汽车后排可翻转坐垫在正面高速碰撞中的优化

第1O期2014年10月机械设计与制造MACHINERYDESIGNMANUFACTURE95汽车后排可翻转坐垫在正面高速碰撞中的优化李仲兴，干金鹏，陈望江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江212013摘要以某车型为研究对象，建立了后排乘员约束系统的座椅一安全带一假人有限元模型，利用显式动力学软件LSDYNA仿真分析了50KMH正面碰撞中后排女性假人的各伤害指标，实车碰撞试验验证了仿真结果的有效性，在此模型基础上提出坐垫翻转系统，以坐垫翻转角度及起始翻转时刻为优化参数，对50KMH正面碰撞、56KMH与64KMH偏置碰撞等高速碰撞类型中假人的伤害指标进行优化，坐垫翻转系统对不同碰撞形式均可改进乘员伤害指标，并得出各类型碰撞中坐垫翻转参数的最优方案。关键词乘员约束系统；高速碰撞；后排座椅；坐垫翻转；LSDYNA中图分类号TH16；U46191文献标识码A文章编号10013997201410009504OPTIMIZATIONOFVEHICLEREARSEATCUSHIONROTATINGSYSTEMUNDERFRONTALHIGHSPEEDCRASHLIZHONGXING，GANJINPENG，CHENWANGSCHOOLOFAUTOMOTIVEANDTRAFFICENGINEERING，JIANGSUUNIVERSITY，JIANGSUZHENJIANG212013，CHINAABSTRACTANSEATSEATBELTDUMMYFEMODELOFREOL“OCCUPANTRESTRAINTSYSTEMWT2BUILTBASEDONASPECIFIEDVEHICLE，ANDEXPLICITDYNAMICSOJWARELSDYNAWASUTILIZEDTOSIMULATEANDANALYZEINJURYCDTERWNOFREARSEATEDFEMALEDUMMYUNDER50KMHFULLFRONTALCRASH，ANDSIMULATIONOUTCOMESWEREVALIDATEDBYCOMPARINGWITHSIGNALSFROMCRASHINGTESTACUSHIONROTATINGSYSTEMWASPUTFORWARDONTHEBASISOFTHESIMULATIONMODEL，TAKINGROTATINGANGLEANDINITIALROTATINGTIMEASTHEOPTIMIZATIONPARAMETERS，ANDCUSHIONROTATINGSYSTEMIMPROVEDDUMMYSINJURYCRITERION，ALSOOPTIMUMROTATINGMATCHESHADBEENFOUNDBYINVESTIGATINGDUMMYSINJURYCRITERIONUNDERVARIOUSTYPESOF蜘SPEEDCRASHESINCLUDING50KMHFULLFRONTAL，56KMHAND64KMHFRONTALOFFSETIMPACTKEYWORDSOCCUPANTRESTRAINTSYSTEM；HIGHSPEEDCRASH；REARSEAT；CUSHIONROTATING；LSDYNA1引言截止到2013年，全国机动车保有量已达到25亿辆，汽车驾驶人数量达到了21亿人。汽车工业的蓬勃发展，也带来了许多负面影响，汽车道路交通事故逐年上升作为影响之一，已成为重要的社会问题和潜在的生命杀手_L】。被动安全是汽车安全性能中重要的一环，被动安全陛能的好坏直接影响乘员的伤害情况，因此值得人们反复研究。目前人们对于汽车被动安全性能研究的对象大多集中于前排乘员，在汽车碰撞中，尤其是正面碰撞中对后排乘员安全的研究相对较少目。然而，后排座椅的利用率比较高，车祸中后排乘员的死亡率占总死亡人数的十分之一日，数目仍然比较庞大，所以后排乘员在碰撞中也存在潜在的危险。