于 跃，袁 哲，赵 民，王 宇

（1.沈阳建筑大学机械工程学院，辽宁 沈阳 110168；2.上海鸿仿汽车技术有限公司，上海 201506）

1 引言

挥鞭伤是由于汽车后部受到撞击后靠背带动躯干前移而头部滞后产生速度差所引起的[1]，挥鞭伤虽不致命，但也极大的危害了人体颈部安全，所以各国研究者一直致力于研究具有出色抗鞭打能力的座椅结构方案，目前在符合座椅结构强度标准前提下，提高座椅抗鞭打能力主要从两个方向出发，一方面文献[2]通过保证结构强度的同时改变结构设计参数，文献[3]利用仿真软件模拟碰撞，得到碰撞数据，经分析提出改进方案。另一方面如文献[4]是改用主动式头枕机构，主动贴附头部避免颈部受到强大的扭矩。改变机构设计参数这种方法提高了效率同时也节约成本，但座椅抗鞭打能力是多个因素相互影响制约的，缺少一个科学的多目标优化方法可能会使优化程度难以达到最佳，文献[5]将座椅需要优化的因素建成数学模型利用神经网络和遗传算法进行多目标优化，此方法需要大量的模型数据，计算量巨大效果欠佳。主动式头枕机构同样存在弊端，纯机械结构的主动式头枕响应效果差，机电结构的主动式头枕可靠性差，造价成本高，难以在普通汽车中普及。因此非主动式座椅效果好，应用范围广，与此同时寻找科学的参数寻优方法也是必要的。同样利用模拟仿真方法，在提出改进方案时拟定多个因素、多阶水平，利用正交试验方法综合选取最优参数，较以往方法而言优化方法简单可行，优化过程方向明确，优化程度更高。

2 目标座椅抗鞭打性能分析

2.1 有限元模型的建立

选取某汽车厂的F517款驾驶员座椅模型，利用汽车座椅仿真建模软件Hypermesh对主驾座椅数据进行建模，为提高碰撞仿真精度，选用四边形和三角形混合单元，三角形单元数量控制在5%内，单元尺寸控制在（5～8）mm，网格长宽比不大于 5：1，雅可比不超过0.65，翘曲小于15，并且设定部件材料及厚度，因所有预紧连接部位对模拟分析影响甚微，所以所有的焊接与螺栓连接都用刚性连接。以此建立座椅有限元模型，如图1所示。BioRIDll型假人是一种建模非常详细的模型，如图2所示。建立了颈部、脊柱、骨盆等仿真细节，适合做追尾碰撞的仿真实验，座椅模型建好后放入BioRID II型假人，调整好座椅处于初始化位姿。调整干涉、建立接触、参考加载波形搭载运动条件后待计算，如图3所示。

图1 座椅仿真模型Fig.1 Seat Simulation Model

图2 假人安放模型Fig.2 Dummy Placement Model

图3 C-NCAP鞭打加载波形Fig.3 C-NCAP Whiplash Load Waveform

2.2 C-NCAP鞭打试验及评分规则

C-NCAP（2018版）中规定在移动滑车上按照原车的配置放置座椅和约束系统，滑车以速度变化量为（20.0±1.0）km/h的特定加速度波形发射，模拟被追尾的过程。BioRID II型假人被固定在座椅上，通过传感器获得实验时的数据，并且进行计算得出参考分值从而评价车辆座椅保护效果的好坏。总体评分原则，如表1所示。鞭打试验满分为5分，实验得出三组测量数据，第一组为颈部伤害指数（NIC）最高分为2分。第二组为上颈部载荷和扭矩，最高分为1.5分。第三组为下颈部载荷和扭矩，最高分为1.5分。CNCAP中给出了标准伤害指数，各项包含一个高性能限值和一个低性能限值，分别对应最高分和0分，位于区域间的数值用线性插值法计算最终得分。另外头枕干涉头部空间、靠背最大动态张角、座椅滑轨动态位移不合格的，会给予2分、2分和5分的罚分。

表1 鞭打试验总体评分原则Tab.1 Overall Grading Principle of Whiplash Test

2.3 基于C-NCAP的仿真计算及结果分析

利用求解器LS-dyna进行计算，从输出的文件中可得到相关的数据结果，从假人的模型颈部预设点可以提取出C-NCAP中需要的头部质心加速度、上颈部载荷、上颈部力矩、下颈部载荷、下颈部力矩、胸部T1加速度（左/右），将得到的各项数据运用到实验得分计算公式上即可算出此座椅目前的鞭打仿真试验得分[6]，如表2所示。可以看出座椅整体鞭打得分为2.8分，抗鞭打能力偏低，其中NIC、上颈部扭矩、下颈部扭矩为主要低分项，按目前的分数来看还有改进的空间。

