孫萬朋+鄭松林+唐善政+王麗君+陳有松+尹浩慶

摘 要：為了探究座椅子系統(tǒng)正面碰撞臺車試驗(yàn)的影響因素，在建立某商用車雙人副駕駛座椅有限元模型的基礎(chǔ)上，應(yīng)用Hybrid Ⅲ第50百分位假人，搭建了座椅子系統(tǒng)正面碰撞臺車試驗(yàn)的分析模型，然后用臺車試驗(yàn)對仿真模型進(jìn)行了驗(yàn)證。通過正交試驗(yàn)法，系統(tǒng)地研究了安全帶初始拉出量，假人與安全帶、假人與坐墊、假人與地板、安全帶與肩部滑環(huán)、安全帶與腰部滑環(huán)的摩擦因數(shù)對假人H點(diǎn)前移量、下潛量的影響。研究結(jié)果表明：安全帶初始拉出量、假人與坐墊的摩擦因數(shù)對試驗(yàn)結(jié)果影響顯著。

關(guān)鍵詞：正面碰撞；臺車試驗(yàn)；前移量；下潛量；正交試驗(yàn)

中圖分類號：U463.83+6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Research on Seat Sub-system Safety Based on Sled Test in Frontal Collision

SUN Wanpeng1，ZHENG Songlin1，TANG Shanzheng2，WANG Lijun2，CHEN Yousong2，Yin Haoqing2

（1. College of Mechanical Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200938， China；

2. SAIC Motor Commercial Vehicle Technical Center， Shanghai 200438， China）

Abstract： In order to explore the factors which influence the result of sled test of seat sub-system in frontal collision， a frontal collision simulation model was set-up together with a FE model of Hybrid Ⅲ 50th percentile dummy， on the basic of that a commercial vehicle twin copilot seats FE model was established. The simulation model was verified with some sled test. And used orthogonal experimental design to systematically analyze the factors which influence ante-displacement and submarining of the H-point of dummy. The factors are the initial length of the belt pulled out from retractor， the friction coefficient between dummy and seat belt， dummy and cushion， dummy and floor， seat belt and shoulder slip ring， seat belt and waist slip ring. The results indicate that the most significant factors to the sled test results are the initial length of the belt pulled out from retractor and the friction coefficient between dummy and cushion.

Key words：frontal collision；sled test；ante-displacement；submarining；orthogonal experiment

如今人們對汽車安全的重視程度越來越高，國家也提出了新的法規(guī)來促進(jìn)汽車制造商提升汽車的安全性能。座椅作為乘員約束系統(tǒng)的一部分，不僅要滿足消費(fèi)者對舒適性的需求，還要滿足整車性能的要求，在汽車發(fā)生事故時(shí)為乘員提供安全保障，以達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)。目前，國內(nèi)外學(xué)者主要采用建立仿真模型的方法[1-32]（文獻(xiàn)[1]和[2]都來自國內(nèi)學(xué)者，建議添加1～2個(gè)國外學(xué)者的相關(guān)參考文獻(xiàn)）進(jìn)行座椅安全性能研究。葛如海等人[43]分析了坐墊傾角對乘員的保護(hù)效果，并借助響應(yīng)面法對約束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了改進(jìn)。Adomeit D 等[54] 提出了汽車碰撞中“下潛”的概念并在此基礎(chǔ)上研究了碰撞事故中乘員發(fā)生下潛對腹部損傷的影響，進(jìn)而推動(dòng)了后續(xù)對假人下潛預(yù)判和測量的研究[56-76]。

GB 11551-2014《汽車正面碰撞的乘員保護(hù)》屬于碰撞范疇的法規(guī)，在整車碰撞試驗(yàn)中以假人的傷害值來判斷約束系統(tǒng)是否滿足保護(hù)乘員安全的要求。但在座椅開發(fā)階段，由于在座椅子系統(tǒng)臺車試驗(yàn)中不帶儀表板IP（Instrument Panel，IP 儀表板）（英文全稱及中文）、白車身和安全氣囊，所以不考察假人的傷害值，而是通過假人H點(diǎn)前移量和下潛量的大小來衡量座椅能否幫助假人在整車碰撞中減少傷害。不同主機(jī)廠對假人H點(diǎn)前移量和下潛量的要求不盡相同。