与安全气囊、安全带相比，乘员约束系统中坐垫动态性能对后排乘员伤害的分析还相对较少，值得继续挖掘和探索。文献用MADYMO软件建立了驾驶员与简化车体的多刚体模型，研究了前排座椅的翻转在碰撞时对乘客的损伤分析，结果表明，匹配了安全气囊、安全带、以及座椅坐垫的倾角可以显著降低对驾驶员的伤害，对正面碰撞中乘员的保护具有重大意义。文献用MADYMO模型建立了车辆简化模型，研究了正面碰撞中后排乘客的保护研究。结果表明，车辆碰撞时后排坐垫的倾角固定为25。的时候，可以降低乘员头部和胸部的损害。文献【均只对正面50KRNH台车碰撞进行了分析，既没有进行实车碰撞，也没有展开多碰撞类型的研究。因此，为了进一步研究坐垫翻转对乘员伤害的改进，有必要对不同车速、不同类型的正面高速碰撞进行综合分析与优化。2有限元仿真模型的建立乘员约束系统有限元仿真模型主要包括座椅与地板、假人与安全带、接触定义以及碰撞加速度场的输入。21座椅一地板模型座椅坐垫及靠背的结构分为三层外层为壳单元，模拟座椅的皮革层，并用来定义与假人之间的接触；中层为泡沫实体单元，模拟座椅内部的真实海绵结构，其密度和弹性模量分别为502KGM，5463MPA，其非线性应力应变曲线由试验获得；底层来稿日期20140310基金项目国家自然科学基金51075190；江苏省2012年度普通高校研究生科研创新计划项目CXZZ12_0691作者简介李仲兴，1963一，男，上海人，教授，博士生导师，主要研究方向车辆控制、车辆安全技术96李仲兴等汽车后排可翻转坐垫在正面高速碰撞中的优化第1O期为壳单元，模拟底部板材，在假压缩座椅时可起到结构支撑的作用，其密度、弹陆漠量及泊松比分别为800KGM3,0842GPA，03固。车辆地板简化为二维刚体模型，可对其输人实车碰撞的加速度场。为了缩短运算时间，地板的设计只考虑其与假人双脚的接触区域即可，因此地板模型中使用100100MM的网格。2_2假人与安全带系统模型中的假人为某公司研制的混三型HYBRIDIII第五百分位有限元假人。该假人由119个不同的部件组成，包含51个壳部件、59个实体部件、2个一维部件以及7个离散部件。通过对位置及姿态的调整，可完成假、在模型中的定位。安全带使用一维、二维安全带单元混合建模，其中与假人肩部、髋部接触的部分采用二维单元，不接触部分采用一维单元。织带材料的应力应变特陛、卷收器的加载卸载特陛均由试验中获得，预紧器限力值为1800N。23接触定义在定义接触时，需根据接触面的不同来定义各组接触中的摩擦系数。经多次仿真与试验结果对比后确定的各主要接触的摩擦系数，如表1所示。表1主要接触摩擦系数TAB1FRICTIONCOEFFICIENTFOREACHCONTACT接触摩擦系数安全带一假人后排座椅一假人前排座椅一假人肩部安全带滑环腰部安全带滑环地板一假人O3O403O202O524加速度场的输入将实车50KMH正面100重叠刚性壁障碰撞试验采集到的中央通道处的加速度信号进行滤波，截止频率为60HZ，输入到仿真模型中。加速度信号，如图1所示。LSDYNA有限元模型，如图2所示。100一一LO,20一304050，、一02O406O8O100120140时间MS图150KMH碰撞加速度信号FIG1ACCELERATIONSIGNALFROM50KMHCRASH图2乘员约束系统有限元模型FIG2FEMODELOFOCCUPANTRESTRAINTSYSTEM3模型验证与后排坐垫翻转系统的设计31乘员胸部指标的验证试验与仿真的胸部合成加速度一时间曲线，如图3所示。碰撞初始40MS内，两条曲线均没有大幅度变化。由于J质性，假人在前倾过程中胸部与安全带发生挤压而产生的阻力；因假人在碰撞前与车辆具有相同的初始速度，会产生较大的惯性力，故加速度曲线在40100MS间出现尖峰段。碰撞试验与仿真模型曲线的峰值比较吻合，且峰值时刻也较为接近。图3胸部合成加速度FIG3RESULTANTACCELERATIONOFTHECHEST32乘员颈部指标的验证颈部合成力一时间曲线，如图4所示。