盧琳兆

（廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司，福建廈門361023）

客車乘員座椅的被動安全性能研究

盧琳兆

（廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司，福建廈門361023）

建立客車座椅動態(tài)試驗(yàn)的仿真模型并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上選取靠背泡棉剛度、座墊剛度、座墊摩擦系數(shù)及靠背管強(qiáng)度等四個變量作為設(shè)計(jì)變量，以降低假人WIC值為目標(biāo)，利用正交試驗(yàn)方法得出以上四個變量的靈敏度，并以此為依據(jù)對座椅進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

客車；乘員座椅；動態(tài)試驗(yàn)；被動安全；正交試驗(yàn)

客車座椅是客車內(nèi)飾件的重要組成部分，它的優(yōu)劣對客車內(nèi)部的美觀性、舒適性、操作方便性和安全性等有至關(guān)重要的影響。有數(shù)據(jù)表明，客車正面碰撞事故造成人員傷亡的比例僅次于側(cè)翻事故，其中正面碰撞過程中乘員與座椅間的二次碰撞或因座椅與車體相連部位失效而造成乘員二次傷害的情況占了較大的比例[1-2]。因此，研究客車乘客座椅的安全性能已變得非常重要。本文選取客車中間段的座椅，依據(jù)GB13057-2014[3]要求深入研究客車座椅及其固定件變形和乘員在碰撞過程中的傷害情況，供提升國內(nèi)客車廠及座椅配套廠的技術(shù)水平參考和借鑒。

1 仿真分析及驗(yàn)證

1.1建立仿真分析模型

1）座椅有限元模型。從某客車模型中截取中間段的模型作為仿真模型，對此模型進(jìn)行有限元處理，最終得到座椅動態(tài)試驗(yàn)仿真分析的有限元模型，共有1D單元1 678個，2D單元248 539個，3D單元353 180個。

2）乘員坐姿定位。由于座椅動態(tài)試驗(yàn)分兩個試驗(yàn)[3]，其中“試驗(yàn)一”采用50%的TNO10假人，主要考察座椅在受到?jīng)_擊載荷作用下，座椅結(jié)構(gòu)的變形情況（即考察座椅結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度）；“試驗(yàn)二”采用50%的HybridⅢ假人，主要考察座椅在受到?jīng)_擊載荷作用下，座椅結(jié)構(gòu)的變形對假人造成的傷害（即考察假人傷害值）。因此，本文在進(jìn)行座椅動態(tài)試驗(yàn)仿真分析時，“試驗(yàn)一”是采用LS-DYNA的快速假人模型，“試驗(yàn)二”是采用LS-DYNA的詳細(xì)假人模型。根據(jù)座椅廠家提供的座椅R點(diǎn)、靠背角、座墊角等信息，調(diào)整假人模型到舒適的位置，然后把假人模型偏離椅面一定距離，使假人受到重力作用下與座墊表面接觸并產(chǎn)生變形，利用關(guān)鍵字*INTERFACE_SPRINGBACK_LSDYNA生成含有應(yīng)力應(yīng)變信息的座墊模型，并替換原有的座墊模型。最終其“試驗(yàn)一”和“試驗(yàn)二”的仿真模型見圖1。

圖1 動態(tài)“試驗(yàn)一”和“試驗(yàn)二”的仿真分析模型

3）邊界條件。在仿真分析中，經(jīng)常會出現(xiàn)有些部件在受到?jīng)_擊載荷的作用下，產(chǎn)生大變形，如果不設(shè)置接觸邊界條件的話會發(fā)生穿透現(xiàn)象，導(dǎo)致變形模型失真，故采用自動單面接觸的算法以提高計(jì)算效率、精度及穩(wěn)定性[4]。據(jù)此設(shè)置假人上部與靠背，腿與靠背，腳與椅腳，下肢與座墊，腳與木地板等面面接觸，最后對臺車施加如圖2所示的沖擊加速度。

圖2 試驗(yàn)加速度曲線

1.2 仿真結(jié)果分析及有效性驗(yàn)證

1.2.1 “試驗(yàn)一”仿真結(jié)果與驗(yàn)證

“試驗(yàn)一”主要是檢查座椅固定件及座椅骨架的強(qiáng)度，即主要檢查假人是否會超過輔助座椅R點(diǎn)前方1.6 m的橫向截面和座椅安裝件、附件或零件有無分離、座椅能否牢固地固定在車身上及結(jié)構(gòu)件有無斷裂或尖角、銳邊等。因座椅靠背受到假人的撞擊后會繞著靠背與座墊間的“旋轉(zhuǎn)副”運(yùn)動，故可通過假人與靠背的撞擊位置及對比靠背旋轉(zhuǎn)的角度來驗(yàn)證仿真模型是否準(zhǔn)確，具體見圖3。圖3中，被假人撞擊的外側(cè)座椅靠背的旋轉(zhuǎn)角度，仿真值與試驗(yàn)值分別是11°和13°。

