］；馬瑞雪等針對某款校車座椅多次試驗(yàn)不合格的情況，采用CAE方法對其進(jìn)行仿真模擬分析，使得改進(jìn)后的座椅實(shí)驗(yàn)通過標(biāo)準(zhǔn)要求［3］.但是學(xué)者們對于校車的研究大多集中在改善校車結(jié)構(gòu)、材料強(qiáng)度方面，對于乘員在碰撞過程中的損傷情況卻較少涉及.本文基于現(xiàn)有某款校車座椅模型建立有限元碰撞仿真模型，研究分析座椅靠背剛度、安全帶剛度和安全帶固定點(diǎn)位置3個(gè)參數(shù)對中學(xué)生乘員損傷情況的影響.

1 碰撞理論

校車乘員約束系統(tǒng)分析屬于瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程為

式 （1）中：M為質(zhì)量矩陣；C為阻尼矩陣；K為剛度矩陣；F為外力向量列陣；¨X為節(jié)點(diǎn)加速度向量；.X為節(jié)點(diǎn)速度向量；X為節(jié)點(diǎn)位移向量.

求解式 （1）動(dòng)力響應(yīng)值的較為普遍的方法是中心差分法和Newmark法，即分別為顯式算法和隱式算法.隱式積分算法不受時(shí)間步長大小的限制，因此隱式積分算法能很大限度地節(jié)省求解時(shí)間.但是對于碰撞分析而言，碰撞發(fā)生及其響應(yīng)的衰減過程是很短暫的，發(fā)生在100～200 ms之間，碰撞產(chǎn)生的大的變形會在單位步長內(nèi)產(chǎn)生過大應(yīng)變，從而導(dǎo)致方程求解不收斂，分析失敗.此時(shí)若采用隱式積分算法計(jì)算，須進(jìn)行大量的矩陣積分和求逆矩陣運(yùn)算而花費(fèi)更多的時(shí)間，所以在碰撞分析中大多采用顯示積分算法［4］.

式 （2）中：¨Xn為時(shí)間步n時(shí)的節(jié)點(diǎn)加速度向量；.Xn為時(shí)間步n時(shí)的節(jié)點(diǎn)速度向量；Xn為時(shí)間步n時(shí)節(jié)點(diǎn)的位移向量.由中心差分法算得速度的遞推公式為

位移遞推公式為

由此可遞推求出各個(gè)離散時(shí)間點(diǎn)處的位移、速度和加速度.

在汽車碰撞過程中，部件與部件之間、部件本身之間以及與障礙物都會發(fā)生摩擦接觸.這種接觸摩擦作用是導(dǎo)致組件變形和失效的主要原因，因此如何準(zhǔn)確描述和計(jì)算模型對提高碰撞仿真精度和可靠性很重要.接觸界面的處理實(shí)際上是一個(gè)未知邊界條件的確定問題，不僅涉及到物理計(jì)算，還包含大量的搜索計(jì)算，其處理算法的優(yōu)劣直接影響碰撞仿真計(jì)算技術(shù)的實(shí)用性.LS-DYNA包含40多種接觸類型可以比較準(zhǔn)確地模擬這種接觸摩擦作用［5］.

2 乘員約束系統(tǒng)模型的建立

目前校車座椅的產(chǎn)品質(zhì)量認(rèn)證大多采用靜態(tài)測試方法，只滿足了校車座椅結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，沒有考慮乘員在碰撞過程中的損傷情況.基于此，本文在現(xiàn)有已經(jīng)成熟設(shè)計(jì)的校車座椅基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行乘員約束系統(tǒng)分析.

2.1 座椅有限元模型

將座椅三維模型導(dǎo)入HyperWorks軟件中進(jìn)行幾何清理，畫網(wǎng)格等前處理，對座椅骨架部分采用shell單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對靠背、座墊等泡沫件采用實(shí)體單元.為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，刪去了影響較小的后排靠背和前排坐墊組件.

