校车座椅乘员约束系统参数优化设计

吕 娜， 谭卫锋， 王 亭， 唐友名，薛 清，易 了，陈剑周

（1.厦门理工学院机械与汽车工程学院，福建厦门361024；2.福建省客车及特种车辆研发协同创新中心，福建厦门361024；3.厦门金龙汽车座椅有限公司，福建厦门361022）

校车座椅乘员约束系统参数优化设计

吕 娜1，2，3， 谭卫锋1，2，3， 王 亭1，2，3， 唐友名1，2，薛 清3，易 了1，2，陈剑周3

（1.厦门理工学院机械与汽车工程学院，福建厦门361024；2.福建省客车及特种车辆研发协同创新中心，福建厦门361024；3.厦门金龙汽车座椅有限公司，福建厦门361022）

为研究校车两点式约束系统对中学生乘员损伤防护效果，利用显式有限元分析软件LS-DYNA建立某款校车座椅约束系统数值仿真模型.基于国家标准要求，在实测减速度波形加载下，分析模型中假人头部HIC值，胸部3 ms加速度值和大腿轴向压力值，通过优化约束系统参数进一步提升中学生乘员损伤防护效果.结果表明：减小座椅靠背刚度可以改善中学生乘员腿部损伤防护效果；沿X方向后移安全带固定点位置可明显降低中学生乘员胸部损伤；在合理范围内增大安全带织带刚度可明显降低中学生乘员头部和胸部损伤.

校车；座椅约束系统；正面碰撞；安全带

近年来，校车安全事故在全国各地频有发生，交通事故已经成为学生伤亡的主要原因之一.为提高校车安全性能，国务院于2012年4月首次颁布并实行了 《校车安全管理条例》，并于同年5月发布了《专用校车安全国家标准》，对我国校车的设计制造、使用管理、安全性等方面进行了规范.随着法规的颁布实施，人们对于校车安全的重视度越来越高.由于校车被动安全测试的费用十分昂贵，且受到环境和技术手段等的制约，人们将计算机模拟碰撞仿真技术运用到校车测试上，研究校车的被动安全性能.王良模等研究专用校车在侧翻事故中校车顶棚结构对乘员的保护作用，对校车顶棚结构材料选取提出合理化建议［1］；张扬等建立某校车动态实验仿真模型，并在此基础上对关键承载结构提出了改进方案［2］；马瑞雪等针对某款校车座椅多次试验不合格的情况，采用CAE方法对其进行仿真模拟分析，使得改进后的座椅实验通过标准要求［3］.但是学者们对于校车的研究大多集中在改善校车结构、材料强度方面，对于乘员在碰撞过程中的损伤情况却较少涉及.本文基于现有某款校车座椅模型建立有限元碰撞仿真模型，研究分析座椅靠背刚度、安全带刚度和安全带固定点位置3个参数对中学生乘员损伤情况的影响.

1 碰撞理论

校车乘员约束系统分析属于瞬态动力学分析，系统运动方程为

式 （1）中：M为质量矩阵；C为阻尼矩阵；K为刚度矩阵；F为外力向量列阵；¨X为节点加速度向量；.X为节点速度向量；X为节点位移向量.

求解式 （1）动力响应值的较为普遍的方法是中心差分法和Newmark法，即分别为显式算法和隐式算法.隐式积分算法不受时间步长大小的限制，因此隐式积分算法能很大限度地节省求解时间.但是对于碰撞分析而言，碰撞发生及其响应的衰减过程是很短暂的，发生在100～200 ms之间，碰撞产生的大的变形会在单位步长内产生过大应变，从而导致方程求解不收敛，分析失败.此时若采用隐式积分算法计算，须进行大量的矩阵积分和求逆矩阵运算而花费更多的时间，所以在碰撞分析中大多采用显示积分算法［4］.

式 （2）中：¨Xn为时间步n时的节点加速度向量；.Xn为时间步n时的节点速度向量；Xn为时间步n时节点的位移向量.由中心差分法算得速度的递推公式为

位移递推公式为

由此可递推求出各个离散时间点处的位移、速度和加速度.

