蘇亮

（廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司，福建廈門361023）

基于客車約束隔板靈敏度參數(shù)設(shè)計的乘員損傷研究與優(yōu)化

蘇亮

（廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司，福建廈門361023）

以客車約束隔板為研究對象，以LS-DYNA為仿真分析工具，采用正交試驗設(shè)計方法，進(jìn)行約束隔板參數(shù)靈敏度的研究，從而找出對乘員加權(quán)損傷指標(biāo)（WIC）影響較大的設(shè)計參數(shù)。約束隔板參數(shù)優(yōu)化后，

乘員WIC比初始值降低了47.7%，優(yōu)化效果顯著。

客車；約束隔板；乘員損傷；正交試驗；靈敏度參數(shù)

GB 13057-2014[1]取消了客車座椅及約束隔板強(qiáng)度的靜態(tài)試驗方法，規(guī)定客車座椅及約束隔板的強(qiáng)度試驗必須采用動態(tài)試驗方法，明確提出了假人的傷害指標(biāo)。座椅、約束隔板及安全帶是客車座椅約束系統(tǒng)中最重要的組成部件，在發(fā)生交通事故時能防止或減輕乘員受到二次碰撞的傷害[2-5]。由于約束隔板的設(shè)計變量較多，各個設(shè)計變量對乘員損傷的影響程度各不相同；同時，變量之間還可能存在一定的交互效應(yīng)。故本文從系統(tǒng)級別出發(fā)，通過正交試驗設(shè)計[6-7]方法，篩選出對乘員加權(quán)損傷指標(biāo)（WIC）影響較大的設(shè)計變量，并進(jìn)行優(yōu)化，找到可以充分發(fā)揮乘員約束隔板效能的較優(yōu)值，從而大大降低乘員WIC。

1 仿真模型建立及驗證

本文旨在研究碰撞過程中約束隔板對假人的保護(hù)作用，因此乘員約束系統(tǒng)仿真模型主要包括約束隔板、輔助座椅、假人及兩點(diǎn)式安全帶。為有效建立仿真模型，先進(jìn)行約束隔板的動態(tài)試驗。試驗結(jié)果顯示，左側(cè)假人傷害較大，因此本文仿真以左側(cè)假人為研究對象，應(yīng)用LS－DYNA[8]建立乘員約束系統(tǒng)仿真模型，如圖1所示。

圖1 有限元仿真模型

1.1 建立仿真分析模型

1）座椅、約束隔板及臺車的有限元模型。從某客車CAD模型中截取帶約束隔板的一段進(jìn)行有限元處理，最終得到約束隔板動態(tài)試驗仿真分析的有限元模型，共有1D單元2 547個，2D單元485 906個，3D單元245 308個，最小單元尺寸為3.2，三角形單元占比為2.6%。其中，主要材料的本構(gòu)關(guān)系為：有限元安全帶采用34號材料*MAT_FABRIC；靠背及座墊泡棉采用57號材料*MAT_ LOW_DENSITY_FOAM，泡棉材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示；座椅骨架等彈塑性材料采用24號材料*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY，材料塑性應(yīng)變失效參數(shù)FAIL設(shè)置為0.2，則當(dāng)材料塑性應(yīng)變達(dá)到0.2時，材料失效，單元被刪除；對于對接焊，采用剛性單元*CONSTRAINED_NODAL_RIGID_BODY進(jìn)行模擬，當(dāng)剛性單元所連接的彈塑性單元的應(yīng)變達(dá)到FAIL所設(shè)定的數(shù)值時，彈塑性單元被刪除，間接模擬對接焊失效。點(diǎn)焊則采用100號材料*MAT_SPOTWELD，設(shè)置焊點(diǎn)材料有效塑性應(yīng)變失效參數(shù)EFAIL，則當(dāng)焊點(diǎn)材料的有效塑性應(yīng)變值達(dá)到EFAIL所設(shè)定的值時，材料失效，焊點(diǎn)被刪除。

圖2 泡棉材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2）乘員坐姿定位。GB 13057-2014[1]規(guī)定約束隔板的動態(tài)試驗分兩次進(jìn)行，其中試驗1采用50百分位的TNO10型假人，主要考察約束隔板在受到?jīng)_擊載荷作用下的變形情況（即考察約束隔板的強(qiáng)度）；試驗2采用50百分位的HybridⅢ假人[8]，主要考察約束隔板與假人發(fā)生碰撞時，假人的傷害情況。