2.2 假人模型

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 24406—2012《專用校車學(xué)生座椅系統(tǒng)及其車輛固定件的強(qiáng)度》［6］規(guī)定，選用HybirdIII第5百分位的女性假人模型來模擬中學(xué)生，主要部位有頭部、頸部、胸部、腹部、臀部和四肢等共約8 500個(gè)節(jié)點(diǎn)，8 300個(gè)單元，假人各部分質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量都符合試驗(yàn)用假人，人體各部位的關(guān)節(jié)用球形鉸鏈和旋轉(zhuǎn)鉸鏈單元定義，并用非線性的扭矩彈簧Spring和阻尼Damper單元連接來模擬人體各部分之間的彈性，胸部和頸部等關(guān)鍵部位設(shè)置成柔性，能在發(fā)生碰撞后對假人的受傷情況進(jìn)行評價(jià)［7］.乘員約束系統(tǒng)模型如圖1所示.

2.請學(xué)生當(dāng)識字寫字小老師。如在課堂上，讓學(xué)生分享自己學(xué)習(xí)和記憶這個(gè)生字的方法，高年級的學(xué)生已經(jīng)具備相應(yīng)的識字能力，因此對于生字的學(xué)習(xí)有自己的方法，而讓學(xué)生做小老師則是調(diào)動(dòng)學(xué)生的而積極性，讓學(xué)生參與到識字、記字的過程中來。

圖1 校車乘員約束系統(tǒng)模型Fig.1 SchooI bus seat restraint system modeI

2.3 邊界條件的設(shè)定

乘員在碰撞過程中受到安全帶的保護(hù)，模型中與人體接觸部分采用二維薄殼單元模擬安全帶在人體身上的滑動(dòng)，未與人體接觸部分采用1Dseatbelt單元模擬安全帶在碰撞過程中的松弛度.對假人施加2個(gè)加速度場：一個(gè)是垂直向下的重力加速度場，另一個(gè)是水平方向上的減速度碰撞波形，該波形是碰撞試驗(yàn)中測得的車輛減速度波形，如圖2所示.

圖2 車輛減速度波形Fig.2 VehicIe acceIeration curve

3 仿真結(jié)果分析與優(yōu)化

3.1 仿真結(jié)果

通過仿真計(jì)算得出乘員頭部加速度、胸部加速度和腿部的壓力曲線，如圖3所示.由于參考國家標(biāo)準(zhǔn)GB 24406—2012對模型進(jìn)行試驗(yàn)，所以選取頭部加速度、胸部最大加速度和腿部軸向壓力3個(gè)值作為乘員損傷的參考標(biāo)準(zhǔn).

圖3 乘員損傷曲線Fig.3 Occupant injury curves

根據(jù)動(dòng)畫和曲線對比可知，在20 ms時(shí)，假人腳部與擋板開始接觸，擋板對人體的作用力從腳部傳遞到腿部，此時(shí)假人腿部力值達(dá)到一個(gè)初始峰值，左右腿的力值分別為4.7 kN和3.0 kN；由于假人腳部受到擋板的限制，假人臀部逐漸不再向前移動(dòng)，而假人的上半身繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，在49 ms時(shí)，胸部加速度達(dá)到最大值34.2g m·s-2；進(jìn)而在頭部與前排座椅靠背接觸時(shí)，頭部加速度達(dá)到最大值65.9g m·s-2；隨著假人繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)的空間受到限制，臀部開始向后滑動(dòng)，地板上的擋板對腿部的力值在100 ms時(shí)達(dá)到最大值，分別為9.7 kN和7.3 kN.

根據(jù)仿真所得曲線，按照GB 24406—2012中乘員損傷的傷害指標(biāo)要求，計(jì)算假人頭部允許指標(biāo)HIC值、胸部3 ms加速度值和腿部軸向最大壓力.仿真計(jì)算所得到的損傷值與損傷指標(biāo)對比如表1所示.

表1 仿真結(jié)果與損傷標(biāo)準(zhǔn)對比TabIe 1 SimuIation resuIts against injury criteria

由此可知，假人頭部HIC值和腿部軸向壓力均處于安全標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，胸部3 ms加速度達(dá)到了34.2g m·s-2，超出了法規(guī)范圍.仿真說明碰撞過程中對乘員的胸部造成了很大的傷害，可見該校車座椅雖然通過了國家標(biāo)準(zhǔn)GB 24406—2012中的靜態(tài)試驗(yàn)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度達(dá)到了要求，但是該座椅對乘員的保護(hù)方面欠缺，因此需要對校車約束系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，從而減輕碰撞過程中對乘員的傷害.