图中反映出假人的颈部剪切力在LOOMS左右时出现峰值，大小约为225KN。珍图4颈部合成力FIG4RESULTANTFORCEOFTHENECK33乘员头部指标的验证头部合成加速度一时间曲线，如图5所示。仿真与试验曲线在峰值、曲线形状及走势上的吻合度均较高。凝禽IR。，I图5头部合成加速度FIG5RESULTANTACCELERATIONOFTHEHEADNO100CT20L4机械设计与制造经计算，仿真模型中对假人头部合成加速度、胸部合成加速度、胸部压缩变形量、颈部合成力等伤害指标与试验结果误差较小，在5以内，故该模型能够比较准确地反应出试验中假人的伤害指标，因此可将此仿真模型作为基本模型进行后续研究。34后排坐垫翻转系统的设计座椅坐垫翻转系统对乘员保护的原理是在车辆发生正面碰撞时，安全气囊ECU检测到碰撞信号，在发送安全气囊点火指令的同时，向座椅执行机构发出翻转指令，使座椅坐垫按照事先设计好的轴线沿Y轴向后翻转一定角度。车辆正面碰撞可分为低速碰撞、中速碰撞和高速碰撞，某一车速下其具体的翻转角度需要通过分析来确定。4坐垫翻转参数在高速碰撞中的优化后排座椅坐垫翻转参数包括翻转角度和起始翻转时刻，采用四种不同的坐垫倾角1O。，15。，2O。及25。及四种不同的起始时刻10MS，20MS，30MS及40MS。讨论的高速碰撞类型包括50KMH正面刚性壁障碰撞、56KMH与64KMH正面偏置可变形壁璋碰撞。优化目标为假人的伤害指标，主要包括头部伤害指标HICMC。及头部合成加速度；胸部3MS累积加速度及压缩变形量；颈部合成力与合成力矩等。HIC的计算方法为；1F25日，C【JSUTANTDT。121式中。头部合成加速度，单位为GV蠢202ZJ4150KMH正面刚性壁障碰撞坐垫参数优化四种不同坐垫翻转角度下该系统对后排乘员保护效果的对比，如表2所示。表2坐垫翻转角度对乘员保护效果TAB2OCCUPANTPROTECTIONBYVARIOUSCUSHIONROTATINGANGLES其中20。倾角的坐垫翻转系统比没有坐垫翻转系统的假人头部合成加速度降低了149、HIC降低了12I3、HIC。降低了223；假人胸部3MS累积加速度值降低了73、压缩变形量降低了22O；颈部合成力改进了85、颈部合成力矩改进了168。因此20OF顷角翻转系统对乘员的改进效果最为明显，故采用该系统作为基础，进而研究翻转时刻对乘员伤害指标的影响。不同翻转起始时刻对乘员的保护效果，起始时刻的时间间隔为10MS，0MS为初始时刻改进前的模型对与改进起始时刻后假人伤害指标，如表3所示。表3坐垫翻转起始时刻对乘员保护效果TAB3OCCUPANTPROTECTIONBYVARIOUSROTATINGINITIATIONS在碰撞开始后20MS内，由于车辆部件的吸能，导致加速度变化并不明显，因此翻转时刻选在20MS之前对假人的伤害指标改进幅度都比较小；而假人在20MS之后开始出现与约束系统间的相对运动，并且伤害加速度伴随着车辆减速度的迅速增大而迅速增加。若把坐垫翻转起始时刻定在20MS处，可以在假人相对静止与相对运动的临界点附近，通过座椅坐垫的翻转来减小假人向前运动的幅度，从而降低其伤害值。因此在正面50KMH正面刚性壁障碰撞中，座椅从20MS时开始翻转20。是最优选择。4256KMH与64KMH偏置可变形壁障ODB碰撞坐垫参数优化实车测得的正面56KMH与64KMH偏置可变形壁障碰撞试验、Y轴加速度曲线，如图6所示。由于将车辆正向行驶的左侧作为Y轴正向，因此车辆前部左面40区域与壁障碰撞后，由于不完全重叠，车辆纵轴线会向L，轴负向偏移，Y轴加速度信号出现负向值。将、L，轴减速度信号分别输人到LSDYNA仿真模型中，可得出后排乘员的伤害指标，如表4所示。