在汽车碰撞过程中，部件与部件之间、部件本身之间以及与障碍物都会发生摩擦接触.这种接触摩擦作用是导致组件变形和失效的主要原因，因此如何准确描述和计算模型对提高碰撞仿真精度和可靠性很重要.接触界面的处理实际上是一个未知边界条件的确定问题，不仅涉及到物理计算，还包含大量的搜索计算，其处理算法的优劣直接影响碰撞仿真计算技术的实用性.LS-DYNA包含40多种接触类型可以比较准确地模拟这种接触摩擦作用［5］.

2 乘员约束系统模型的建立

目前校车座椅的产品质量认证大多采用静态测试方法，只满足了校车座椅结构强度要求，没有考虑乘员在碰撞过程中的损伤情况.基于此，本文在现有已经成熟设计的校车座椅基础上，对其进行乘员约束系统分析.

2.1 座椅有限元模型

将座椅三维模型导入HyperWorks软件中进行几何清理，画网格等前处理，对座椅骨架部分采用shell单元进行网格划分，对靠背、座垫等泡沫件采用实体单元.为节省计算时间，删去了影响较小的后排靠背和前排坐垫组件.

2.2 假人模型

根据国家标准GB 24406—2012《专用校车学生座椅系统及其车辆固定件的强度》［6］规定，选用HybirdIII第5百分位的女性假人模型来模拟中学生，主要部位有头部、颈部、胸部、腹部、臀部和四肢等共约8 500个节点，8 300个单元，假人各部分质量和转动惯量都符合试验用假人，人体各部位的关节用球形铰链和旋转铰链单元定义，并用非线性的扭矩弹簧Spring和阻尼Damper单元连接来模拟人体各部分之间的弹性，胸部和颈部等关键部位设置成柔性，能在发生碰撞后对假人的受伤情况进行评价［7］.乘员约束系统模型如图1所示.

2.请学生当识字写字小老师。如在课堂上，让学生分享自己学习和记忆这个生字的方法，高年级的学生已经具备相应的识字能力，因此对于生字的学习有自己的方法，而让学生做小老师则是调动学生的而积极性，让学生参与到识字、记字的过程中来。

图1 校车乘员约束系统模型Fig.1 SchooI bus seat restraint system modeI

2.3 边界条件的设定

乘员在碰撞过程中受到安全带的保护，模型中与人体接触部分采用二维薄壳单元模拟安全带在人体身上的滑动，未与人体接触部分采用1Dseatbelt单元模拟安全带在碰撞过程中的松弛度.对假人施加2个加速度场：一个是垂直向下的重力加速度场，另一个是水平方向上的减速度碰撞波形，该波形是碰撞试验中测得的车辆减速度波形，如图2所示.

图2 车辆减速度波形Fig.2 VehicIe acceIeration curve

3 仿真结果分析与优化

3.1 仿真结果

通过仿真计算得出乘员头部加速度、胸部加速度和腿部的压力曲线，如图3所示.由于参考国家标准GB 24406—2012对模型进行试验，所以选取头部加速度、胸部最大加速度和腿部轴向压力3个值作为乘员损伤的参考标准.

图3 乘员损伤曲线Fig.3 Occupant injury curves

根据动画和曲线对比可知，在20 ms时，假人脚部与挡板开始接触，挡板对人体的作用力从脚部传递到腿部，此时假人腿部力值达到一个初始峰值，左右腿的力值分别为4.7 kN和3.0 kN；由于假人脚部受到挡板的限制，假人臀部逐渐不再向前移动，而假人的上半身继续向前运动，在49 ms时，胸部加速度达到最大值34.2g m·s-2；进而在头部与前排座椅靠背接触时，头部加速度达到最大值65.9g m·s-2；随着假人继续向前运动的空间受到限制，臀部开始向后滑动，地板上的挡板对腿部的力值在100 ms时达到最大值，分别为9.7 kN和7.3 kN.

