汽車座椅強(qiáng)度仿真分析及優(yōu)化

宋廣晶，李翠萍，朱莉，牟雪雷，劉加林，王志奇

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定071000）

汽車座椅強(qiáng)度仿真分析及優(yōu)化

宋廣晶，李翠萍，朱莉，牟雪雷，劉加林，王志奇

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定071000）

基于Hypermesh軟件建立座椅強(qiáng)度仿真分析的有限元模型，并利用LS-DYNA進(jìn)行顯示求解計(jì)算，通過Hyperview后處理提取分析結(jié)果，得到了整個(gè)分析過程中座椅的變形過程及應(yīng)力分布情況，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了優(yōu)化，同時(shí)對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了計(jì)算驗(yàn)證。

汽車座椅；強(qiáng)度；仿真分析；優(yōu)化

0 引言

隨著汽車保有量的日益增加，人們對(duì)汽車安全性能的要求越來越高。汽車安全性能分為主動(dòng)安全性和被動(dòng)安全性，被動(dòng)安全性在汽車工業(yè)中更是發(fā)展迅速的領(lǐng)域，其中汽車座椅強(qiáng)度是汽車被動(dòng)安全的一個(gè)重要指標(biāo)。

GB 15083-2006標(biāo)準(zhǔn)中要求［1］：當(dāng)座椅處于制造廠所規(guī)定的正常使用位置時(shí)，構(gòu)成行李艙的座椅靠背或頭枕應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度以保護(hù)乘員不因行李的前移而受到傷害。試驗(yàn)的過程中及試驗(yàn)后，如果座椅及其鎖止裝置仍保持在原位置，則認(rèn)為滿足此要求。

在試驗(yàn)期間，允許座椅靠背及其緊固件變形，但是被測座椅靠背向前方移動(dòng)的距離不能超過座椅的R點(diǎn)前方100mm處的一橫向垂面，被測座椅頭枕向前方移動(dòng)的距離不能超過座椅的R點(diǎn)前方150mm處的一橫向垂面。

1 模型搭建

利用Hypermesh中MidSurface（提取中面）功能，抽取中面［2］，建立有限元模型，搭建被測汽車座椅骨架模型和地板模型，在不影響正常分析結(jié)果的前提下適當(dāng)簡化了運(yùn)算模型，見圖1。

其中座椅骨架采用殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用單元長度基準(zhǔn)為10mm、最小單元長度不小于5mm、最大單元長度不大于13mm的規(guī)則來劃分網(wǎng)格。各鈑金件之間的焊點(diǎn)和螺栓用剛性連接模擬。建立的有限元模型共有節(jié)點(diǎn)28640個(gè)，殼單元23477個(gè)，體單元7718個(gè)，剛性連接694個(gè)。

利用ANSA軟件LS-DYNA模塊對(duì)圖1所示模型進(jìn)行邊界條件的加載及其屬性 （材料參數(shù)和厚度）定義，其中座椅骨架所用材料及厚度、直徑見表1。模型的加載過程按照標(biāo)準(zhǔn)GB 15083-2006《汽車座椅、座椅固定裝置及頭枕強(qiáng)度要求和試驗(yàn)方法》4.15.1中的要求進(jìn)行，發(fā)生碰撞前，行李箱模塊以50km／h的初速度做減速運(yùn)動(dòng)，減速度為20g。

表1 座椅骨架材料

2 仿真分析

經(jīng)LS-DYNA求解計(jì)算［3］，通過Hyperview后處理提取分析結(jié)果，后排座椅的運(yùn)動(dòng)趨勢如圖2所示。其中圖（a）～（d）表示0～0.12s后排座椅的運(yùn)動(dòng)趨勢，從圖（d）中可知：靠背骨架及頭枕靠背骨架均超出標(biāo)準(zhǔn)平面，靠背骨架超出參考平面43mm（x方向垂直距離），頭枕骨架超出參考平面70mm（x方向垂直距離），不能滿足法規(guī)要求。

