翟锡杰，李 伟，王昌胜，胡丕君，许 炜，朱江明，

（1.浙江零跑科技有限公司，杭州 310053；2.浙江大华技术股份有限公司 杭州，310053）

在各类交通事故中，人体头颈是最常见的致伤部位，尤其在汽车追尾碰撞事故[1-3]中，颈部伤害的比例高达77.1 %。国际标准化组织、美国IIHS等针对汽车追尾碰撞对乘员颈部伤害产生机理进行了研究，并制定了相应的法规和安全性评价体系；欧洲Euro-NCAP 也于2008 年将汽车追尾碰撞颈部伤害列入安全性评价体系。而中国为了评价车辆在追尾碰撞事故中乘员颈部所受“挥鞭伤”的程度，在2012版C-NCAP星级评价体系[4]中增加了新的考核试验项目——鞭打试验。但是，2012版C-NCAP推广至今，通过研究发现其中的一些评价标准难度有所降低，为了更好地保护乘客的安全，于2015年正式提出了新版评价标准。2015版C-NCAP比2012版更加严格，而今年提出的2018版C-NCAP则是基于2015版对乘员上下颈部伤害值的权重进行加权处理，相对于2015版会更加宽松。因此，本研究以2012版与2015版为基础进行比较分析。

本研究以目前已量产的车型为基础进行鞭打试验，建立仿真模型，并进行对标分析，得到座椅参数对鞭打性能的影响趋势及影响度，将所得到的结论应用到实际的性能开发中。

1 2012版与2015版C-NCAP比较

随着2015版C-NCAP[5]的发布，得分的难度也随之上升，而在鞭打试验方面，其与2012版相比主要的差别见表1。

表1 2012版与2015版C-NCAP差别

由表1可知，整体计算得分的方式发生变化，本来在 NIC得分方面就比较困难，这种改变使其得高分的难度加大，并且新版对座椅动态张角的要求更加严格。从表2[6]可以看出2012版与2015版C-NCAP的差距。

表2 2012版与2015版鞭打试验得分对比

由表2可知，一些车型在2012版C-NCAP中的得分尽管达到了满分，但在2015版C-NCAP中得分不到3.4分。这只是这两版鞭打试验得分中摘录的一部分，说明2015版C-NCAP得高分的难度较2012版大。

2 仿真模型

由于缺少座椅相应的材料属性，同时考虑到有限元计算效率的局限性，本研究以多刚体仿真模型[7]作为基础模型，进行一系列的仿真分析优化计算等。

由于2015版C-NCAP中，得分的难点主要集中在NIC方面，因此对标结果主要以NIC为主，并且综合考虑其它伤害值的影响。所建立的模型如图1所示，仿真及对标曲线对比如图2所示。

图1 仿真模型

图2 仿真及对标曲线对比

仿真拟合度误差α为：

式中：m为试验曲线的峰值；n为仿真曲线的峰值；α为曲线拟合度误差。

α≤5%即为满足要求，而α1=4.76%，说明两条曲线的拟合程度比较一致，仿真模型能够比较好地模拟出试验的情况。

3 各参数的影响趋势及影响度

本研究着重考虑头后间隙、头枕高度、头枕刚度、上靠背刚度、下靠背刚度以及调角器刚度等因素对座椅性能的影响趋势。

通过对仿真模型的各个参数分别取值，见表3，利用DOE方法[8]依次进行仿真计算，并对所得到的数据进行整理分析。

通过将表3中的各个参数带入到仿真模型中进行计算，可以得到一系列的关于假人颈部的伤害值[9-10]。将这些伤害值分类处理之后，可以得到如图3～9所示的结果。

表3 性能参数取值

图3 各因素对上颈部剪切力的影响趋势

图4 各因素对上颈部拉伸力的影响趋势

图5 各因素对上颈部弯矩的影响趋势

图6 各因素对下颈部剪切力的影响趋势

图7 各因素对下颈部拉伸力的影响趋势

图8 各因素对下颈部弯矩的影响趋势

图9 各因素对NIC的影响趋势

由图3～9中的变化趋势可知，这些因素对上颈部剪切力、上颈部拉伸力、下颈部剪切力等的影响因素比较复杂，但是这三项对颈部伤害值得分的影响程度较低，见表4。因此，对这几项参数所造成的影响度[11]进行分析时，这几项的影响可以忽略。为研究这几个座椅参数对其余4个颈部伤害指标的影响，采用极差分析法[11]（简称R法）对主要参数进行了正交试验分析。利用极差分析法可以得到各个参数对上颈部弯矩、下颈部拉伸力、下颈部弯矩以及NIC的影响程度，如图10～13所示。