圖3 假人與靠背接觸位置的仿真與試驗(yàn)對比

從圖3可以看出，仿真模型的假人與靠背的撞擊位置和試驗(yàn)假人撞擊的位置幾乎相同，外側(cè)座椅的靠背受到假人撞擊后的旋轉(zhuǎn)角仿真值與試驗(yàn)值僅相差2°，因此可以得出“試驗(yàn)一”的仿真模型可信度較高，可以進(jìn)行后續(xù)的仿真分析。內(nèi)側(cè)座椅的靠背變形過大是由于靠背管裝配工藝的問題，導(dǎo)致靠背受到假人撞擊后滑出擋板。因碰撞仿真分析忽略焊接和工藝等的影響，故只能通過對比外側(cè)座椅的變形來驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。同時，從圖4的頭部位移-時間歷程曲線可以看出，頭部的最大位移量為0.76m，滿足假人軀干和頭部的任何部位向前位移應(yīng)不超過位于輔助座椅R點(diǎn)前1.6m橫向垂面的要求，且座椅結(jié)構(gòu)的完整性較好，故座椅結(jié)構(gòu)滿足“試驗(yàn)一”的強(qiáng)度要求。

圖4 “試驗(yàn)一”的頭部位移曲線

1.2.2 “試驗(yàn)二”仿真結(jié)果與驗(yàn)證

“試驗(yàn)二”主要是檢查假人在不離位狀態(tài)下，假人身體各部位與座椅接觸后，假人頭部HIC、胸部ThAC、座椅大腿的軸向受力情況是否滿足法規(guī)要求?！霸囼?yàn)二”的仿真與試驗(yàn)結(jié)果，具體如圖5-圖8所示：

圖5 “試驗(yàn)二”的頭部傷害仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比

圖6 “試驗(yàn)二”的胸部傷害仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比

圖7 “試驗(yàn)二”的左大腿受力仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比

圖8 “試驗(yàn)二”的右大腿受力仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比

從圖5-圖8的曲線圖來看，仿真結(jié)果中各曲線的峰值及波形都與試驗(yàn)結(jié)果較接近；但曲線上的峰值所對應(yīng)的時間，仿真與試驗(yàn)有偏差，這主要是由于仿真模型中的膝蓋距前排座椅的靠背距離與實(shí)際距離有一定的偏差，以及仿真模型中安全帶的松緊程度與實(shí)際情況也有偏差所致，其結(jié)果的峰值對比如表1所示。

表1 試驗(yàn)與仿真結(jié)果的峰值對比

對于工程上的問題，一般要求其波形幾乎相似，峰值偏差在15%以內(nèi)即可判定有效[6]。從表1可以看出，仿真與試驗(yàn)的偏差都較小，精度較高，特別是人體傷害加權(quán)指數(shù)WIC的誤差僅有1.23%，故可判定此仿真模型有較高的可信度及有效性。

從試驗(yàn)結(jié)果來看，頭部HIC值及胸部ThAC值較大，如果不做任何優(yōu)化改進(jìn)，則很容易超出法規(guī)要求，而使設(shè)計(jì)失敗。因此，后續(xù)優(yōu)化目標(biāo)就是降低頭部和胸部的沖擊加速度值。

2 座椅動態(tài)安全性的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

2.1 影響因子分析

根據(jù)目前客車乘客座椅的實(shí)際情況和可改進(jìn)性，選取座墊泡棉剛度、座墊摩擦系數(shù)、靠背泡棉剛度及靠背強(qiáng)度等四項(xiàng)作為設(shè)計(jì)變量[7-8]，其值的具體變化范圍見表2[9]。以各設(shè)計(jì)變量的取值范圍為約束條件，取假人加權(quán)傷害指數(shù)WIC值最小為設(shè)計(jì)目標(biāo)。

本文采用正交試驗(yàn)法[10]，并選擇L9（34）正交表來建立試驗(yàn)樣本點(diǎn)，經(jīng)過9次仿真計(jì)算，得到各試驗(yàn)方案的結(jié)果，其中各因子對WIC值的影響結(jié)果見圖9。