3 原因分析

圖3為行李箱模塊與座椅靠背發(fā)生碰撞后，模型的應(yīng)力云圖［4］?？梢钥闯觯簯?yīng)力最大值為500MPa以上，主要集中在座椅調(diào)角器的支架位置，最大值為510.8MPa，其余部位的應(yīng)力均處于400MPa以下。

圖4為行李箱模塊與座椅靠背發(fā)生碰撞后，模型的位移云圖?？梢钥闯?；最大位移發(fā)生在頭枕骨架，位移量為1321mm，且超出參考平面，不滿足法規(guī)要求，并且座椅靠背骨架中上部嚴(yán)重變形，位移量較大，影響了座椅乘坐安全性。

圖5為座椅的嚴(yán)重變形區(qū)域，可以看出：調(diào)角器支架、調(diào)角器主板都發(fā)生嚴(yán)重變形，是導(dǎo)致行李箱與座椅發(fā)生碰撞后座椅頭枕和骨架超過參考平面的主要原因。

造成座椅骨架損壞件較多的原因主要有：（1）座椅靠背骨架整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不夠、調(diào)角器支架材料強(qiáng)度及主板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度差，不足以提供行李箱在碰撞過程中的支撐力；（2）調(diào)角器強(qiáng)度差，降低了調(diào)角器主板和調(diào)角器支架的整體剛度。

4 優(yōu)化與計(jì)算驗(yàn)證

參考模擬結(jié)果，對(duì)座椅骨架進(jìn)行優(yōu)化，如圖6所示，主要措施有：（1）合理增強(qiáng)座椅靠背的強(qiáng)度，采用在座椅靠背骨架增加加強(qiáng)板方案；（2）合理增強(qiáng)調(diào)角器主板，采用增加加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)方案；（3）合理增強(qiáng)調(diào)角器支架，采用增加翻邊方案，還可采用材料屈服強(qiáng)度較大的材料。

對(duì)優(yōu)化后的模型進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如圖7所示，改進(jìn)后頭枕?xiàng)U及座椅骨架均未超出參考平面，靠背骨架距標(biāo)準(zhǔn)平面77mm（x方向垂直距離），頭枕骨架距參考平面98mm（x方向垂直距離），滿足法規(guī)要求。

5 結(jié)論

針對(duì)被測汽車座椅，利用Hypermesh、LS-DYNA、Hyperview有限元軟件，依據(jù)GB15083法規(guī)進(jìn)行了座椅強(qiáng)度仿真分析，從中可以觀察整個(gè)碰撞過程中座椅系統(tǒng)各部件的形狀、應(yīng)力等變化過程，從而方便設(shè)計(jì)人員對(duì)其結(jié)構(gòu)及材料進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。利用有限元分析的方法，在產(chǎn)品開發(fā)前避免重復(fù)設(shè)計(jì)，縮短了產(chǎn)品開發(fā)的周期，節(jié)約了成本。

【1】全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB 15083-2006汽車座椅、座椅固定裝置及頭枕強(qiáng)度要求和試驗(yàn)方法［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

【2】楊忠俊.HyperMesh在轎車車座椅動(dòng)態(tài)分析中的應(yīng)用［C］／／Altair 2011HyperWorks技術(shù)大會(huì)論文集，2011.

【3】韓峰，陳現(xiàn)嶺.座椅行李箱沖擊仿真分析［J］.汽車工程師，2012（11）：45－47.

【4】徐中明，郝煒雅，張志飛，等.汽車座椅強(qiáng)度及碰撞仿真分析［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2009（5）：513－515.

Simulation Analysis and Optimization for Automobile Seat Strength

SONG Guangjing，LICuiping，ZHU Li，MOU Xuelei，LIU Jialin，WANG Zhiqi
（Hebei Province Motor Engineering Technical Graduate Center，GreatWall Motor Company Limited Technical Center，Baoding Hebei071000，China）

A finite elementmodel of an automobile seat strength was established using Hypermesh，and calculation was done with LSDYNA.The distortion and stress distribution were displayed by Hyperview.Themodelwas optimized，while the optimization resultwas verified by calculations.

Automobile seat；Strength；Simulation analysis；Optimization

2013－10－08

宋廣晶（1985—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)槠嘋AE仿真。E-mail：songguangjing521＠163.com。