基于LS-DYNA的兒童座椅ISOFIX分析研究

侯延軍　周立　崔東　謝書港

（1.中國汽車技術(shù)研究中心，天津300300；2.南京卡仕福汽車技術(shù)有限公司，南京210008）

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基于LS-DYNA的兒童座椅ISOFIX分析研究

侯延軍1周立2崔東1謝書港1

（1.中國汽車技術(shù)研究中心，天津300300；2.南京卡仕福汽車技術(shù)有限公司，南京210008）

【摘要】采用有限元分析方法對國內(nèi)某微型客車中排分體座椅的ISOFIX系統(tǒng)進(jìn)行了研究。通過座椅位置敏感性分析，確定座椅在滑軌的最后位置是對ISOFIX強度最不利的位置?；谏鲜鲅芯砍晒麑Σ粷M足法規(guī)（GB14167-2013）要求的ISO?FIX系統(tǒng)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。有限元分析結(jié)果表明，優(yōu)化后的ISOFIX系統(tǒng)滿足國內(nèi)法規(guī)要求。

1　前言

據(jù)國外權(quán)威機構(gòu)研究結(jié)果表明，汽車上使用兒童專用的安全裝置可有效將兒童受傷害的幾率降低70 %左右，傷亡比例從11.5 %減少至3.5 %，其中兒童汽車安全座椅是最為關(guān)鍵的安全裝備[1]。兒童安全座椅固定系統(tǒng)的固定方式可分為3種，包括使用成人安全帶固定、歐洲標(biāo)準(zhǔn)的ISOFIX固定方式和美國標(biāo)準(zhǔn)的LATCH（Low?er Anchors and Tethers for Children）固定方式。

我國也針對兒童乘員約束系統(tǒng)進(jìn)一步完善了法規(guī)體系及試驗方法。GB14167-2013《汽車安全帶安裝固定點、ISOFIX固定點及上固定點系統(tǒng)》中，定義了ISO?FIX的技術(shù)要求及其試驗方法。GB27887-2011《機動車兒童乘員用約束系統(tǒng)》中明確了國內(nèi)所有在售車輛將強制安裝ISOFIX錨固系統(tǒng)裝置，并于2012年7月1日正式實施?；谝陨犀F(xiàn)狀，依托國內(nèi)某主機廠的一款微型客車中排座椅基于美國標(biāo)準(zhǔn)LATCH固定方式的ISO?FIX固定錨點結(jié)構(gòu)開發(fā)項目，采用有限元分析方法，對該車型的ISOFIX固定點強度進(jìn)行了分析研究，并針對出現(xiàn)的問題提出了結(jié)構(gòu)改進(jìn)建議，以保證該車型ISO?FIX裝置適應(yīng)法規(guī)要求。

2　ISOFIX裝置強度靜態(tài)試驗解析

ISOFIX是國際通用的兒童約束系統(tǒng)固定裝置，包括車輛上的兩個剛性固定點、兒童約束系統(tǒng)上兩個相對應(yīng)的剛性連接裝置及限制兒童約束系統(tǒng)翻轉(zhuǎn)的裝置。GB14167-2013中針對ISOFIX固定點系統(tǒng)強度有以下要求：

a.對只有ISOFIX下固定點的裝置,按5.5.2.2對SFAD（靜態(tài)加載裝置）施加前向力和斜向力試驗。加載期間SFAD的前向水平位移和斜向力方向位移均不超過125mm，允許出現(xiàn)永久變形和部分開裂，但在規(guī)定時間內(nèi)ISOFIX下固定點及周圍區(qū)域不能失效。

b.對含有ISOFIX上拉帶固定點的裝置,按5.5.2.3 對SFAD和上固定點之間進(jìn)行50±5 N的預(yù)加載，再按5.5.2.1.2施加8±0.25 KN的水平前向力。加載期間SFAD的前向水平位移和斜向力方向位移均不超過125 mm，允許出現(xiàn)永久變形和部分開裂，但在規(guī)定時間內(nèi)ISOFIX下固定點及周圍區(qū)域不能失效。

c.對不直接裝在車輛構(gòu)架上而力直接傳遞到車輛座椅總成上的安裝位置，應(yīng)進(jìn)行座椅慣性力附加試驗以保證座椅固定點有足夠的強度。座椅慣性力附加試驗按5.5.2.4試驗方法進(jìn)行。

3　仿真模型建立與分析

3.1研究車型的中排座椅ISOFIX結(jié)構(gòu)簡述

該微型客車中排座椅結(jié)構(gòu)如圖1所示。座椅與地板通過A1～A4共4個位置的螺栓進(jìn)行固定連接；L1、L2 是ISOFIX兩個下固定點，通過焊接方式固定到座椅后橫桿上；L3是上拉帶固定點，通過焊接方式固定到車身地板上。該車型的中排座椅包含滑軌，滑軌行程150 mm，在ISOFIX固定點強度分析中，需考慮座椅滑軌在不同位置下的ISOFIX強度變化。通過ISOFIX固定點的布置情況可以看出，座椅及其安裝點區(qū)域強度對下固定點影響較大，地板強度對上拉帶固定點影響較大。

