¹江苏大学机械工程学院，江苏 镇江

²上海埃立曼科技有限公司，上海

收稿日期：2023年2月17日；录用日期：2023年3月20日；发布日期：2023年3月28日

摘要

按照2021版C-NCAP要求，对某车型座椅进行鞭打试验，通过鞭打试验结果分析发现挥鞭伤较为严重，鞭打得分较低。针对这一问题采用Hypermesh软件建立有限元模型，用LS-Dyna显示非线性动力学求解器进行求解，并将有限元结果与试验结果进行对标分析。在对标合格的有限元模型基础上分析鞭打损伤原因，并根据分析结果提出优化参数，优化参数如下：座椅靠背左右侧板厚度、座椅靠背支撑板厚度、座椅靠背上横杆厚度以及头枕杆直径。根据优化后的结果可知，优化后的假人挥鞭伤减小，鞭打得分提高，大大增强了座椅防挥鞭伤的能力。

关键词

座椅，鞭打试验，有限元分析，C-NCAP

Simulation and Optimization of a Seat Whiplash Test Based on C-NCAP

Jun Zhao¹, Yuandi Jiang¹, Chenxi Mao², Huixia Liu^1*

¹School of Mechanical Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang Jiangsu

²Shanghai Elliman Technology Co., Ltd., Shanghai

Received: Feb. 17^th, 2023; accepted: Mar. 20^th, 2023; published: Mar. 28^th, 2023

ABSTRACT

According to the requirements of the 2021 version of C-NCAP, a whipping test was carried out on the seat of a certain model, and the whiplash injury was found to be more serious and the whiplash score was lower through the analysis of the whiplash test results. To solve this problem, Hypermesh software is used to establish a finite element model, LS-Dyna is used to display the nonlinear dynamics solver, and the finite element results are benchmarked with the experimental results. Based on the qualified finite element model, the cause of whiplash damage is analyzed, and the optimization parameters are proposed according to the analysis results, as follows: the thickness of the left and right side panels of the seat back, the thickness of the seat back support plate, the thickness of the crossbar on the seat back and the diameter of the headrest rod. According to the optimized results, the optimized dummy whiplash injury is reduced and the whiplash score is improved, so the seat’s anti-whiplash ability is greatly improved.

Keywords:Seat, Whiplash Test, Finite Element Analysis, C-NACP

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1. 引言

根据2020年国家统计局发布的《中国统计年鉴》显示 [1] ，仅在高速公路中的追尾事故就占比达到42.61%。追尾事故会造成前车瞬间产生一个较大的加速度，加速度通过车身传导到座椅上，座椅会有一个向前的加速度，并且座椅会将加速度传递到乘员的胸部与头部，从而对乘员的颈部造成伤害。像这样的追尾事故造成的乘员颈部损伤被称为挥鞭伤。虽然挥鞭伤一般不会造成乘员直接死亡的严重伤害，但极容易带来颅脑损伤、颈椎损伤，心脏损伤等伤害，这些伤害较难治疗，甚至会伴随受伤者一生，给人民生命健康带来极大伤害，严重降低了人民的生活质量 [2] 。因此，世界各国也开始了对座椅鞭打损伤的研究 [3] [4] ，并采用数值模拟的方法对座椅的相关参数进行设计与优化 [5] [6] 。Jo Huichang和Eun Kim Young研究了在低速后碰撞中座椅靠背强度对乘员颈部损伤的影响，研究发现增加靠背强度会导致乘员韧带和椎间盘载荷的增加，因此，适当的减少靠背强度可以减少乘员颈部损伤 [7] 。吉林大学的李瑞生同学基于C-NCAP对座椅的鞭打试验进行了研究，发现影响座椅鞭打性能的因素主要由座椅靠背刚度、座椅头枕杆刚度及位置决定，并通过试验设计对座椅影响因素进行分析与优化，通过改变头枕杆直径、改变头枕到假人头部的距离、改变头顶高度与头枕高度距离的方式来降低假人伤害，提升座椅抗鞭打性能 [8] 。重庆理工大学的胡源源同学用不同的假人模型来研究鞭打试验中假人颈部的运动响应，其研究表明THUMS假人模型的生物逼真度要由于Bio II型假人，对进一步研究鞭打伤害具有重要意义 [9] 。