在整車開發(fā)流程中，為縮短開發(fā)周期，整車開發(fā)和座椅開發(fā)需同時(shí)進(jìn)行。新開發(fā)的座椅需要進(jìn)行子系統(tǒng)臺車試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)滿足主機(jī)廠提出的要求，以此保證座椅在整車正面碰撞試驗(yàn)中滿足保護(hù)乘員安全的要求。因此，本文借助有限元仿真軟件LS-DYNA搭建有效的仿真模型來探究不同因素對座椅子系統(tǒng)臺車試驗(yàn)結(jié)果的影響規(guī)律。

1 仿真模型的建立

仿真模型包括Hybrid Ⅲ 第50百分位假人、雙人副駕駛座椅、三點(diǎn)式安全帶、卷收器、滑環(huán)和臺車等。

1.1 假人模型

仿真中采用的假人模型是FTSS（First Technology Safety System）公司建立的Hybrid Ⅲ第50百分位假人有限元模型，該假人模型與試驗(yàn)假人具有相同的響應(yīng)特性，仿真度較高。使用前，在Primer軟件中調(diào)整假人姿態(tài)，使假人H點(diǎn)與座椅H點(diǎn)重合；假人軀干角與設(shè)計(jì)狀態(tài)一致；假人兩腳盡量往前伸，腳掌平放在地板上，地板角度與實(shí)車狀態(tài)相同；假人雙手置于大腿兩側(cè)（圖1）。

1.2 座椅模型

將在CATIA中搭建好的幾何模型導(dǎo)入到Hypermesh，劃分網(wǎng)格。為了準(zhǔn)確模擬座椅主要研究結(jié)構(gòu)件的特征，建模尺寸采用4～5 mm，同時(shí)對不關(guān)心的特征可以適當(dāng)簡化。為了方便座椅與假人建立接觸關(guān)系，座椅的坐墊及靠背表層采用shell單元，而坐墊及靠背的內(nèi)部發(fā)泡采用四面體實(shí)體單元。若直接將假人安放在座椅上，假人會和坐墊及靠背產(chǎn)生干涉，因此需要對座椅進(jìn)行預(yù)壓，將假人H點(diǎn)壓到與實(shí)際狀態(tài)一致。預(yù)壓后的座椅如圖2所示。

1.3 其它部件和結(jié)構(gòu)模型

安全帶采用一維單元和二維單元混合搭建，與假人接觸的部分采用三角形二維單元模擬，其余部分用一維線性單元模擬，安全帶要求緊貼假人，走向盡量與真實(shí)情況一致。

采用*ELEMENT_SEATBELT_SLIPRING模擬安全帶上滑環(huán)和腰部滑環(huán)，采用*ELEMENT_SEATBELT_RETRACTOR模擬安全帶卷收器。臺車地板采用剛體模擬，并且將整車正碰試驗(yàn)時(shí)采集到的右側(cè)B柱下部的x向加速度曲線賦給地板，加速度曲線如圖3所示。仿真分析和臺車試驗(yàn)均采用這條曲線作為載荷輸入。搭建好的座椅子系統(tǒng)臺車試驗(yàn)仿真模型如圖4所示。

在碰撞分析中，質(zhì)量分布對結(jié)果的影響比較大，要對搭建好的模型進(jìn)行質(zhì)量和質(zhì)心的調(diào)整，使其接近實(shí)際情況，以保證仿真模型的準(zhǔn)確性。

2 仿真模型的驗(yàn)證

為了確認(rèn)所建立的模型是否有效，需要以臺車試驗(yàn)結(jié)果來驗(yàn)證仿真結(jié)果。模型的驗(yàn)證是分步有序地進(jìn)行的，座椅子系統(tǒng)模型的驗(yàn)證按照從下至上的原則[87]，根據(jù)整車安全分解至座椅子系統(tǒng)的要求，以安全帶腰帶力、假人H點(diǎn)前移量最大值、假人H點(diǎn)下潛量最大值和假人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)來驗(yàn)證模型的有效性。

2.1 假人安全帶受力及位移曲線對比

試驗(yàn)前測得標(biāo)記點(diǎn)的間距為d1=100 mm，如圖5所示，分析對比臺車碰撞試驗(yàn)視頻，通過圖像追蹤法測得假人H點(diǎn)前移量最大值為200 mm，下潛量最大值為40 mm。