时间M8图656KMH、64KMH偏置碰撞X、Y轴加速度信号FIG6YAXISACCELERATIONOF56AND64KMHOFFSETCRASH表456KMH偏置碰撞不同坐垫翻转角度的假人伤害指标TAB4INJURYCRITERIAOFDUMMYBYVARIOUSCUSHIONROTATINGANGLEJN56KMHODBCRASH98机械设计与制造NO100CT2014对于正面56KMH偏置可变形壁障碰撞，2O。倾角模型具有最佳的保护效果头部HIC36改进122、HIE。改进120、头部合成加速度改进113；胸部压缩量可比原模型改进135；颈部合成力改进268。因此对倾角为2O。的模型进行坐垫翻转起始时刻的研究，得出该翻转角度下不同翻转时刻对假人伤害指标的对比，如表5所示。表556KMH偏置碰撞不同坐垫翻转时刻的假人伤害指标TAB5INJURYCRITERIAOFDUMMYBYVARIOUSCUSHIONROTATINGINITIALTIMEIN56KMHOFFSETCRASH在各坐垫翻转起始时刻对乘员伤害指标的影响中，LOMS模型对伤害的改进量最大头部HIC改进64、HIC改进27、合成加速度改进123；胸部压缩量可比原模型改进43；颈部合成力可改进37。因此在正面56KMH偏置可变形壁障碰撞中，后排座椅坐垫翻转20。，并且在10MS处开始翻转为最优翻转角度与起始时刻。对于正面64KMH偏置可变形壁障碰撞，先确定最佳翻转角度，如表6所示。64KMH偏置碰撞不同坐垫翻转时刻的假人伤害指标，如表7所示。表664KMH偏置碰撞不同坐垫翻转角度的假人伤害指标TAB6INJURYCRITERIAOFDUMMYBYVARIOUSCUSHIONROTATINGANGLEIN64KMHODBCRASH表764KMH偏置碰撞不同坐垫翻转时刻的假人伤害指标TAB7INJURYCRITERIAOFDUMMYBYVARIOUSCUSHIONROTATINGINITIALTIMEIN64KMHOFFSETCRASH在各坐垫翻转角度对乘员伤害指标的影响中，25。模型对伤害的改进量最大头部HIC36改进128、HIC改进200；胸部压缩量可比原模型改进168；颈部合成力与合成力矩可分别改进97和L18。因此对倾角为25。的模型进行坐垫翻转起始时刻的研究，如表3表6所示。10MS模型对伤害的改进量最大，故坐垫在10MS处翻转25。为最优参数匹配。5结论1建立了后排乘员约束系统有限元模型，对模型进行了仿真，并通过试验数据，以假人伤害指标为对象进行了模型验证。2提出了后排座椅坐垫倾角系统，设置了坐垫翻转角度和起始翻转时刻这两个参数，分别对不同高速碰撞类型中坐垫翻转参数进行了优化。结果表明50KMH正面碰撞中，翻转系统于20MS启动并翻转20。；56KMIL偏置碰撞中，于10MS启动并翻转20。；64KMH偏置碰撞中，于L0MS启动并翻转25。可对后排的乘员提供最佳保护。参考文献1YACINEREBAHIANIPBASEDPLATFORMFOREMERGENCYCALLSANDREPORTINGJINTERNATIONALJOURNALOFCRITICALINFRASTRUCTUREPROTECTION4，20111371532金正男轿车后排座椅系统有限元仿真分析研究D长春吉林大学，201256JINZHENGNANFINITEELEMENTSIMULATIONANDANALYSISONCARREARSEATJCHANGCHUNJILINUNIVERSITY，2012563张绍卫，杜亮，刘意正面碰撞第二排女性假人伤害影响因素研究J上海汽车，20225862ZHANGSHAOWEI，DULIANG，LIUYIRESEARCHOFTHEINFLUENTIALFACTORSOFTHE2NDROWFEMA1EDUMMYINFRONTIMPACTJSHANGHAIAUTO，2012258624孟翔，王宏明基于ADAMS的汽车座椅冲击强度研究J机械设计与制造，200711166168MENGXIANG，WANGHON