根据仿真所得曲线，按照GB 24406—2012中乘员损伤的伤害指标要求，计算假人头部允许指标HIC值、胸部3 ms加速度值和腿部轴向最大压力.仿真计算所得到的损伤值与损伤指标对比如表1所示.

表1 仿真结果与损伤标准对比TabIe 1 SimuIation resuIts against injury criteria

由此可知，假人头部HIC值和腿部轴向压力均处于安全标准范围内，胸部3 ms加速度达到了34.2g m·s-2，超出了法规范围.仿真说明碰撞过程中对乘员的胸部造成了很大的伤害，可见该校车座椅虽然通过了国家标准GB 24406—2012中的静态试验，结构强度达到了要求，但是该座椅对乘员的保护方面欠缺，因此需要对校车约束系统进行参数优化，从而减轻碰撞过程中对乘员的伤害.

3.2 设计参数对乘员损伤的影响及优化

经仿真分析可知，乘员的胸部损伤最为严重，同时由于腿部轴向压力值接近标准值，因此把优化目标定位于降低乘员胸部加速度和腿部轴向压力，并保证乘员头部损伤值在合理范围之内.影响乘员损伤的因素有很多，本文研究座椅靠背刚度、安全带刚度和安全带固定点位置3个设计参数，根据研究结果采取合适的优化方案.

3.2.1 座椅靠背刚度的影响

选取靠背刚度与原车所配坐垫对应刚度相差±4%，±8%，仿真结果进行正则化后如图4所示.从图4中可以看出，靠背刚度的变化对头部和胸部加速度的影响较小，对腿部损伤有较大的影响.当靠背刚度减少8%和增大8%时，乘员的腿部损伤有改善的趋势，尤其是当靠背刚度降低8%时，乘员腿部最大轴向力降低了50%，而在靠背刚度减少4%和增加4%时，乘员腿部的最大轴向力有增大的趋势.

图4 靠背刚度对乘员损伤的影响Fig.4 InfIuence of back stiffness on occupant injury

图5 安全带位置变化对乘员损伤的影响Fig.5 InfIuence of beIt position on occupant injury

图6 安全带刚度变化对乘员损伤的影响Fig.6 InfIuence of beIt stiffness on occupant injury

3.2.2 安全带固定点位置的影响

由于该款校车座椅采用两点式安全带，本文选取安全带的固定点位置沿 X轴水平移动 ±5 mm，±10 mm，研究其对乘员损伤的影响.仿真结果进行正则化后如图5所示.固定点位置沿X向偏移0～10 mm时，对乘员胸部和腿部损伤没有太大影响，但是对乘员头部HIC值呈增大的趋势；当安全带固定点位置沿X向偏移-5～0 mm时，对乘员损伤的均没有很大变化；当安全带固定点位置沿X向偏移-10～0 mm时，胸部加速度值明显下降，而头部HIC值和腿部轴向压力没有明显变化.

3.2.3 安全带刚度的影响

根据GB 14166—2013［8］规定，安全带受力11 080 N时的相对伸长率即为安全带织带刚度.而实际生产过程中，一般纸袋刚度在5%～23%范围内变化.本文选取的仿真计算的安全带织带刚度与原车相差±4%，±8%，将仿真结果正则化后如图6所示.由图6可知，安全带织带伸长率在-4%～0%内变化时，随着伸长率的增加，头部损伤HIC值降低，胸部最大加速度和腿部轴向力显著减小；织带伸长率在0%～4%范围内变化是，随着安全带织带伸长率的增加，胸部最大加速度和头部HIC值降低，腿部轴向压力增大.

