基于正碰臺車試驗的座椅子系統安全性能研究

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正面碰撞臺車試驗的影響因素，在建立某商用車雙人副駕駛座椅有限元模型的基礎上，應用Hybrid Ⅲ第50百分位假人，搭建了座椅子系統正面碰撞臺車試驗的分析模型，然后用臺車試驗對仿真模型進行了驗證。通過正交試驗法，系統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、安全帶與腰部滑環的摩擦因數對假人H點前移量、下潛量的影響。研究結果表明：安全帶初始拉出量、假人與坐墊的摩擦因數對試驗結果影響顯著。

關鍵詞：正面碰撞；臺車試驗；前移量；下潛量；正交試驗

中圖分類號：U463.83+6 文獻標識碼：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來促進汽車制造商提升汽車的安全性能。座椅作為乘員約束系統的一部分，不僅要滿足消費者對舒適性的需求，還要滿足整車性能的要求，在汽車發生事故時為乘員提供安全保障，以達到國家標準。目前，國內外學者主要采用建立仿真模型的方法[1-32]（文獻[1]和[2]都來自國內學者，建議添加1～2個國外學者的相關參考文獻）進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效果，并借助響應面法對約束系統的設計參數進行了改進。Adomeit D 等[54] 提出了汽車碰撞中“下潛”的概念并在此基礎上研究了碰撞事故中乘員發生下潛對腹部損傷的影響，進而推動了后續對假人下潛預判和測量的研究[56-76]。

GB 11551-2014《汽車正面碰撞的乘員保護》屬于碰撞范疇的法規，在整車碰撞試驗中以假人的傷害值來判斷約束系統是否滿足保護乘員安全的要求。但在座椅開發階段，由于在座椅子系統臺車試驗中不帶儀表板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。不同主機廠對假人H點前移量和下潛量的要求不盡相同。

在整車開發流程中，為縮短開發周期，整車開發和座椅開發需同時進行。新開發的座椅需要進行子系統臺車試驗，試驗結果應滿足主機廠提出的要求，以此保證座椅在整車正面碰撞試驗中滿足保護乘員安全的要求。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臺車試驗結果的影響規律。

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、三點式安全帶、卷收器、滑環和臺車等。

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，該假人模型與試驗假人具有相同的響應特性，仿真度較高。使用前，在Primer軟件中調整假人姿態，使假人H點與座椅H點重合；假人軀干角與設計狀態一致；假人兩腳盡量往前伸，腳掌平放在地板上，地板角度與實車狀態相同；假人雙手置于大腿兩側（圖1）。

1.2 座椅模型

將在CATIA中搭建好的幾何模型導入到Hypermesh，劃分網格。為了準確模擬座椅主要研究結構件的特征，建模尺寸采用4～5 mm，同時對不關心的特征可以適當簡化。為了方便座椅與假人建立接觸關系，座椅的坐墊及靠背表層采用shell單元，而坐墊及靠背的內部發泡采用四面體實體單元。若直接將假人安放在座椅上，假人會和坐墊及靠背產生干涉，因此需要對座椅進行預壓，將假人H點壓到與實際狀態一致。預壓后的座椅如圖2所示。

1.3 其它部件和結構模型

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，走向盡量與真實情況一致。

采用*ELEMENT_SEATBELT_SLIPRING模擬安全帶上滑環和腰部滑環，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時采集到的右側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均采用這條曲線作為載荷輸入。搭建好的座椅子系統臺車試驗仿真模型如圖4所示。

在碰撞分析中，質量分布對結果的影響比較大，要對搭建好的模型進行質量和質心的調整，使其接近實際情況，以保證仿真模型的準確性。

2 仿真模型的驗證

為了確認所建立的模型是否有效，需要以臺車試驗結果來驗證仿真結果。模型的驗證是分步有序地進行的，座椅子系統模型的驗證按照從下至上的原則[87]，根據整車安全分解至座椅子系統的要求，以安全帶腰帶力、假人H點前移量最大值、假人H點下潛量最大值和假人的運動姿態來驗證模型的有效性。

2.1 假人安全帶受力及位移曲線對比

試驗前測得標記點的間距為d1=100 mm，如圖5所示，分析對比臺車碰撞試驗視頻，通過圖像追蹤法測得假人H點前移量最大值為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值，圖6 a為安全帶腰帶力的試驗與仿真結果對比，由圖可知，安全帶受力的初始時刻、波形走勢及受力峰值一致性較高。圖6 b為假人H點前移量的仿真位移曲線。圖6 c為假人H點下潛量的仿真位移曲線。

