專用小學(xué)生校車座椅的CAE仿真分析及試驗驗證

馬瑞雪，王 欣，覃禎員，李 弢，毛星子

（重慶車輛檢測研究院 國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，重慶 401122）

校車座椅標(biāo)準(zhǔn)[1]發(fā)布實施后，由于該標(biāo)準(zhǔn)與現(xiàn)有的座椅標(biāo)準(zhǔn)有較大的差異性，沒有引起多數(shù)座椅企業(yè)的重視，導(dǎo)致很多試驗樣品不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。某款校車座椅初次試驗不合格，企業(yè)自己進行多次直觀改進，再多次試驗都未通過該標(biāo)準(zhǔn)要求。后經(jīng)重慶車輛檢測研究院為其進行仿真分析，有針對性地進行結(jié)構(gòu)改進后試驗才合格?；诖?，本文采用有限元仿真分析方法建立該校車座椅有限元模型，并結(jié)合試驗驗證該模型的有效性和可靠性；通過CAE仿真模擬座椅試驗全過程，根據(jù)CAE仿真分析結(jié)果提出校車座椅結(jié)構(gòu)改進的可行性方案。

1 有限元模型的建立

1.1 三維模型的建立及有限元網(wǎng)格化

根據(jù)某校車座椅廠家的座椅實物模型和二維圖紙利用CATIA軟件建立三維幾何模型。分別建立了坐墊泡沫、靠背泡沫、座椅骨架、支撐架的三維模型，然后根據(jù)安裝螺栓孔進行三維裝配。為了減少不必要的計算量，在實際建模時進行適當(dāng)?shù)暮喕?，除去一些對結(jié)果影響不大的倒角和凸臺。

將建立好的三維模型轉(zhuǎn)化為IGES格式輸出后導(dǎo)入ANSA軟件中，對模型進行幾何清理及網(wǎng)格劃分。座椅骨架和支撐架采用四邊形網(wǎng)格，座椅泡沫采用六面體網(wǎng)格；體單元采用的是SOLID95，殼單元采 用 的 是 SHELL181。SHELL181是厚殼單元，包含彎曲、薄膜和剪切效應(yīng)[2]。建立的校車座椅網(wǎng)格有限元模型如圖1所示。

1.2 邊界條件的設(shè)置

在仿真分析中，為防止座椅骨架與泡沫之間相互穿透或者部件產(chǎn)生大變形時自身產(chǎn)生穿透，需要對可能接觸部件表面之間的接觸類型以及接觸相關(guān)的一些參數(shù)進行定義。座椅與泡沫部件之間采用自動單面接觸(*Contact_Automatic_Single_Surface)，座椅支撐架與地面的接觸采用自動面-面接觸（*Contact_Automatic_Surface_To_Surface）。邊界條件根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求及座椅試驗情況定義。采用國內(nèi)外廣泛采用的有限元后處理軟件LS-DYNA仿真座椅前傾和后傾試驗過程。

1）座椅前傾性能試驗的模擬。根據(jù)文獻[1]的要求對座椅靠背后部施力，位置從座椅后部向前，施力高度在被測座椅的后面座椅R點上下102 mm之間的任意水平面內(nèi)。通過下模板在5～30 s內(nèi)施加3114 N的力。達到規(guī)定力后，在1 s內(nèi)立即降到1557 N，將下模板保持在此位置，同時放置上模板。上模板位置為從座椅后部向前，高度在被測座椅的后面座椅R點以上406 mm的水平面內(nèi)，對上模板設(shè)置一個位移為356 mm的邊界條件[1,3]。并根據(jù)文獻[1]中的力-位移曲線區(qū)間判定計算結(jié)果。仿真模型如圖2所示。

2）座椅后傾性能試驗的模擬。根據(jù)文獻[1]的要求對座椅靠背后部施力，位置從座椅前部向后，施力高度在被測座椅的后面座椅R點以上343 mm之間的任意水平面內(nèi)。對模板設(shè)置一個位移為356 mm的邊界條件[1，3]，并根據(jù)文獻[1]中的力-位移曲線區(qū)間判定計算結(jié)果。仿真模型如圖3所示。

2 仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比

原校車座椅在重慶車輛檢測研究院國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心進行過試驗。圖4為校車座椅的某次前傾試驗結(jié)果；圖6為該校車座椅的后傾試驗結(jié)果。因此，可通過將仿真結(jié)果的變形情況、力-位移曲線與試驗數(shù)據(jù)進行對比分析，從而驗證仿真分析的可靠性和有效性。