圖9 各試驗(yàn)因子的影響結(jié)果

從圖9中可以看出，座椅靠背強(qiáng)度對乘員的WIC表現(xiàn)最為靈敏，座墊摩擦系數(shù)的表現(xiàn)次之，座墊泡棉剛度的表現(xiàn)最弱。

2.2 改進(jìn)方案

鑒于上述靈敏度的分析，在保證乘客座椅舒適性的同時兼具安全性，初步制定了如下優(yōu)化改進(jìn)方案：

1）將座椅靠背強(qiáng)度變?yōu)樵鹊?0%，即減小靠背管材料的厚度；

2）將座椅靠背泡棉剛度變?yōu)樵鹊?0%，即降低靠背的泡棉密度，同時增加泡棉的厚度；

3）將座墊摩擦系數(shù)變?yōu)樵鹊?.2倍，即更換座墊椅面材質(zhì)。

通過調(diào)整上述仿真模型的參數(shù)后，乘客傷害指標(biāo)峰值見表3。通過對比發(fā)現(xiàn)，頭部傷害指標(biāo)HIC值降低了13.85%，胸部ThAC值降低了19.91%，人體傷害評價指標(biāo)WIC下降了17.07%，可以得出上述改進(jìn)方案對降低乘員傷害的效果較明顯。

表3 仿真模型改進(jìn)前后結(jié)果的峰值對比

從表3可以看出，假人各部位的傷害值除了左大腿軸向受力（FAC_L）變大外，其余均有不同程度的降低。導(dǎo)致左大腿軸向受力（FAC_L）變大的原因是：改進(jìn)后座椅靠背整體的剛度及強(qiáng)度均是變?nèi)醯?，?dǎo)致靠背管變形比原先的大，從而左腳的位移比原先的大一點(diǎn)，因此左腿與周邊接觸產(chǎn)生的更大變形從而導(dǎo)致大腿軸向力（FAC_L）的值變大。因降低了座椅靠背強(qiáng)度，座椅靠背管可能會被破壞，故需對優(yōu)化后的仿真模型進(jìn)行“試驗(yàn)一”的仿真計(jì)算，通過對比座椅骨架的應(yīng)變值是否超出其對應(yīng)的材料失效的最大應(yīng)變值來判斷座椅結(jié)構(gòu)是否失效，具體如圖10所示。

圖10 仿真模型優(yōu)化后的“試驗(yàn)一”結(jié)果

從圖10可以看出，座椅靠背管的最大應(yīng)變值達(dá)到了0.182，小于材料失效的最大應(yīng)變值0.2，故靠背管不會破裂，同時座椅椅腳的應(yīng)變值也降低了，能較好地保證座椅骨架結(jié)構(gòu)的完整性，故此改進(jìn)方案可行。

3 結(jié)論

利用Hypermesh和LS-DYNA建立客車中段座椅的有限元模型及乘員約束系統(tǒng)模型，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真模型的有效性及可信度。在此基礎(chǔ)上，通過分析各變化因子的靈敏度，得到了影響乘員傷害較大的三個因子，即座椅靠背強(qiáng)度、座椅靠背泡棉剛度及座墊摩擦系數(shù)等。通過對座椅系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，乘員傷害指數(shù)降低了16.05%，且不破壞座椅骨架結(jié)構(gòu)，改進(jìn)效果明顯。

[1]李毅.大客車側(cè)翻碰撞安全性設(shè)計(jì)與優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2012.

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[10]賴宇陽.Isight參數(shù)優(yōu)化理論與實(shí)例詳解[M].1版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012.

修改稿日期：2016-08-26

Study on Passive Safety Performance of a Coach Passenger Seats

Lu Linzhao
（Xiamen KingLongUnited Automotive IndustryCo.,Ltd,Xiamen 361023,China）

The author establishes the simulation model of a coach seats dynamic test and does the verification test. Based on this,he selects the stiffness of seatback foam and seat cushion,the coefficient of the cushion friction and the strength ofthe seatback as the design variables toreduce the WICvalue as the target.Then he gets the sensitivity of the above four variables by using the method of orthogonal experiment,and taking the conclusion as the basis,he improves the design ofthe coach passenger seats.

coach;passenger seat;dynamic test;passive safety;orthogonal experiments

U463.83+6；U461.91

A

1006-3331（2016）06-0007-04

廈門市創(chuàng)新型企業(yè)資助項(xiàng)目（3502Z20130043）

盧琳兆（1982-），男，碩士；工程師；主要從事客車被動安全及輕量化研究工作。