经过多年的发展，数值模拟有限元技术得到快速发展，并已广泛应用于工程研究中。我国在2012年将座椅鞭打纳入C-NCAP评价中 [10] 。目前各大主机厂也都将乘员的颈部保护引入到了座椅设计中。本文按照2021版C-NCAP要求，对某公司某款座椅进行鞭打试验，并对鞭打试验结果进行分析，得出对座椅鞭打得分影响较大的座椅结构件。用Hypermesh软件搭建鞭打试验的CAE模型，并用LS-Dyna求解器进行求解。将数值模拟结果与鞭打试验结果进行对标分析来验证有限元模型的可靠性，对可靠性满足要求的有限元模型伤害结果进行分析，结合分析结果提出优化方案。

2. 鞭打试验及结果分析

2.1. 鞭打试验

根据2021版《C-NCAP管理规则》 [11] ，鞭打试验所需样品包括BioII型假人、某车型座椅、试验台车、高速摄像机，以及各种传感器等。在试验开始前需要将假人和座椅放在标准试验环境下至少3 h，试验须在室温22.5℃ ± 3℃，相对湿度10%~70%的环境下进行，鞭打试验模型如图1所示。在一切准备好之后需要对试验台车施加一个加速度，加速度波形需要控制在0 ms至170 ms之间，加速式台车的速度变化量应该控制在DV = 20.0 km/h ± 1.0/h，波形的持续时间为DT = 103 ms ± 3 ms，图2为鞭打试验施加的加速度波形图。

图1. 鞭打试验模型

图2. 鞭打试验加速度波形

2.2. 鞭打试验及损伤分析

根据2021版《C-NCAP管理规则》，结合从鞭打试验假人身上传感器提取的伤害数值，某次鞭打试验得分为2.32分，总分为5分。表1记录了某次鞭打得分详细信息，表中高、低性能值为C-NCAP中所规定的值，试验值为假人身上传感器所记录的鞭打伤害数值。单项得分为每一项指标的得分情况，其中上颈部得分为0.22分，满分为1.5分，上颈部具体得分为上颈部剪切力F_x为1.5分；上颈部拉力F_z得分为1.34分；上颈部弯矩M_y得分为0.22分，取上颈部三项中的最低分0.22记为上颈部得分。下颈部得分为0.79分，满分为1.5分，下颈部具体得分为下颈部剪切力F_x为1.03分；下颈部拉力F_z得分为0.79分；下颈部弯矩M_y得分为1.5分，取下颈部三项中的最低分0.79记为下颈部得分。NIC颈部伤害指数得分为1.31分，满分为2分。

表1. C-NCAP鞭打动态试验指标评分表

由上述试验数据可知本次鞭打试验NIC得分率为65.5%，上颈部得分率为14.7%，下颈部得分率为52.7%，总体得分率为46.4%。具有很大的优化空间。

3. 鞭打CAE模型搭建与试验对标分析

由上节可知鞭打试验中NIC颈部伤害指数、上颈部伤害与下颈部伤害扣分较多，因此可以采用有限元分析的方式来优化座椅设计参数。采用有限元辅助设计的方式可以减少座椅试验次数、缩短座椅研发时间，从而降低座椅开发成本。

3.1. CAE模型搭建

本文CAE模型采用Hypermesh软件进行网格划分，座椅结构件多为钣金件，采用片体网格划分钣金件，片体平均尺寸为7 mm，头枕、靠背以及坐垫发泡采用四面体网格填充，平均尺寸为15 mm，钢丝采用一维Beam单元模拟，平均尺寸为5 mm。座椅模型共计68,625个节点，120,249个单元。座椅模型搭建完成导入假人模型，按照真实试验条件来设置接触、载荷、连接、边界条件以及相关控制卡片，从而最大程度提高有限元结果与试验结果的拟合度。鞭打有限元模型如图3所示。