為使分析結(jié)果更接近實際，在進(jìn)行假人損傷仿真分析時，先進(jìn)行預(yù)模擬分析。即根據(jù)座椅廠家提供的座椅R點(diǎn)、靠背角、座墊角等信息，調(diào)整假人模型到舒適的位置，然后把假人模型向上偏離椅面一定距離，使假人受到1 g的重力加速度作用與座墊表面接觸并產(chǎn)生變形，利用關(guān)鍵字*INTERFACE_SPRINGBACK_LSDYNA輸出含有應(yīng)力應(yīng)變信息的座墊模型，以此替換原來的座墊模型。在完成預(yù)模擬后，將假人的H點(diǎn)定位到預(yù)模擬時的位置，然后再進(jìn)行有限元安全帶的建模，可以使安全帶與假人貼合得更好。

3）邊界條件輸入。該模型以加速度場為輸入條件。對模型施加Z方向的重力加速度及對臺車施加水平方向向后的加速度。水平向后的加速度曲線為試驗場試驗時所采集到的臺車加速度數(shù)據(jù)，如圖3所示，加速度曲線保持在法規(guī)所要求的限定曲線之間。

圖3 水平加速度曲線

為了保證計算結(jié)果的可信度，首先要對仿真模型的有效性進(jìn)行驗證。當(dāng)然，仿真模型是很難做到與實際狀態(tài)百分百相吻合的。不同的問題對模型有效性的要求也是不一樣的。對于如本文研究的一般性問題，仿真模型與試驗的誤差在15%以內(nèi)就可以認(rèn)為模型是有效的[9]。在本次的研究中，把假人頭部合成加速度曲線、胸部合成加速度曲線、假人頭部損傷HIC值、胸部加速度及大腿軸向壓縮力等仿真分析結(jié)果與試驗測試結(jié)果相比較，來驗證仿真分析模型的有效性。仿真與試驗的頭部及胸部合成加速度曲線對比如圖4與圖5所示，各部位損傷值對比如表1所示。從圖4、圖5及表1可以看出，仿真與試驗的誤差較小，說明所建立的乘員約束系統(tǒng)仿真模型是有效的，可用于后面的優(yōu)化分析。仿真分析與樣品測試在125 ms的動畫對比如圖6和圖7所示。由于在仿真中很難準(zhǔn)確模擬PVC的材料失效，而通過試驗錄像可知，隔板內(nèi)部的PVC材料在102 ms時失效破壞。因此，在仿真中采用在102 ms時讓假人與隔板內(nèi)部的PVC材料的接觸失效的方法等效模擬PVC的材料失效。從圖6的仿真動畫可以看出，假人的手穿過約束隔板，手與約束隔板的接觸失效，模擬約束隔板的材料失效。

圖4 頭部合成加速度對比

圖5 胸部合成加速度對比

圖6 仿真分析125 ms時刻動畫

圖7 試驗測試125 ms時刻動畫

表1 仿真與試驗各部位損傷值對比

2 參數(shù)靈敏度分析與優(yōu)化

應(yīng)用正交試驗設(shè)計方法進(jìn)行模擬“試驗”，以求用盡可能少的“試驗次數(shù)”獲得最佳的約束系統(tǒng)配置。本文從設(shè)計參數(shù)的靈敏度分析著手，找出碰撞過程中影響乘員損傷的敏感參數(shù)，然后對約束系統(tǒng)中靈敏度高的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 評價函數(shù)的建立

由于假人傷害指標(biāo)涉及頭、胸、腿等多個部位，所以初步定義其為含有3個目標(biāo)的多目標(biāo)最優(yōu)化問題，對這個多目標(biāo)的優(yōu)化問題可以采用線性加權(quán)和法[10-12]。即乘員約束系統(tǒng)的評價函數(shù)定義如下：