3.2 設(shè)計(jì)參數(shù)對乘員損傷的影響及優(yōu)化

經(jīng)仿真分析可知，乘員的胸部損傷最為嚴(yán)重，同時(shí)由于腿部軸向壓力值接近標(biāo)準(zhǔn)值，因此把優(yōu)化目標(biāo)定位于降低乘員胸部加速度和腿部軸向壓力，并保證乘員頭部損傷值在合理范圍之內(nèi).影響乘員損傷的因素有很多，本文研究座椅靠背剛度、安全帶剛度和安全帶固定點(diǎn)位置3個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，根據(jù)研究結(jié)果采取合適的優(yōu)化方案.

3.2.1 座椅靠背剛度的影響

選取靠背剛度與原車所配坐墊對應(yīng)剛度相差±4%，±8%，仿真結(jié)果進(jìn)行正則化后如圖4所示.從圖4中可以看出，靠背剛度的變化對頭部和胸部加速度的影響較小，對腿部損傷有較大的影響.當(dāng)靠背剛度減少8%和增大8%時(shí)，乘員的腿部損傷有改善的趨勢，尤其是當(dāng)靠背剛度降低8%時(shí)，乘員腿部最大軸向力降低了50%，而在靠背剛度減少4%和增加4%時(shí)，乘員腿部的最大軸向力有增大的趨勢.

圖4 靠背剛度對乘員損傷的影響Fig.4 InfIuence of back stiffness on occupant injury

圖5 安全帶位置變化對乘員損傷的影響Fig.5 InfIuence of beIt position on occupant injury

圖6 安全帶剛度變化對乘員損傷的影響Fig.6 InfIuence of beIt stiffness on occupant injury

3.2.2 安全帶固定點(diǎn)位置的影響

由于該款校車座椅采用兩點(diǎn)式安全帶，本文選取安全帶的固定點(diǎn)位置沿 X軸水平移動(dòng) ±5 mm，±10 mm，研究其對乘員損傷的影響.仿真結(jié)果進(jìn)行正則化后如圖5所示.固定點(diǎn)位置沿X向偏移0～10 mm時(shí)，對乘員胸部和腿部損傷沒有太大影響，但是對乘員頭部HIC值呈增大的趨勢；當(dāng)安全帶固定點(diǎn)位置沿X向偏移-5～0 mm時(shí)，對乘員損傷的均沒有很大變化；當(dāng)安全帶固定點(diǎn)位置沿X向偏移-10～0 mm時(shí)，胸部加速度值明顯下降，而頭部HIC值和腿部軸向壓力沒有明顯變化.

3.2.3 安全帶剛度的影響

根據(jù)GB 14166—2013［8］規(guī)定，安全帶受力11 080 N時(shí)的相對伸長率即為安全帶織帶剛度.而實(shí)際生產(chǎn)過程中，一般紙袋剛度在5%～23%范圍內(nèi)變化.本文選取的仿真計(jì)算的安全帶織帶剛度與原車相差±4%，±8%，將仿真結(jié)果正則化后如圖6所示.由圖6可知，安全帶織帶伸長率在-4%～0%內(nèi)變化時(shí)，隨著伸長率的增加，頭部損傷HIC值降低，胸部最大加速度和腿部軸向力顯著減??；織帶伸長率在0%～4%范圍內(nèi)變化是，隨著安全帶織帶伸長率的增加，胸部最大加速度和頭部HIC值降低，腿部軸向壓力增大.

4 結(jié)論

通過研究座椅靠背剛度、安全帶固定點(diǎn)位置和安全帶剛度3個(gè)因素對校車乘員約束系統(tǒng)的影響可得到以下3點(diǎn)結(jié)論：1）當(dāng)靠背剛度減小時(shí)，靠背海綿變得更軟，碰撞過程中產(chǎn)生的能量較多的被靠背海綿吸收，因此，減小靠背剛度，使乘員胸部和腿部損傷都有改善的效果，其中腿部改善效果較為明顯.2）當(dāng)安全帶位置沿X向向后移動(dòng)時(shí)，安全帶與水平面之間的夾角減小，施加在乘員身上的力增加，即安全帶對乘員的約束作用得到改善，使碰撞過程中乘員的胸部加速度明顯降低.3）安全帶織帶剛度在一定范圍內(nèi)增大 （伸長率減小）時(shí)，人體能較好地約束在坐椅上，避免或減輕了假人頭部、腿部與前排座椅的撞擊；而安全帶織帶剛度在一定范圍內(nèi)減小 （伸長率增大）時(shí)，人體未得到較好地約束，加劇了腿部與前排座椅的撞擊.而具體針對該款校車座椅的約束系統(tǒng)，單一改變某一因素，對乘員的胸部加速度和腿部軸向壓力這2個(gè)損傷值并沒有很好的改善，需要對多個(gè)因素同時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，才能達(dá)到損傷標(biāo)準(zhǔn)的要求.