图3. 座椅鞭打有限元模型

3.2. 仿真与试验验证

有限元模型的精度对于后续的优化至关重要，因此需要根据试验数据来验证有限元模型的精度，下面将对试验数据与有限元数据进行对标分析，来验证有限元模型的精度。

图4~7为鞭打运动仿真(左)与试验(右)不同时刻状态图。鞭打运动分为三个阶段：第一阶段为运动开始到头与头枕接触时刻，如图4、图5所示，头和头枕接触约在65 ms处；第二阶段为头与头枕接触到头与头枕离开时刻，如图5~7所示，头与头枕分开时刻为165 ms，此阶段经历头部张角最大时刻，如图6所示，此时约为120 ms；第三阶段为头与头枕分离并回弹，此运动状态为165 ms至运动结束时刻。

图4. 运动初始时刻

图5. 头与头枕接触时刻

图6. 头部张角最大时刻

图7. 头与头枕分离时刻

计算结束后从结果文件中提取伤害曲线，并将扣分项的有限元伤害曲线与试验伤害曲线放在一起对标，图8~12为单项评分扣分指标的有限元曲线与试验曲线对标图，图中CAE为有限元曲线，TEST为试验曲线。图8所示为NIC颈部伤害指数的试验与仿真伤害曲线图；图9为上颈部弯矩的试验与仿真伤害曲线图；图10为上颈部拉力的试验与仿真伤害曲线图；图11为下颈部剪切力的试验与仿真伤害曲线图；图12为下颈部拉力的试验与仿真伤害曲线图。经过扣分项的伤害曲线对标可知，有限元模型伤害曲线与试验伤害曲线趋势相近，因此有限元模型具有可靠性。

图8. NIC伤害曲线

图9. 上颈部弯矩伤害曲线

图10. 上颈部拉力伤害曲线

图11. 下颈部剪切力伤害曲线

图12. 下颈部拉力伤害曲线

4. 仿真结果分析与优化

4.1. 仿真结果分析

由图8可知NIC颈部伤害指标超过高性能值8 m²/s²造成失分，NIC颈部伤害指标由胸部的加速度与头部加速度的差值计算得来，如公式3所示。

$A_x^{rel}\left(t\right)=A_x^{T1}\left(t\right)-A_x^{Head}(t)$ (1)

其中， $A_x^{T1}\left(t\right)=\frac{1}{2}\left[A_x^{T1-\text{Left}}\left(t\right)+A_x^{T1-\text{Right}}\left(t\right)\right]$

$V_x^{rel}\left(t\right)=\underset{0}{\overset{t}{{\displaystyle \int }}}{A}_x^{rel}\left(\tau \right)\text{d}\tau$ (2)

$NIC\left(t\right)=0.2A_x^{rel}\left(t\right)+{\left[V_x^{rel}\left(t\right)\right]}^2$ (3)

胸部的加速度曲线如图13所示，头部的加速度曲线如图14所示。

图13. 胸部加速度曲线

图14. 头部加速度曲线

由图8可知NIC伤害指数有限元曲线的最大值为20 m²/s²，发生在90 ms左右。图14中CAE曲线记录了头部加速度从63 ms处开始上升。在78 ms处加速度开始快速下降，在90 ms处头部加速度是一个局部极小值，结合图13胸部加速度CAE曲线图可知，在90 ms处头部与胸部加速度的差值达到最大，因此NIC伤害指数最大值也发生在90 ms处。对于NIC的优化可以通过两种方法来实现，首先可以通过增大头枕的刚度来增强头枕对于头部的支撑作用，从而可以避免头部加速度过低的情况，或者减小头部与头枕之间的空间，让加速度更快的作用到头上，其次可以通过适当的减小靠背的支撑刚度来降低胸部的加速度。

造成上颈部弯矩和上颈部拉力过大的原因是头枕的支撑刚度不足，造成头部向后旋转角度过大，增加了上颈部的弯矩伤害和拉力伤害。下颈部的剪切力过大的原因是靠背的刚度过大，加速度通过靠背传递至胸部，若靠背刚度过大，则作用至胸部的力和加速度都会增加，因此可以适当地减少靠背的支撑刚度来减轻下颈部所受伤害。

4.2. 座椅鞭打性能的改进优化

座椅结构是一个复杂的系统，有大量的研究表明，座椅各个设计参数对假人颈部损伤并不是简单的一一对应关系，而是多个参数对应多个目标综合作用的结果。因此，可以通过修改头部子系统与靠背子系统的多个零件刚度值来减小假人颈部的伤害值。本文通过对鞭打试验与仿真中扣分项的结果分析，得到该款座椅结构设计参数的优化方案如下：