图10 各因素对上颈部弯矩的影响度

图11 各因素对下颈部拉伸力的影响度

图12 各因素对下颈部弯矩的影响度

图13 各因素对NIC的影响度

由图10～13可知，在上颈部弯矩的影响度中，占主要因素的分别为调角器刚度、头枕高度和头后间隙；在下颈部拉伸力的影响度中，占主要因素的分别为头枕高度、头后间隙和调角器刚度；在下颈部弯矩的影响度中，占主要因素的分别为头枕高度、调角器刚度、头枕刚度、上靠背刚度、下靠背刚度和头后间隙；在NIC的影响度中，占主要因素的分别为头后间隙、调角器刚度、上靠背刚度、头枕刚度、头枕高度和下靠背刚度。

因此，在给座椅供应商制定性能目标时，按照不同的座椅性能提出不同的参数要求，特别是座椅调角器的刚度，在产品设计初期务必对其提出可靠的性能要求，这一点必须引起重视。

4 案例分析

在某一项目前期开发阶段制定的安全目标是2012版C-NCAP（总分62分）碰撞得分56分，但由于规则更改，2015版C-NCAP总分变为61分，并且座椅鞭打试验得分难度增大。前期座椅的鞭打试验得分按照2012版C-NCAP规则，得到3.3分，但是换算成2015版规则，得到2.49分，见表4，不满足3.5分的性能要求。

前期基础鞭打试验的假人伤害值得分见表4，座椅的初始状态如图14所示。

由表4可知，上颈部弯矩扣分非常严重，其次是NIC，再次就是下颈部弯矩。后续的优化会主要以这3个伤害值作为最终目标，在保持其它伤害值不增大的前提下，尽量提升这3个伤害值的得分。

根据上文得出的结论来看，要想减小上颈部弯矩、NIC以及下颈部弯矩这些伤害值，均需要考虑调整调角器的刚度。但是，由于本项目已经处在项目开发的中期，如果调整调角器刚度则存在法规项以及扣分项的风险，所以调角器的刚度因素不在此阶段考虑。

表4 初始状态鞭打试验得分表

图14 座椅初始状态

结合上颈部弯矩伤害值影响曲线（图3）以及影响度（图10），可以看出关键因素是头枕高度、头后间隙，其次是上靠背刚度、下靠背刚度；结合NIC伤害值影响曲线（图9）以及影响度（图13），可以看出关键因素是头后间隙，其次是上靠背刚度、头枕刚度；结合下颈部弯矩伤害值影响曲线（图8）以及影响度（图12），可以看出关键因素是头枕高度，其次是头枕刚度、上靠背刚度、下靠背刚度。

通过以上说明，可以提出的修改方案如图15所示。

图15 修正之后的座椅状态

具体的修改方案：（1）减少头后间隙，由原先的40 mm调整为15 mm，通过将头枕杆角度17.5°调整为9°并增加头枕厚度来实现。（2）增大头枕的高度，由原先的-10 mm调整为0 mm。（3）减少头枕刚度，通过增加头枕的厚度来实现。（4）增加上靠背的刚度，通过削减上靠背上面的泡棉来实现。按照以上方案进行鞭打试验，得到如图16～18的试验曲线。

图16 NIC伤害值曲线

图17 上颈部弯矩伤害值曲线

图18 下颈部弯矩伤害值曲线

由图16～18可知，NIC、上颈部弯矩以及下颈部弯矩的峰值有了非常明显的改善，具体得分见表5。

由表5可知，与初始状态的得分进行比较，在NIC、上颈部弯矩以及下颈部弯矩得分方面提升非常明显，并且也满足最初设定的性能要求。这说明这次方案比较好地解决了座椅开发过程中不能够满足鞭打试验性能的问题，为后续项目开发提供了更多的经验。

表5 方案修改后鞭打试验得分表

5 结论

通过对以上数据、图示、表格的分析处理可以得出以下结论。

（1）影响NIC伤害值的参数主要是头后间隙及调角器刚度，通过减小头后间隙并适当地调大调角器刚度，可以减少NIC伤害值；上颈部弯矩则可以通过调整调角器刚度、头后间隙及头枕高度来减小伤害值；而下颈部弯矩则主要通过调整头枕高度及调角器刚度来减小。

（2）本文从仿真角度找到了影响鞭打试验中假人伤害值的各个因素的影响趋势以及影响程度，再把这些结论应用到实际的项目开发过程中，并且比较好地解决了实际存在的问题。