式中：G為目標(biāo)函數(shù)值；fi為第i個子目標(biāo)函數(shù)（i=1，2，3）；Wi為fi的權(quán)系數(shù)，且根據(jù)試驗情況，選擇頭部損傷指標(biāo)、胸部3 ms加速度和大腿軸向力作為其3個子目標(biāo)函數(shù)，根據(jù)法規(guī)[8]的限定值將各子目標(biāo)函數(shù)歸一化，并參考文獻(xiàn)[11-12]，選擇相應(yīng)的權(quán)系數(shù)。最終定義目標(biāo)函數(shù)值為加權(quán)損傷指標(biāo)WIC，其表達(dá)式如下：

式中：HIC為頭部損傷指標(biāo)；C3ms為胸部3 ms加速度值，

g；FL、FR分別為左、右大腿軸向力，kN。

2.2 參數(shù)靈敏度研究

根據(jù)約束隔板的實際情況和改動的可行性，初步選擇以下幾個可能對乘員損傷有較大影響的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析。所選擇的設(shè)計參數(shù)如下：A為約束隔板左側(cè)上固定點(diǎn)的高度，B為約束隔板泡棉內(nèi)部骨架板的厚度，C為約束隔板整體框架厚度，D為約束隔板泡棉厚度，這4個變量作為設(shè)計變量，各設(shè)計變量的取值見表2。

表2 設(shè)計參數(shù)mm

2.2.1 正交試驗設(shè)計

正交試驗設(shè)計方法是一種用正交表安排多個因子試驗的設(shè)計方法，是一種高效率、快速經(jīng)濟(jì)的試驗設(shè)計方法。正交試驗設(shè)計方法具有“均勻分散，齊整可比”的特點(diǎn)，因子水平均衡搭配，數(shù)據(jù)點(diǎn)分布均勻，大大減少了試驗的次數(shù)，并可用相應(yīng)的極差分析方法、方差分析方法、回歸分析方法等對試驗結(jié)果進(jìn)行分析，得到有價值的結(jié)論。

本文采用L8（27）的正交表，正交表及仿真分析結(jié)果如表3所示。其中，HIC、胸部加速度ThAC、大腿力FAC可直接從損傷分析結(jié)果輸出，WIC值則是利用式（2）計算所得。在數(shù)理統(tǒng)計中，利用F檢驗可以判斷因子或交互效應(yīng)的顯著程度。其中，F(xiàn)值等于因子或交互效應(yīng)的均方和除以誤差的均方和。而誤差的均方和則是通過正交表的空列（第6列）計算所得。對于顯著水平α=0. 10，0.05和0.01，查F分布表得到臨界值分別為：F0.90（1，1）=39.9，F(xiàn)0.95（1，1）=161，F(xiàn)0.99（1，1）=405，列出方差表4。其中“**”表示非常顯著，“（*）”表示一般。

2.2.2 效應(yīng)分析

1）主效應(yīng)分析。因子對響應(yīng)的主效應(yīng)是因子在某個水平時所有試驗中該響應(yīng)的集合平均。改變單個因子的水平，以每個水平和其他因子的所有可能的組合對結(jié)果的影響的平均值所畫的圖就是主效應(yīng)圖。以因子B對WIC的主效應(yīng)為例，表3中試驗號1、2、5及6的WIC的集合平均即是水平1的效應(yīng)（EL1=（1.608+1.535+0.899+1.028）/4），試驗號3、4、7及8的WIC的集合平均即是水平2的效應(yīng)（EL2=（1.216+1.315+1.128+1.118）/4），兩點(diǎn)連線則是兩水平的主效應(yīng)圖。以此繪制4個因子對WIC的主效應(yīng)圖，如圖8所示。在主效應(yīng)圖中，直線斜率的絕對值大小表示效應(yīng)大小，斜率的正負(fù)號表示效應(yīng)的正負(fù)。通過主效應(yīng)圖可以直觀地了解各因子對響應(yīng)的影響。

表3 L8（27）正交表

表4 有交互作用的四因子方差分析表

圖8 主效應(yīng)圖

由圖8的主效應(yīng)圖及表4的方差分析可以看出，因子A的作用顯著，因子B、C及D的作用一般。但交互作用A×B顯著，因此必須重視A×B的交互作用。于是分別研究這兩個因子相互搭配的效應(yīng)。