圖1　座椅結(jié)構(gòu)及ISOFIX示意

座椅固定點處地板下端包含縱梁及座椅安裝橫梁等加強件，可加強地板強度并減緩座椅的變形程度。但通過初步的結(jié)構(gòu)分析可知，該車型中排座椅系統(tǒng)中存在如下幾個明顯風(fēng)險問題。

a.座椅安裝點和座椅滑軌未在同一條軸線上，不利于座椅受力傳遞到地板，如圖2所示。

圖2　座椅安裝腳架

b.座椅側(cè)梁支架偏后，不利于座椅Z向承力，如圖3（左圖）所示。

圖3　座椅側(cè)梁受力分析

c. 座椅后橫梁開孔過多，影響橫梁整體強度，從而影響地板強度，如圖4（左圖）所示。

圖4　座椅后橫梁結(jié)構(gòu)示意

3.2有限元模型搭建

按照法規(guī)要求，針對該微型客車中排分體兒童座椅ISOFIX固定點系統(tǒng)進(jìn)行有限元建模，固定點區(qū)域單元平均尺寸為5 mm，其它區(qū)域平均尺寸為8 mm。

為保證CAE分析精度，對網(wǎng)格質(zhì)量及模型搭建方法需要做一定要求。網(wǎng)格單元質(zhì)量要求如下：翹曲度小于15°，長寬比小于5，四邊形單元內(nèi)角角度范圍40° ～135°，三角形單元內(nèi)角角度范圍25°～120°，雅克比小于0.6。

由于座椅與地板采用螺栓固定連接，連接位置處受應(yīng)力影響較大，故CAE分析中安裝孔位置需要進(jìn)行Wather處理，螺栓連接采用Rigid單元進(jìn)行模擬，焊點采用MAT196材料的BEAM單元進(jìn)行模擬。由于座椅泡沫剛度較弱，根據(jù)經(jīng)驗分析其對ISOFIX強度的影響不大，為節(jié)約計算時間，僅對座椅骨架進(jìn)行建模，如圖5所示。

最終搭建模型如圖6所示。

圖5　座椅骨架結(jié)構(gòu)建模

圖6　某車型中排分體兒童座椅ISOFIX強度分析有限元模型

3.3加載條件

按照法規(guī)要求，對該車型中排分體座椅同時加載，加載測試工況如表1所示。

表1　模型加載工況

將座椅按實際連接方式安裝到車體地板上，車體地板前部、后部及左右門檻部分分別進(jìn)行剛性約束，如圖7所示。

圖7　車體約束條件

針對兩個下固定點和一個上固定點兩種工況進(jìn)行前向力加載，如圖8所示。

圖8　前向力加載示意

斜向力加載示意如圖9所示。加載方向包括同時左側(cè)加載、同時右側(cè)加載和一左一右加載；加載工況包括對兩個下固定點加載和對兩個下固定點一個上固定點同時加載。

3.4 CAE評價標(biāo)準(zhǔn)

GB14167-2013要求，加載期間SFAD的前向水平位移和斜向力方向位移均不超過125 mm，允許永久變形和部分開裂，但在規(guī)定時間內(nèi)ISOFIX下固定點及周圍區(qū)域不能失效。而CAE分析中，將SFAD在加載方向的位移設(shè)定為法規(guī)要求的80 %，即CAE分析SFAD載荷方向最大位移為100 mm；根據(jù)以往經(jīng)驗判斷，鈑金件塑性應(yīng)變控制在20 %以內(nèi)其結(jié)構(gòu)不會失效，故CAE分析中，將ISOFIX區(qū)域的塑性應(yīng)變控制在20 %。

3.5仿真結(jié)果分析

將分析模型提交LS-DYNA計算，計算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表2　計算結(jié)果匯總

對表2分析可知，該車型原ISOFIX系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無法滿足ISOFIX法規(guī)中對SFAD X點的位移要求和強度要求。以工況1為例進(jìn)行初步分析，SFAD位移如圖10所示；座椅本身變形較大，座椅安裝點塑性變形較大，有撕裂的風(fēng)險，ISOFIX固定點區(qū)域及座椅安裝點區(qū)域變形較大，如圖11所示；ISOFIX下固定點應(yīng)力云圖如圖12所示。