通過傳感器測得安全帶腰帶力的試驗(yàn)值，圖6 a為安全帶腰帶力的試驗(yàn)與仿真結(jié)果對比，由圖可知，安全帶受力的初始時(shí)刻、波形走勢及受力峰值一致性較高。圖6 b為假人H點(diǎn)前移量的仿真位移曲線。圖6 c為假人H點(diǎn)下潛量的仿真位移曲線。

2.2 假人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)

座椅子系統(tǒng)臺車試驗(yàn)整個(gè)過程約90 ms，按照0 ms，60 ms，90 ms三個(gè)時(shí)刻的假人狀態(tài)來對比。圖7為試驗(yàn)和仿真中假人在不同時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。t=0 ms時(shí)，假人的姿態(tài)按照要求擺放，試驗(yàn)與仿真保持一致；t=60 ms時(shí)，假人腳尖翹起，腳跟貼在地板，雙手?jǐn)[動(dòng)到膝蓋下部，上半身姿態(tài)相同；t=90 ms時(shí)，假人腳跟離開地板，雙手?jǐn)[動(dòng)到膝蓋上部，頭部開始向下擺動(dòng)。由圖可知，仿真與試驗(yàn)中的假人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)基本一致。

通過比較仿真與試驗(yàn)中假人安全帶力、假人H點(diǎn)前移量和下潛量最大值，以及假人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，可以說明該仿真模型能夠有效地模擬座椅子系統(tǒng)臺車試驗(yàn)，可以作為基礎(chǔ)模型進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

假人H點(diǎn)前移量可以衡量假人在整車碰撞試驗(yàn)中的受傷程度，前移量越大，假人的身體與IP接觸的風(fēng)險(xiǎn)就越高，IP對假人頭部、胸部以及大腿的傷害就會越大，座椅就不能起到有效保護(hù)乘員安全的作用。假人H點(diǎn)下潛量過大，會使原本作用在假人髖部的安全帶因受力不均而發(fā)生滑落，脫離正常佩戴位置，從假人髖部滑向腹部，相應(yīng)的載荷也會施加在假人腹部，在事故發(fā)生時(shí)造成乘員腹部軟組織挫傷。為探究影響假人H點(diǎn)前移量（Hx）、下潛量（Hz）的因素，采用正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)試驗(yàn)。正交試驗(yàn)法是試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的一種，在工程經(jīng)驗(yàn)和理論認(rèn)識的基礎(chǔ)上，利用正交表來安排“均衡分散”的試驗(yàn)，通過盡量少的試驗(yàn)次數(shù)，找到各個(gè)因素不同水平對響應(yīng)指標(biāo)的影響規(guī)律，從而得到最佳方案[98]。

3.1 因素及水平選取

在正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，因素及其水平常常需要根據(jù)工程或者實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)選取，當(dāng)然也可以根據(jù)理論分析選取關(guān)鍵參數(shù)作為試驗(yàn)因素，但需要考慮到所選取的關(guān)鍵參數(shù)應(yīng)當(dāng)便于測量和實(shí)際試驗(yàn)操作。因素及其水平數(shù)也不宜選取太多，否則會造成試驗(yàn)矩陣十分龐大，使所需進(jìn)行的試驗(yàn)次數(shù)難以承受。本文根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合試驗(yàn)，提出了影響試驗(yàn)結(jié)果的6點(diǎn)潛在影響因素：

（1）安全帶初始拉出量（A），是指自碰撞發(fā)生時(shí)起，至卷收器自動(dòng)鎖死時(shí)刻，安全帶被拉出的長度。

（2）假人各部位摩擦因數(shù)：假人與安全帶的摩擦因數(shù)（B），假人與坐墊的摩擦因數(shù)（C），假人與地板的摩擦因數(shù)（D）。

（3）安全帶滑環(huán)的摩擦因數(shù)：安全帶與上滑環(huán)摩擦因數(shù)（E），安全帶與下滑環(huán)摩擦因數(shù)（F）。

每個(gè)因素根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)選取3個(gè)適當(dāng)?shù)乃?。本文正交試?yàn)設(shè)計(jì)制定的因素及其水平見表2。