2.1 變形結(jié)果對比

圖5為該座椅某次前傾試驗對應(yīng)的仿真分析最大變形圖，靠背與坐墊的夾角為34°；圖5中試驗結(jié)果為最大變形狀態(tài)下靠背與坐墊的夾角為37°。圖7為該座椅某次后傾試驗對應(yīng)的仿真分析最大變形圖，靠背與坐墊的夾角為118.5°；圖7中試驗結(jié)果為最大變形狀態(tài)下靠背與坐墊的夾角為122°。仿真分析與試驗結(jié)果基本一致。座椅變形比較大，靠背和坐墊的連接部件發(fā)生極大的扭曲變形，導(dǎo)致座椅失效。

2.2 力-位移響應(yīng)曲線對比

根據(jù)文獻[1]要求的力-位移曲線區(qū)間判定分析結(jié)果。力-位移曲線能夠綜合地反映座椅在整個試驗過程中受到不同階段力的變化過程，也可通過力-位移曲線看到座椅在施力過程中座椅骨架結(jié)構(gòu)變化以及變形的影響因素。因此，仿真分析中采用力-位移曲線響應(yīng)作為判定座椅是否合格的依據(jù)，并根據(jù)試驗與仿真結(jié)果的力-位移響應(yīng)曲線的吻合程度來驗證仿真分析的有效性和可靠性。

通過圖8可以看到，該座椅在某次前傾試驗和仿真分析中，第二個模塊對座椅靠背施加力之后，座椅向前移動105 mm時，曲線超出了邊界線；在第二個模塊向前移動200 mm時，曲線急劇下降，座椅發(fā)生失效。仿真曲線和試驗曲線的變化趨勢基本吻合，其最大峰值誤差僅為8.7%。圖9為該座椅某次后傾試驗和仿真分析的力-位移曲線。通過曲線可以看出，在座椅靠背向前運動110 mm時，曲線超出了邊界線。仿真分析，曲線在同一處超出邊界線，在第二個模板向前250 mm時座椅發(fā)生失效。試驗與仿真曲線基本吻合。表明所建立的有限元仿真模型能夠反映座椅在試驗過程中的響應(yīng)。

2.3 座椅的安全性評價

根據(jù)對應(yīng)的應(yīng)力仿真計算的分布云圖，如圖10可知，該座椅的“前傾試驗”與“后傾試驗”的最大應(yīng)力分別為417 MPa和407 MPa，而且最大應(yīng)力位置均集中在靠背與坐墊骨架的連接部件上和座椅固定件與地板的連接處，與試驗情況相符合。靠背與坐墊的連接部件與座椅固定件均采用的是Q235材料，其屈服極限為235 MPa。該座椅的“前傾試驗”和“后傾試驗”最大應(yīng)力均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了其屈服極限，座椅發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形[4-6]，從而失效。分析結(jié)果與2.2相吻合。

2.4 改進設(shè)計

本次改進方案的目的是通過CAE分析，有針對性地增強座椅強度，同時盡可能不帶來大的成本增加；盡可能確保結(jié)構(gòu)材料和結(jié)構(gòu)形式變化不大，而且還要具有良好的工藝性[7-10]。因此，本次改進從兩方面著手：對分析過程中應(yīng)力偏大的位置進行加厚；對局部高應(yīng)力區(qū)域修改結(jié)構(gòu)[11]。

結(jié)構(gòu)改進設(shè)計后的前傾、后傾仿真分析的力-位移曲線如圖11和12所示。依據(jù)文獻[1]，改進設(shè)計后的座椅前傾、后傾性能均在要求邊界線之內(nèi)，而且曲線并沒有急劇下降的趨勢，吸收能量均大于904 J，這表明座椅未發(fā)生失效，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。對應(yīng)改進設(shè)計的座椅實物的試驗結(jié)果與其仿真分析結(jié)果一致，最終順利通過了文獻[1]要求的試驗。

3 結(jié)束語

采用仿真分析方法對座椅進行文獻[1]要求的模擬試驗，其有效性和可靠性通過某校車座椅的試驗得到了驗證。在此基礎(chǔ)上對校車座椅的結(jié)構(gòu)安全性進行評價，并提出改進措施。改進后的校車座椅結(jié)構(gòu)安全性得到了改善，通過了文獻[1]的要求。這表明采用CAE仿真分析和改進設(shè)計是很有效的，可以降低開發(fā)成本和縮短開發(fā)周期，提高試驗通過率。

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