表2 座椅鞭打得分表Tab.2 Score Table of Seat Whiplash

3 优化方案

3.1 多目标优化方法的选择

座椅是由多个部件构成，影响座椅抗鞭打能力的因素有很多，主要集中在座椅与驾驶员关系方面。因此确定座椅抗鞭打优化方案要考虑的影响因素就要与人互相关联，由仿真动画及各部件受力数据和文献[7]的研究中可以确定影响座椅抗鞭打能力的因素主要为头枕高度、假人头后间隙、靠背宽度、头枕宽度[8]。此问题就是典型的多目标优化问题，根据优化问题特性，选取正交试验方法来寻求最优解是一种合理可行的方法。

3.2 目标参数与目标变量的选取

以现有模型的设计参数对影响因数大的4种因素根据实际经验分别设计三个水平，得到四因素三水平的正交试验设计。待优化座椅初始数据为：头枕高度55mm，头后间隙51.0mm，靠背宽度527.7mm，头枕宽度220.6mm。待优化座椅参数原始数值设为0，另两组值在原始数值上增减。正交试验的因素水平表，各因素通过实际的经验选取了合理的调试范围，如表3所示。

表3 因素水平表Tab.3 Factor Level Table

3.3 正交试验设计

根据因素水平表开始进行正交试验组的编排制成一个L9（3，4）的正交实验，如表4所示。参考9组实验分别修改模型各部位参数后进行仿真计算。以C-NCAP管理规定鞭打实验计算规则算取座椅性能得分汇总制表如下。表中：Kn—所有采用某因素第n个水平时C-NCAP评分的和；km—Kn平均值，极差R是Km中极差最大值，极差R大小顺序即是影响因数大小顺序，优水平即是K最大值代表的水平。

表4 正交试验表Tab.4 Orthogonal Test Table

3.4 极差分析

经过仿真计算及数据处理得到各组的得分情况并进行极差分析，分析极差R大小顺序以此得出对于座椅抗鞭打能力影响因数由大到小分别是：靠背宽度0.33，头后间隙0.20，头枕高度0.17，头枕宽度0.13。靠背宽度主要影响了座椅整体的受力面积和结构强度，所以也是最主要的影响因素；头后间隙主要影响头部触碰头枕所需时间，进而影响脊柱部与头部相对于座椅向后方向运动的同步性；头枕高度主要影响头枕杆受力大小进而影响头部与脊柱部运动同步性；头枕宽度在本试验中影响最小，轻微影响头枕吸能的能力。

3.5 优化参数的验证

通过正交试验确定了一组优组合，如表4所示。其各因素的改进值为：头枕高度提高5mm、头后间隙不变、靠背宽度缩窄4mm、头枕宽度增加5mm。修改模型再次进行仿真计算得到改进模型仿真结果与初始模型相对比，如图4所示。可以看出各指标均有提升，同时此改进模型头部与头枕部触碰时间更提前，如图5所示。头部更早的得到头枕的保护及缓冲，使得头部与身体运动更同步，鞭打实验得分有了进一步提高，经计算为3.8分满足了优化指标。

图4 改进模型数值对比Fig.4 Numerical Comparison of The Improved Model

图5 头部接触头枕时刻Fig.5 Head Contact With Head Pillow Moment

座椅对乘车人颈部的保护是不容忽视的，在仿真实验中尽量找出优秀合理的设计参数，同时要在实物实验中趋于实际，例如假人与靠背间摩擦力不宜过小防止假人过度向上窜动，实验之前假人预先放置在座椅上半小时，模拟实际座椅发泡形变。

4 结论

对汽车座椅模型进行仿真实验分析，可以有效的减少研发成本缩短，研发周期，利用正交试验的方法可以在多目标优化中使优化具有方向性，还可以得到各因素影响权重的主次顺序，并可以产生一个优组合实现多目标优化。座椅的抗鞭打能力就是保持头部与身体同步运行的能力，其中靠背宽度是重要的影响因素，它决定整体结构强度及防变形能力，在不影响整体强度的情况下合理缩窄靠背宽度可以使座椅受撞击时整体变形过程更有利于保护颈部，头枕位置摆放的合理性同样决定座椅抗鞭打表现，在多个优化目标并存的情况下无法确定单项最优数值，需要成组寻优找寻最优参数组。