3.3 數(shù)據(jù)分析

為了找出各因素對各響應(yīng)指標(biāo)的影響規(guī)律，采用極差分析法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。極差是一組數(shù)據(jù)中最大值和最小值之差，極差值越大表示該因素對響應(yīng)指標(biāo)的影響越大，該因素越關(guān)鍵；極差值越小表示該因素對響應(yīng)指標(biāo)的影響越小，該因素重要度越一般。表4和表5為各因素不同水平對各響應(yīng)指標(biāo)的極差分析結(jié)果。

根據(jù)極差分析結(jié)果，規(guī)定 為顯著影響， 為中等影響， 為輕微影響。因此，影響假人H點(diǎn)前移量的主要因素是（ ）：安全帶初始拉出量，以及假人與安全帶、假人與坐墊、安全帶與下滑環(huán)的摩擦因數(shù)（ ）；影響假人H點(diǎn)下潛量的主要因素是：安全帶初始拉出量，以及假人與坐墊、安全帶與下滑環(huán)的摩擦因數(shù)。

圖8和圖9為各響應(yīng)指標(biāo)的響應(yīng)均值圖。由圖可知各響應(yīng)指標(biāo)隨因素水平變化而變化的趨勢。由圖8可知，假人H點(diǎn)前移量（Hx）隨安全帶初始拉出量（A）增大而增大，因此安全帶初始拉出量對假人H點(diǎn)前移量的影響為顯著正相關(guān)；假人H點(diǎn)前移量（Hx）隨假人與安全帶的摩擦因數(shù)（B）增大而減小，因此假人與安全帶的摩擦因數(shù)對假人H點(diǎn)前移量的影響為中等負(fù)相關(guān)；假人H點(diǎn)前移量（Hx）隨假人與坐墊的摩擦因數(shù)（C）的增大先減少后增加，因此假人與坐墊的摩擦因數(shù)對假人H點(diǎn)前移量的影響為中等不明確確定趨勢。綜上，根據(jù)圖8和圖9折線的走勢，確定各響應(yīng)指標(biāo)隨因素水平變化而變化的趨勢是正相關(guān)、負(fù)相關(guān)或不明確趨勢。

能否對圖9進(jìn)行描述？

依據(jù)響應(yīng)均值圖，結(jié)合表4、表5中得所列的極差值，制定出座椅子系統(tǒng)正面碰撞臺車試驗(yàn)影響因素識別矩陣一覽表，見表6。其中，安全帶初始拉出量及假人與坐墊的摩擦因數(shù)對H點(diǎn)前移量和下潛量的影響水平都在中等及以上，對試驗(yàn)結(jié)果影響顯著。

4 結(jié)論

本文通過建立有效的仿真模型，借助于正交試驗(yàn)法，對影響座椅子系統(tǒng)正面碰撞臺架試驗(yàn)結(jié)果的因素進(jìn)行了分析研究。研究結(jié)果表明，安全帶初始拉出量、假人與坐墊的摩擦因數(shù)對試驗(yàn)結(jié)果影響最顯著。同時(shí)也得到了各因素不同水平對響應(yīng)量的響應(yīng)關(guān)系，并制定出影響因素識別矩陣一覽表。

影響因素識別矩陣一覽表為座椅子系統(tǒng)正面碰撞臺車試驗(yàn)與仿真提供了參考。在座椅前期開發(fā)階段，座椅制造商可以通過改善卷收器的性能，選用摩擦因數(shù)較高的坐墊面料等方法，使假人H點(diǎn)前移量和下潛量降低，從而提升座椅的安全性能，在滿足法規(guī)要求的前提下，使座椅具有安全性能的富余量。

參 考 文 獻(xiàn)

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作者介紹：

責(zé)任作者：鄭松林（1958-），男，河南洛陽人。博士，教授，主要研究方向?yàn)檐囕v載荷特性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、振動(dòng)及可靠性評價(jià)方法 等。

Tel：021-55275287

E-mail：zhengpinery@126.com

通訊作者：孫萬朋（1990-），男，江蘇儀征人。碩士，主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)理論、汽車安全與座椅性能分析。

Tel：13052070887

E-mail：619911621@qq.com。

聯(lián)系方式：上海市楊浦區(qū)軍工路334號上海理工大學(xué)第五學(xué)生公寓二號樓306室。郵編：200093。收件人：孫萬朋。聯(lián)系電話：13052070887。