王海華

(延鋒安道拓座椅有限公司，上海 201315)

0 引言

在乘用車行駛過程中，低速追尾碰撞是普遍發(fā)生的一種車輛碰撞事故，在此類事故中，乘員頭頸部發(fā)生類似于鞭子揮舞的劇烈運(yùn)動，由此所產(chǎn)生的頸部傷害被稱為“揮鞭傷”。中國于2012年將低速追尾碰撞試驗(yàn)(Whiplash Test)引入至新車評價(jià)規(guī)程(C-NCAP,China New Car Assessment Program)，評估座椅對乘員頸部保護(hù)的性能。作者根據(jù)CNCAP的鞭打試驗(yàn)評價(jià)規(guī)程，通過有限元建模分析、臺車物理試驗(yàn)等方法，研究追尾碰撞試驗(yàn)中幾個(gè)重要噪聲因子對試驗(yàn)結(jié)果的影響，以幫助工程技術(shù)人員合理定義座椅防揮鞭傷性能設(shè)計(jì)目標(biāo)，并確保在后續(xù)新車評價(jià)正式試驗(yàn)中能達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)值。

1 方法

進(jìn)行因子分析之前，先建立座椅Whiplash仿真分析有限元模型，如圖1所示。

座椅Whiplash仿真分析模型包括座椅金屬骨架網(wǎng)格模型、頭枕與泡沫網(wǎng)格模型、BioRID2生物力學(xué)假人模型。其中，金屬骨架網(wǎng)格模型采用殼單元建模，如圖2所示。頭枕與泡沫網(wǎng)格模型采用實(shí)體單元建模，在此研究案例中，采用四面體單元，如圖3所示。生物力學(xué)假人采用DynaMore公司開發(fā)的、BioRID-II v3.6 LS Dyna版本的有限元假人，如圖4所示。

圖1 Whiplash分析模型

圖2 骨架網(wǎng)格 圖3 泡沫網(wǎng)格

圖4 生物力學(xué)假人模型

2 參數(shù)設(shè)定

揮鞭傷分析模型中，泡沫材料的特性至關(guān)重要。通過材料試驗(yàn)，獲得泡沫力學(xué)特性，可以有效地提高有限元仿真分析的精度。文中用到的泡沫材料特性曲線如圖5所示。

圖5 泡沫力學(xué)特性曲線

其他金屬件材料參數(shù)也采用實(shí)測材料數(shù)據(jù)的名義中值曲線。按照以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，中值曲線可以更容易和物理試驗(yàn)取得結(jié)果比對的一致性。

生物力學(xué)假人參數(shù)設(shè)定。按照C-NCAP評價(jià)規(guī)程，先將假人設(shè)定至規(guī)程規(guī)定的參數(shù)，即假人軀干角26.5°，假人H點(diǎn)采用理論H點(diǎn)向前20 mm，假人頭部Backset目標(biāo)值為靜態(tài)測量值+15 mm。

模型脈沖加載曲線選用臺車設(shè)備實(shí)際模擬值，如圖6所示。

圖6 脈沖加載曲線

計(jì)算環(huán)境采用LS Dyna單精度MPP版本R7.1.2，MPI程序采用Intel MPI 4.1.0.024，16核并行計(jì)算，操作系統(tǒng)為CentOS Linux 6.6。

3 模型驗(yàn)證

表1所示為按照CNCAP 2018版揮鞭傷評價(jià)規(guī)程的打分對比。圖7—13所示為各傷害值曲線的對比。

表1 某型座椅試驗(yàn)與仿真Whiplash得分對比

圖7 某型座椅試驗(yàn)與仿真Whiplash頸部傷害值NIC曲線對比

圖8 某型座椅試驗(yàn)與仿真Whiplash下頸部剪切力Fx曲線對比

圖9 某型座椅試驗(yàn)與仿真Whiplash上頸部剪切力Fx曲線對比

圖10 某型座椅試驗(yàn)與仿真Whiplash下頸部拉力Fz曲線對比

圖11 某型座椅試驗(yàn)與仿真Whiplash上頸部拉力Fz曲線對比

圖12 某型座椅試驗(yàn)與仿真Whiplash下頸部力矩My曲線對比

圖13 某型座椅試驗(yàn)與仿真Whiplash上頸部力矩My曲線對比

4 噪聲因子

通過仿真與臺車物理試驗(yàn)的對比驗(yàn)證，獲得了較為準(zhǔn)確的有限元分析模型。因此在該仿真模型基礎(chǔ)上，可以開展噪聲因子的影響研究。作者對以下因子進(jìn)行了研究：