2.2 假人的運動姿態

座椅子系統臺車試驗整個過程約90 ms，按照0 ms，60 ms，90 ms三個時刻的假人狀態來對比。圖7為試驗和仿真中假人在不同時刻的運動姿態。t=0 ms時，假人的姿態按照要求擺放，試驗與仿真保持一致；t=60 ms時，假人腳尖翹起，腳跟貼在地板，雙手擺動到膝蓋下部，上半身姿態相同；t=90 ms時，假人腳跟離開地板，雙手擺動到膝蓋上部，頭部開始向下擺動。由圖可知，仿真與試驗中的假人運動姿態基本一致。

通過比較仿真與試驗中假人安全帶力、假人H點前移量和下潛量最大值，以及假人的運動姿態，可以說明該仿真模型能夠有效地模擬座椅子系統臺車試驗，可以作為基礎模型進行試驗設計。

3 試驗設計

假人H點前移量可以衡量假人在整車碰撞試驗中的受傷程度，前移量越大，假人的身體與IP接觸的風險就越高，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乘員安全的作用。假人H點下潛量過大，會使原本作用在假人髖部的安全帶因受力不均而發生滑落，脫離正常佩戴位置，從假人髖部滑向腹部，相應的載荷也會施加在假人腹部，在事故發生時造成乘員腹部軟組織挫傷。為探究影響假人H點前移量（Hx）、下潛量（Hz）的因素，采用正交試驗法設計試驗。正交試驗法是試驗設計方法的一種，在工程經驗和理論認識的基礎上，利用正交表來安排“均衡分散”的試驗，通過盡量少的試驗次數，找到各個因素不同水平對響應指標的影響規律，從而得到最佳方案[98]。

3.1 因素及水平選取

在正交試驗設計時，因素及其水平常常需要根據工程或者實際生產經驗選取，當然也可以根據理論分析選取關鍵參數作為試驗因素，但需要考慮到所選取的關鍵參數應當便于測量和實際試驗操作。因素及其水平數也不宜選取太多，否則會造成試驗矩陣十分龐大，使所需進行的試驗次數難以承受。本文根據經驗，結合試驗，提出了影響試驗結果的6點潛在影響因素：

（1）安全帶初始拉出量（A），是指自碰撞發生時起，至卷收器自動鎖死時刻，安全帶被拉出的長度。

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

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

每個因素根據工程經驗選取3個適當的水平。本文正交試驗設計制定的因素及其水平見表2。

3.3 數據分析

為了找出各因素對各響應指標的影響規律，采用極差分析法對數據進行分析。極差是一組數據中最大值和最小值之差，極差值越大表示該因素對響應指標的影響越大，該因素越關鍵；極差值越小表示該因素對響應指標的影響越小，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指標的極差分析結果。

根據極差分析結果，規定 為顯著影響， 為中等影響， 為輕微影響。因此，影響假人H點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、安全帶與下滑環的摩擦因數（ ）；影響假人H點下潛量的主要因素是：安全帶初始拉出量，以及假人與坐墊、安全帶與下滑環的摩擦因數。

圖8和圖9為各響應指標的響應均值圖。由圖可知各響應指標隨因素水平變化而變化的趨勢。由圖8可知，假人H點前移量（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點前移量的影響為顯著正相關；假人H點前移量（Hx）隨假人與安全帶的摩擦因數（B）增大而減小，因此假人與安全帶的摩擦因數對假人H點前移量的影響為中等負相關；假人H點前移量（Hx）隨假人與坐墊的摩擦因數（C）的增大先減少后增加，因此假人與坐墊的摩擦因數對假人H點前移量的影響為中等不明確確定趨勢。綜上，根據圖8和圖9折線的走勢，確定各響應指標隨因素水平變化而變化的趨勢是正相關、負相關或不明確趨勢。

能否對圖9進行描述？

依據響應均值圖，結合表4、表5中得所列的極差值，制定出座椅子系統正面碰撞臺車試驗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對H點前移量和下潛量的影響水平都在中等及以上，對試驗結果影響顯著。

4 結論

本文通過建立有效的仿真模型，借助于正交試驗法，對影響座椅子系統正面碰撞臺架試驗結果的因素進行了分析研究。研究結果表明，安全帶初始拉出量、假人與坐墊的摩擦因數對試驗結果影響最顯著。同時也得到了各因素不同水平對響應量的響應關系，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正面碰撞臺車試驗與仿真提供了參考。在座椅前期開發階段，座椅制造商可以通過改善卷收器的性能，選用摩擦因數較高的坐墊面料等方法，使假人H點前移量和下潛量降低，從而提升座椅的安全性能，在滿足法規要求的前提下，使座椅具有安全性能的富余量。

參 考 文 獻

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作者介紹：

責任作者：鄭松林（1958-），男，河南洛陽人。博士，教授，主要研究方向為車輛載荷特性、結構強度、振動及可靠性評價方法 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，主要研究方向為現代汽車設計理論、汽車安全與座椅性能分析。

Tel：13052070887

E-mail：619911621@qq.com。

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