4 结论

通过研究座椅靠背刚度、安全带固定点位置和安全带刚度3个因素对校车乘员约束系统的影响可得到以下3点结论：1）当靠背刚度减小时，靠背海绵变得更软，碰撞过程中产生的能量较多的被靠背海绵吸收，因此，减小靠背刚度，使乘员胸部和腿部损伤都有改善的效果，其中腿部改善效果较为明显.2）当安全带位置沿X向向后移动时，安全带与水平面之间的夹角减小，施加在乘员身上的力增加，即安全带对乘员的约束作用得到改善，使碰撞过程中乘员的胸部加速度明显降低.3）安全带织带刚度在一定范围内增大 （伸长率减小）时，人体能较好地约束在坐椅上，避免或减轻了假人头部、腿部与前排座椅的撞击；而安全带织带刚度在一定范围内减小 （伸长率增大）时，人体未得到较好地约束，加剧了腿部与前排座椅的撞击.而具体针对该款校车座椅的约束系统，单一改变某一因素，对乘员的胸部加速度和腿部轴向压力这2个损伤值并没有很好的改善，需要对多个因素同时进行调节，才能达到损伤标准的要求.

［1］王良模，陈东益，袁刘，等.某专用校车顶部安全性能仿真与改进 ［J］.南京理工大学学报：自然科学版，2012，12（36）：1031-1035.

［2］张杨，赵幼平，谢庆喜，等.依照校车被动安全性的新标准的仿真及试验 ［J］.汽车安全与节能学报，2013（4）：257-265.

［3］马瑞雪，王欣，覃祯员，等.专用小学生校车座椅的CAE仿真分析及试验验证 ［J］.客车技术与研究，2012，2（5）：5-7.

［4］张三川，王家岭，李霞.基于ANSYS/LS-DYNA的校车后防撞钢梁碰撞安全性能研究 ［J］.郑州大学学报：工学版，2013，3（34）：112-115.

［5］WU J，SONG Guo-shu，YEH Chao-pin，et a1.Drop/Impact simulation and test validation of telccommumcation products［J］.Inter Society Conference on Thermal Phenomena，1998：330-336.

［6］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB 24406—2012专用校车学生座椅系统及其车辆固定件的强度［S］.北京：中国标准出版社，2012.

［7］韩双庆，王成龙.商务车正面碰撞有限元分析 ［J］.计算机辅助工程，2006（16）：144-147.

［8］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB 14166—2013机动车乘员用安全带、约束系统、儿童约束系统、ISOFIX儿童约束系统 ［S］.北京：中国标准出版社，2013.

Parameter Optimization for School Bus Seat Restraint System

LYU Na1，2，3，TAN Wei-feng1，2，3，WANG Ting1，2，3，TANG You-ming1，2，XUE Qing3，YI Liao1，2，CHEN Jian-zhou3
（1.School of Mechanical&Automotive Engineering，Xiamen University of Technology，Xiamen 361024，China；2.Collaborative Innovation Center for R&D of Coach and Special Vehicle，Xiamen 361024，China；3.Xiamen Golden Dragon Auto Seat Co.Ltd.，Xiamen 361022，China）

In order to estimate the protection effect of two-point seat belts to students in the school bus，a simulation model of occupant restraint system was built for school bus，using finite element software LS-DYNA. As the model was given the test acceleration pulse，the injury of dummy’s head，thorax and leg were analyzed，and the head HIC，thorax 3 ms acceleration and axial pressure of legs compared，according to Rules GB 24406-2012.Then the based model was optimized by altering the fixed point of seat belt，the back stiffness and the seat stiffness.The results indicate that the simulation model satisfies the standard criteria，reduced seat back stiffness improves the leg injury prevention effect，occupant chest acceleration decreases significantly to have the safety belt position move backward along the X direction，and the head and thorax acceleration is obviously decreased to have increased safety belt stiffness in a certain range.

school bus；seat restraint system；frontal impact；seat belt

U270.38

A

1673-4432（2015）03-0020-05

（责任编辑 李 宁）

2015-03-24

2015-05-26

国家自然科学基金项目 （51305374）；福建省高校杰出青年科研人才培育项目 （JA14229）；福建省中青年教师教育科研项目 （JA14240）；厦门理工学院对外科技合作专项 （E201400300）；厦门理工学院研究生科技创新计划项目 （YKJCX2014004）

吕娜 （1991-），女，硕士研究生，研究方向为汽车安全.通讯作者：唐友名 （1981-），男，副教授，博士，研究方向为汽车安全技术.E-mail：tangyouming@xmut.edu.cn