(1)臺車脈沖模擬穩(wěn)定性對試驗(yàn)結(jié)果的影響。臺車設(shè)備因其機(jī)械液壓執(zhí)行系統(tǒng)的響應(yīng)速度、控制系統(tǒng)中控制算法的魯棒性等因素，每次臺車發(fā)射實(shí)際擬合的波形或多或少存在著一些偏差。臺車波形存在著以下3大偏差：①最大峰值加速度值；②加速度峰值出現(xiàn)時(shí)刻；③最大速度。作者根據(jù)歷年臺車試驗(yàn)實(shí)際波形擬合數(shù)據(jù)，選取了6條曲線，分別是加速度峰值最大與最小、加速度峰值時(shí)刻最早和最晚、速度最大和最小。將這6條脈沖曲線，代入同一個(gè)計(jì)算模型，可以看到脈沖波動對試驗(yàn)結(jié)果的影響，因?qū)ζ渌麄χ禌]有任何影響，因此文中僅給出了頸部傷害值NIC和上頸部扭矩My這兩個(gè)打分項(xiàng)的對比，如表2所示。通過計(jì)算對比可以發(fā)現(xiàn)：脈沖波動對試驗(yàn)結(jié)果影響非常小，在實(shí)際工程開發(fā)中，可以忽略這個(gè)噪聲因子的影響。

表2 脈沖對試驗(yàn)結(jié)果影響

(2)生物力學(xué)假人設(shè)置偏差對試驗(yàn)結(jié)果的影響。在臺車試驗(yàn)過程中，不可避免會存在生物力學(xué)假人擺放位置的偏差。考慮到實(shí)際項(xiàng)目中，一般只有頸部傷害值NIC和上頸部力矩這兩項(xiàng)指標(biāo)會受影響，因此文中也僅針對這兩個(gè)評分項(xiàng)。對比研究的結(jié)果請參見表3。圍繞H點(diǎn)的位置偏差，以及綜合考慮頭后間隙的允許設(shè)置公差，通過對比計(jì)算發(fā)現(xiàn)：在C-NCAP評價(jià)規(guī)程允許的公差范圍內(nèi)，生物力學(xué)假人的位置偏差對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的最大分值偏差為0.02、0.05分;但是如果假人設(shè)置位置明顯超出了允許偏差后，如頭后間隙偏離目標(biāo)10及20 mm時(shí)，會顯著影響試驗(yàn)結(jié)果0.13、0.2分。

表3 假人設(shè)置偏差的影響

同時(shí)，采用對同一批次樣品進(jìn)行重復(fù)臺車試驗(yàn)，可以驗(yàn)證物理試驗(yàn)過程的穩(wěn)定性。文中選取了兩個(gè)型號的座椅，進(jìn)行了試驗(yàn)過程穩(wěn)定性的研究。表4及表5所示數(shù)據(jù)分別為針對2015年版和2018年版評價(jià)規(guī)程，進(jìn)行的揮鞭傷性能臺車物理試驗(yàn)研究。可以看到：對同一生產(chǎn)批次的樣品，同一作業(yè)班次的試驗(yàn)技術(shù)員，使用同一個(gè)生物力學(xué)假人，試驗(yàn)得分最大值與最小值存在著0.18和0.27分的偏差。這意味著，目前的物理試驗(yàn)，存在著約5%的測量不確定性。

表4 某型座椅CNCAP 2015版多樣品試驗(yàn)得分匯總表

表5 某型座椅CNCAP 2018版多樣品試驗(yàn)得分匯總表

5 結(jié)論

通過揮鞭傷仿真分析建模及模型驗(yàn)證，詳細(xì)介紹了揮鞭傷性能驗(yàn)證過程中，主要噪聲影響因子對試驗(yàn)結(jié)果的影響。應(yīng)用文中的研究結(jié)論，在Whiplash性能開發(fā)過程中，合理制定設(shè)計(jì)目標(biāo)值與安全裕度，排除一些試驗(yàn)數(shù)據(jù)上的干擾因素，對設(shè)計(jì)方案作出正確的判斷，可縮短產(chǎn)品研發(fā)的周期和成本。

參考文獻(xiàn):

[1]DYNAmore GmgH.BioRID-II LS Dyna v3.6 User’s Manual[M].Germany,2015.

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[3]中國汽車技術(shù)研究中心.C-NCAP管理規(guī)則(2018年版)[M].[S.1],2017.