1) 调整头枕参数：本文头枕接触面到头部的距离为20 mm，考虑到舒适性与安全性的问题，20 mm是一个比较合理的取值，因此头枕与头部的距离不需要调整。除此之外，可以通过调整头枕杆的直径来增强头枕的支撑刚度，头枕杆的直径由10 mm调整至12 mm。

2) 调整靠背左右侧板的厚度：通过降低靠背左右侧板的厚度可以减小其刚度，从而减小胸部所受到的载荷。靠背左右侧板的厚度由1.6 mm调整值1.3 mm。

3) 调整靠背支撑板的厚度：通过调整靠背支撑板的厚度可以让胸部的加速度上升速度相对延缓，同时也可以起到降低胸部所受载荷的作用。靠背支撑板的厚度由2.5 mm调整至1.8 mm。

4) 调整靠背上横杆的厚度：头枕杆通过与靠背上横杆焊接在一起从而起到支撑头部的作用，因此增大靠背上横板的厚度也可以增强头枕杆整体的旋转刚度。靠背上横杆的厚度由1.4 mm调整至2 mm。

经过优化后的鞭打得分总分为3.54分，其中扣分项为NIC颈部损伤指标、上颈部弯矩和下颈部拉力值，其具体值分别为1.54分、0.90分和1.10分。详细的得分情况如表2所示。

表2. 鞭打试验得分对比表

图15~19为优化后单项得分还未达到满分的伤害曲线，其中图16和图17的伤害曲线经过公式(3)的运算后得到图15颈部伤害曲线，从图15中可知，NIC颈部伤害值的最大值在120 ms之前为13.03 m²/s²，发生在90 ms处，虽然伤害指标未低于高性能值8 m²/s²，但相比较初始值20 m²/s²，已经有了较大改善，从图16头部加速度与图17胸部加速度可知，胸部加速度相较于优化前有所降低，头部加速度在90 ms处的值也有所提高，因此由公式(3)计算得出的NIC值相比较之前有所降低。由图18可知，上颈部弯矩伤害最大值为23.20 Nm，发生在113 ms处，虽然未低于高性能值12 Nm，但相较于优化前35.85 Nm具有显著提升。图19为下颈部拉力，最大值为586 N，发生在117 ms处，虽然未低于高性能值257 N，但相较于优化前的836.98 N，也有一定的提升。

由伤害曲线分析可知，优化后的颈部伤害值有所降低，鞭打得分显著提高，座椅相关设计参数的优化结果较好。

图15. NIC伤害曲线

图16. 头部加速度曲线

图17. 胸部加速度曲线

图18. 上颈部弯矩伤害曲线

图19. 下颈部拉力伤害曲线

5. 结论

本研究基于2021版C-NCAP试验评价规程，对某款座椅进行鞭打试验，针对鞭打试验得分较低的问题建立座椅鞭打有限元模型，对鞭打试验不合格的指标进行对标，并基于对标合格的有限元模型提出优化方案与仿真结果分析。根据优化仿真结果分析可知：(1) 增加头部子系统的变形刚度和旋转刚度可以减小头部零部件的变形，增强头枕对头部的支撑作用，从而适当增大头部的加速度值；(2) 减小靠背子系统旋转刚度和变形刚度可以适当增大靠背的变形量，让乘员背部能更大程度地减小压力，从而降低乘员胸部的加速度。通过(1)、(2)的优化方式可以降低头部与胸部的加速度差，从而降低乘员颈部损伤。本研究相关的研究方法和研究思路可以大大节省座椅的开发成本与开发时间，并为后续其他座椅防挥鞭伤设计提供参考。

文章引用

赵 军,江圆迪,毛晨曦,刘会霞. 基于C-NCAP某座椅鞭打试验仿真和优化
Simulation and Optimization of a Seat Whip-lash Test Based on C-NCAP[J]. 建模与仿真, 2023, 12(02): 1500-1511. https://doi.org/10.12677/MOS.2023.122140

参考文献