劉高，王敏

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基于DOE的座椅鞭打試驗(yàn)優(yōu)化分析

劉高，王敏

（舒茨曼座椅（寧波）有限公司，浙江 寧波 315336）

文章根據(jù)2018版C-NCAP低速后碰撞頸部保護(hù)試驗(yàn)（“鞭打試驗(yàn)”）相關(guān)規(guī)程，利用Hypermesh軟件建立某整車(chē)項(xiàng)目主駕座椅的仿真模型。基于初版分析結(jié)果，運(yùn)用DOE（試驗(yàn)設(shè)計(jì)）技術(shù)，通過(guò)調(diào)整座椅的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，快速確定座椅結(jié)構(gòu)優(yōu)化方向，以達(dá)到客戶(hù)鞭打試驗(yàn)4.5分需求。

鞭打試驗(yàn)；仿真；DOE；優(yōu)化

1 引言

隨著我國(guó)汽車(chē)行業(yè)的高速發(fā)展，汽車(chē)消費(fèi)者對(duì)汽車(chē)安全越來(lái)越關(guān)注。從2012版C-NCAP新增Whiplash試驗(yàn)開(kāi)始，經(jīng)過(guò)2015版和2018版C-NCAP的改版完善，Whiplash試驗(yàn)表現(xiàn)引起了廣大主機(jī)廠的重視，通過(guò)優(yōu)化座椅參數(shù)，能有效提高座椅Whiplash得分，進(jìn)而幫助整車(chē)提高C-NCAP安全星級(jí)。

2 Whiplash試驗(yàn)及評(píng)分介紹

Whiplash試驗(yàn)是將試驗(yàn)車(chē)輛駕駛員側(cè)座椅及約束系統(tǒng)仿照原車(chē)結(jié)構(gòu)，固定安裝在移動(dòng)滑車(chē)上，滑車(chē)以速度變化量為（20.0±1.0）km/h 的特定加速度波形發(fā)射，模擬后碰撞過(guò)程（如圖1 所示）。座椅上放置BioRID II 型假人，通過(guò)測(cè)量后碰撞過(guò)程中頸部受到的傷害情況，用以評(píng)價(jià)車(chē)輛座椅頭枕對(duì)乘員頸部的保護(hù)效果。

圖1 Whiplash試驗(yàn)

Whiplash 試驗(yàn)[1]的加速度波形在0～170ms 的時(shí)間范圍中，加速式臺(tái)車(chē)的速度變化量應(yīng)控制在ΔV=20±1.0km/h，波形持續(xù)時(shí)間為ΔT=103±3ms。Whiplash試驗(yàn)在C-NCAP 中所占分值為5分，其中頭部2分，上下頸部各1.5分，具體評(píng)分原則如表1示。

評(píng)分以假人傷害指標(biāo)為基礎(chǔ)，高、低性能限制對(duì)應(yīng)WAD2+傷害風(fēng)險(xiǎn)率為5%和95%，減分項(xiàng)以高速攝像為依據(jù)，計(jì)算沖擊過(guò)程中靠背后仰的最大變化量，此減分目的在于防止對(duì)后排乘員造成額外傷害[2]。

表1 鞭打試驗(yàn)總體評(píng)分原則

3 試驗(yàn)結(jié)果分析及優(yōu)化約束條件

根據(jù)座椅建模企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及C-NCAP 2018相關(guān)要求，搭建了某整車(chē)項(xiàng)目主駕座椅Whiplash試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，如圖2所示。

圖2 主駕座椅Whiplash模型

試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕苫_(tái)、座椅模型、假人模型、約束系統(tǒng)組成，分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 初版Whiplash試驗(yàn)分析結(jié)果

表2的分析結(jié)果顯示：Whiplash試驗(yàn)得分為3.71，不能滿(mǎn)足客戶(hù)Whiplash得分≥4.5分的要求，失分項(xiàng)主要集中在頭部傷害值NIC（1.21&2.0）和上頸部扭矩My（1.0&1.5）。

頭部評(píng)價(jià)失分主要原因是頭部加速度和上頸部T1加速度不同步（如圖3所示），因?yàn)镹IC值是關(guān)于胸部T1和頭部相對(duì)加速度和速度的函數(shù)。

NIC=0.2Axrel(t)+[Vxrel(t)]2

其中Axrel(t)=AxT1(t)-AxHead(t)；

要減少NIC失分，可以從兩個(gè)方面進(jìn)行，減少頭后間隙或者延遲胸部接觸時(shí)間。而為了滿(mǎn)足造型及客戶(hù)對(duì)整椅舒適性的需求，頭后間隙及泡沫A面都不能進(jìn)行改變；延遲胸部接觸時(shí)間則可以適當(dāng)將座椅靠背進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，同時(shí)減小座調(diào)角器下部剛度。

圖3 頭部NIC曲線

上頸部評(píng)價(jià)失分主要是因?yàn)樵谠囼?yàn)反彈階段上頸部扭矩My偏大（如圖4所示）。要增加上頸部My得分，可以減少頭枕泡沫A面與頭枕?xiàng)U之間的距離、增加頭枕?xiàng)U及頭枕?xiàng)U貼片剛度。根據(jù)客戶(hù)輸入，頭枕?xiàng)UA面與頭部接觸區(qū)有層10mm厚軟泡沫，因此頭枕泡沫A面與頭枕?xiàng)U之間距離最少為25mm才能滿(mǎn)足泡沫澆注要求；增加頭枕?xiàng)U厚度、改變?cè)囼?yàn)過(guò)程中假人頭部接觸部位剛度及接觸位置與頭枕?xiàng)U上部之間相對(duì)距離可以增加頭枕局部剛度。