［1］王良模，陳東益，袁劉，等.某專用校車頂部安全性能仿真與改進(jìn) ［J］.南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，12（36）：1031-1035.

［2］張楊，趙幼平，謝慶喜，等.依照校車被動(dòng)安全性的新標(biāo)準(zhǔn)的仿真及試驗(yàn) ［J］.汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào)，2013（4）：257-265.

［3］馬瑞雪，王欣，覃禎員，等.專用小學(xué)生校車座椅的CAE仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證 ［J］.客車技術(shù)與研究，2012，2（5）：5-7.

［4］張三川，王家?guī)X，李霞.基于ANSYS/LS-DYNA的校車后防撞鋼梁碰撞安全性能研究 ［J］.鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2013，3（34）：112-115.

［5］WU J，SONG Guo-shu，YEH Chao-pin，et a1.Drop/Impact simulation and test validation of telccommumcation products［J］.Inter Society Conference on Thermal Phenomena，1998：330-336.

［6］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB 24406—2012專用校車學(xué)生座椅系統(tǒng)及其車輛固定件的強(qiáng)度［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

［7］韓雙慶，王成龍.商務(wù)車正面碰撞有限元分析 ［J］.計(jì)算機(jī)輔助工程，2006（16）：144-147.

［8］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB 14166—2013機(jī)動(dòng)車乘員用安全帶、約束系統(tǒng)、兒童約束系統(tǒng)、ISOFIX兒童約束系統(tǒng) ［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013.

Parameter Optimization for School Bus Seat Restraint System

LYU Na1，2，3，TAN Wei-feng1，2，3，WANG Ting1，2，3，TANG You-ming1，2，XUE Qing3，YI Liao1，2，CHEN Jian-zhou3
（1.School of Mechanical&Automotive Engineering，Xiamen University of Technology，Xiamen 361024，China；2.Collaborative Innovation Center for R&D of Coach and Special Vehicle，Xiamen 361024，China；3.Xiamen Golden Dragon Auto Seat Co.Ltd.，Xiamen 361022，China）

In order to estimate the protection effect of two-point seat belts to students in the school bus，a simulation model of occupant restraint system was built for school bus，using finite element software LS-DYNA. As the model was given the test acceleration pulse，the injury of dummy’s head，thorax and leg were analyzed，and the head HIC，thorax 3 ms acceleration and axial pressure of legs compared，according to Rules GB 24406-2012.Then the based model was optimized by altering the fixed point of seat belt，the back stiffness and the seat stiffness.The results indicate that the simulation model satisfies the standard criteria，reduced seat back stiffness improves the leg injury prevention effect，occupant chest acceleration decreases significantly to have the safety belt position move backward along the X direction，and the head and thorax acceleration is obviously decreased to have increased safety belt stiffness in a certain range.

school bus；seat restraint system；frontal impact；seat belt

U270.38

A

1673-4432（2015）03-0020-05

（責(zé)任編輯 李 寧）

2015-03-24

2015-05-26

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 （51305374）；福建省高校杰出青年科研人才培育項(xiàng)目 （JA14229）；福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目 （JA14240）；廈門理工學(xué)院對外科技合作專項(xiàng) （E201400300）；廈門理工學(xué)院研究生科技創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目 （YKJCX2014004）

呂娜 （1991-），女，碩士研究生，研究方向?yàn)槠嚢踩?通訊作者：唐友名 （1981-），男，副教授，博士，研究方向?yàn)槠嚢踩夹g(shù).E-mail：tangyouming@xmut.edu.cn