2）交互效應(yīng)分析。按表3的數(shù)據(jù)作因子B與因子A的WIC值搭配效應(yīng)表，見表5。由表5可以看出，A2B1搭配較好。其中，AiBj是因子A取水平i，因子B取水平j(luò)時WIC的均值。

表5 A、B因子搭配效應(yīng)表

結(jié)合主效應(yīng)及交互效應(yīng)分析可知，較好的因子水平搭配是A2B1C1D2，即采用較低的固定點(diǎn)，泡棉內(nèi)部骨架板厚度為1.0 mm，約束隔板整體框架料厚度為2.0 mm，泡棉厚度為10.0 mm這一方案。

2.3 約束隔板優(yōu)化

從方差分析得知，要減小假人損傷，可從降低左側(cè)上固定點(diǎn)的高度及減小約束隔板整體框架厚度著手。由于左側(cè)固定點(diǎn)的高度，對法規(guī)中試驗1有較大影響，因此，不能完全依賴于降低固定高度?？紤]對約束隔板上部結(jié)構(gòu)重新設(shè)計，將約束隔板設(shè)計成上、下兩個模塊，下部結(jié)構(gòu)主要考慮強(qiáng)度，而上部結(jié)構(gòu)考慮緩沖吸能的性能。

優(yōu)化前后仿真分析得到的乘員傷害指標(biāo)如圖9及表6所示。通過比較可以發(fā)現(xiàn)，頭部加速度顯著降低，HIC傷害指標(biāo)降低了56.5%；胸部加速度相對原車略有增大，但相比目標(biāo)值30 g，在安全范圍內(nèi)；腿部傷害相比原車略有增大；乘員加權(quán)損傷評價指標(biāo)WIC降低了47.7%。這說明上述優(yōu)化方案的效果非常顯著。

圖9 優(yōu)化前后假人頭部加速度曲線對比

表6 優(yōu)化前后乘員損傷仿真分析結(jié)果對比

2.4 強(qiáng)度校核

對于優(yōu)化后的方案，按照GB 13057－2014[1]試驗1的要求進(jìn)行仿真分析，分析結(jié)果如圖10和圖11所示。從其應(yīng)變云圖中可以看出，約束隔板及地板結(jié)構(gòu)最大應(yīng)變?yōu)?.184，小于#20鋼的最大斷裂延伸率（試驗測試為20%），說明結(jié)構(gòu)強(qiáng)度在安全范圍內(nèi)。從圖10可以看出，假人胸部正好卡在約束隔板上，如約束隔板不失效，則假人不會翻出約束隔板。右側(cè)假人向前位移較左側(cè)大。從圖11曲線可以看出，右側(cè)假人軀干（頭部）相對R點(diǎn)向前最大位移為1.42 m，小于1.6 m，滿足法規(guī)要求。

圖10 試驗1分析結(jié)果

圖11 相對輔助座椅R點(diǎn)X向位移曲線

3 結(jié)束語

利用LS-Dyna，建立客車座椅約束系統(tǒng)模型，研究對乘員損傷可能有影響的各個參數(shù)。通過正交試驗設(shè)計方法，得到約束隔板對乘員損傷有較大影響的3個參數(shù)，分別是約束隔板固定點(diǎn)高度、泡棉厚度及泡棉內(nèi)部骨架強(qiáng)度。經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，乘員加權(quán)損傷指標(biāo)比初始值降低了47.7%，滿足法規(guī)要求，效果顯著。

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修改稿日期：2017-03-21

Research and Optimization on Passenger Injury Based on Design of Coach Restraining Clapboard Sensitivity Parameters

Su Liang
（Xiamen KingLongUnited Automotive IndustryCo.,Ltd,Xiamen 361023,China）

Taking the coach restraining clapboard as the research object,the LS-DYNA as the simulation tool,the author studies the constraint system parameter sensitivitybyusingthe orthogonal experiment design method in order to find out the design parameters which have greater influence for passenger weighted injury criterion(WIC).After optimizingthe restrainingclapboard parameters,the WICis reduced by47.7%than the initial value,the effect is obvious.

coach;restrainingclapboard;passenger injury;orthogonal experiment;sensitivityparameter

U463

A

1006-3331（2017）03-0008-05

蘇亮（1980-），男，高級工程師；主要從事整車輕量化和碰撞安全的研究與設(shè)計工作。