圖4 上頸部My曲線

4 DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

4.1 DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)

DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)研究的是如何合理安排試驗(yàn)計(jì)劃與分析試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)的一門(mén)學(xué)科[3][4]，試驗(yàn)設(shè)計(jì)因滿(mǎn)足完全重復(fù)性、隨機(jī)化、區(qū)組化原則。

根據(jù)初版試驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)[5][6]，我們?cè)O(shè)計(jì)了5個(gè)優(yōu)化因子，每個(gè)因子的優(yōu)化方案見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)優(yōu)化因子的優(yōu)化方案

明確優(yōu)化方向后我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)L8（4X42）的DOE試驗(yàn)，試驗(yàn)因子依次為：調(diào)角器下連接板、靠背骨架偏轉(zhuǎn)、頭枕?xiàng)U貼板、頭枕?xiàng)U、頭枕?xiàng)U相對(duì)高度。具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)安排如表4所示。

表4 DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

注：

因子b-調(diào)角器連接板優(yōu)化方案如圖5所示；

因子d-頭枕?xiàng)U剛度優(yōu)化方案如圖6所示；

因子e-頭枕?xiàng)U高度優(yōu)化方案如圖6所示；

圖5 調(diào)角器下連接板

圖6 頭枕?xiàng)U上支架

備注：頭枕?xiàng)U厚度①為1.4mm；②為1.6mm；③為1.8mm；④為2.0mm；

調(diào)角器下連接板①為翻邊8mm；②為翻邊5mm+三角形弱化孔，如圖5所示；

靠背骨架偏轉(zhuǎn)①為向后0.7°偏轉(zhuǎn)；②為向前0.5°偏轉(zhuǎn)；

頭枕?xiàng)U貼板①不增加筋條；②在接觸位置增加橫向筋條，如圖6所示；

頭枕?xiàng)U相對(duì)高度①為向上15mm；②為向下10mm。

4.2 DOE試驗(yàn)結(jié)果分析

DOE試驗(yàn)結(jié)果表明，Whiplash失分項(xiàng)與初版結(jié)果表現(xiàn)一致，失分項(xiàng)為頭部NIC和上頸部My，其它考察項(xiàng)均沒(méi)有失分。

試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，其中：

公式中Ki表示因素i的響應(yīng)值，n表示試驗(yàn)組數(shù)，yi表示因素i的試驗(yàn)考察值。

試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)5、6、7得分分別為4.50、4.57、4.50，已滿(mǎn)足客戶(hù)需求對(duì)頭部傷害值NIC，試驗(yàn)組合：頭枕?xiàng)U1.8mm；調(diào)角器下連接板5mm翻邊+三角形弱化孔；靠背向后偏移0.7°；頭枕?xiàng)U貼板加加強(qiáng)筋；頭枕?xiàng)U向上15mm,為其最優(yōu)解；

對(duì)上頸部My，試驗(yàn)組合：頭枕?xiàng)U2.0mm；調(diào)角器下連接板5mm翻邊+三角形弱化孔；靠背向前偏移0.5°；頭枕?xiàng)U貼板加加強(qiáng)筋；頭枕?xiàng)U向下10mm,為其最優(yōu)解；

試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)5、6、7得分分別為4.50、4.57、4.50，已滿(mǎn)足客戶(hù)需求，可以將頭部傷害值最優(yōu)解的試驗(yàn)6作為最終數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論與展望

通過(guò)試驗(yàn)找出因子與響應(yīng)之間的真實(shí)關(guān)系以便確定最佳的因子水平設(shè)置使響應(yīng)達(dá)到最優(yōu)是DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)的根本目的[3]，本文通過(guò)DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)在Whiplash仿真優(yōu)化分析中的應(yīng)用，并結(jié)合客戶(hù)需求，經(jīng)過(guò)較少的分析（試驗(yàn)）嘗試，以最小的計(jì)算成本，盡可能大的滿(mǎn)足客戶(hù)的需求。

[1] C-NCAP,C-NCAP管理規(guī)則(2018年版)[S],中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心.

[2] 吳悅樂(lè),汽車(chē)座椅在低速后碰中的模擬研究[J],制造業(yè)信息化, 2013(9):105-106.

[3] 歐儉華,QFD與DOE集成應(yīng)用研究[D],昆明理工大學(xué),2011.

[4] 雷剛,王希杰,張攀,基于DOE的汽車(chē)碰撞優(yōu)化分析[J],重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)),2011(2):8-12.

[5] 黃炫,基于C-NCAP鞭打試驗(yàn)座椅參數(shù)對(duì)頸部損傷的影響[D],吉林,吉林大學(xué),2012.

Optimization analysis of whiplash test based on DOE technology

Liu Only, Wang Min

( SCI Seating (Ningbo) Co., Ltd., ZheJiang NingBo 315336 )

Based on the related procedures of the neck protection test (Whiplash test) of 2018 version C-NCAP, we establish the simulation mode of the seat by the software of Hypermesh. And use the technology of DOE (Design of experiment) from the results of the initial analysis, by adjusting the related design parameters of the seat, we can find the optimization direction as quickly as possible, and then achieve the customer requirement of 4.5piont of whiplash.

Whiplash; Simulation; DOE; Optimization

U463.8

A

1671-7988(2019)09-146-03

U463.8

A

1671-7988(2019)09-146-03

劉高，就職于舒茨曼座椅（寧波）有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.09.047