4　問題解析與優(yōu)化

4.1問題分析

因座椅結(jié)構(gòu)強度不足，發(fā)生塌陷，導(dǎo)致SFAD位移偏大，地板及座椅后橫梁變形如圖13、圖14所示。

圖10　工況1 SFAD位移曲線

圖11　工況1座椅結(jié)構(gòu)變形

圖12　ISOFIX下固定點應(yīng)力云圖

圖13　地板位移變形云圖

4.2優(yōu)化方案

座椅結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案如下：

a.增加座椅骨架厚度，如圖15所示，管件1厚度由1.2 mm調(diào)整至2.0 mm，管件2厚度由1.5 mm調(diào)整至3.0 mm。

圖15　座椅骨架增強

b.增加滑軌厚度及更改材料。座椅上滑軌材料由DC01調(diào)整為SAPH440，厚度由2.0 mm調(diào)整為2.5 mm；座椅下滑軌材料由DC01調(diào)整為SAPH440，厚度由2.0 mm調(diào)整為3.0 mm。

c.更改骨架側(cè)面支撐結(jié)構(gòu)。將側(cè)面支撐梁X向加寬。

d.更改坐盆骨架結(jié)構(gòu)，如圖16所示。

圖16　座椅坐盆結(jié)構(gòu)調(diào)整

e.增大座椅安裝腳架與地板的接觸面積，提高其抗彎能力。

地板結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案如下：

a.在橫梁內(nèi)部增加襯板以加強其結(jié)構(gòu)強度。

b.增加座椅安裝點加強板，加強座椅安裝點處強度。

4.3優(yōu)化方案結(jié)果分析

將施加優(yōu)化方案后的模型提交LS-DYNA計算，CAE分析計算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

通過CAE結(jié)果分析可知，6個工況的SFAD最大位移均滿足CAE指標(biāo)要求，座椅安裝點及ISOFIX固定點區(qū)域塑性應(yīng)變值都在20 %以內(nèi)；座椅本身變形較小,可滿足ISOFIX安裝強度要求。

各工況中SFAD位移最大是工況4，為101 mm，如圖17所示。

各工況中固定點區(qū)域塑性應(yīng)變最大是工況2，為17.4 %，其座椅變形如圖18所示。由圖18可知，施加優(yōu)化方案后，座椅結(jié)構(gòu)基本未發(fā)生變形。

表3　優(yōu)化方案計算結(jié)果匯總

圖17　工況4中SFAD位移曲線

圖18　工況2座椅位移變形云圖

5　座椅位置敏感性研究

5.1工況設(shè)計

座椅在前后方向不同位置時對SFAD裝置的約束限制效果將不同，故需通過CAE分析方法找到對SFAD限制最不利的座椅位置，以確保ISOFIX系統(tǒng)設(shè)計效果及ISOFIX強度滿足國標(biāo)要求。

根據(jù)座椅位置不同，分析工況設(shè)計如表4所示。

表4　座椅位置敏感性分析設(shè)計

根據(jù)前述計算結(jié)果分析，前向加載時兩點加載（工況1）較三點加載（工況2）工況要惡劣一些，斜向加載時左右座椅雙向加載（工況3、4）較同向加載（工況5、6）工況要惡劣一些，因此分析模型加載方式選取工況1、3、4。

5.2座椅位置敏感性計算結(jié)果分析

根據(jù)座椅位置，ISOFIX靜態(tài)強度分析結(jié)果如表5所示。

表5　座椅位置分析結(jié)果匯總

由表5可知，在各加載工況中，施加ISOFIX方案后，無論座椅位置調(diào)整為靠前、靠后或中間位置，座椅SFAD位置和應(yīng)變都基本能滿足法規(guī)要求。從SFAD位移量看，座椅在最后位置是對ISOFIX強度分析最不利的位置。

6　試驗驗證

根據(jù)ISOFIX固定點強度CAE分析結(jié)果，按ISOFIX試驗規(guī)則，針對工況2及工況4進(jìn)行了試驗驗證。各工況在額定加載下SFAD位移情況如表6所示。

表6　試驗驗證結(jié)果匯總

通過驗證試驗可以看出，兩側(cè)座椅的SFAD位移均低于120 mm限值，且較CAE分析結(jié)果有不同程度的降低。CAE分析結(jié)果在一定程度上正確反映了ISOFIX固定點強度表現(xiàn)，CAE結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作有效。但CAE分析結(jié)果同試驗結(jié)果仍有差異，原因分析如下。

a. CAE模型左右側(cè)座椅屬于對稱結(jié)構(gòu)，模型的連接及加載均一致，故兩個工況兩側(cè)座椅的SFAD位移相同。而實際試驗中由于左右側(cè)座椅性能差異、車身焊接差異及加載條件的略微差異，將導(dǎo)致相同工況左右側(cè)座椅SFAD位移不同。

b. CAE模型各部件連接方式根據(jù)實際連接做了簡化處理，焊點未考慮失效情況，模型中的材料力學(xué)性能同實際狀態(tài)會有一些差異，而且CAE分析時為了減少分析時間，提高了SFAD的加載速度，從而導(dǎo)致CAE分析結(jié)果要大于實際試驗結(jié)果。

若需進(jìn)一步提升CAE分析精度，需針對CAE分析模型進(jìn)行試驗對標(biāo)，包括調(diào)整加載條件、調(diào)整焊點強度、修正材料力學(xué)曲線等工作，這也是本研究項目在后期的重要工作內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)

1胡國武.汽車碰撞中兒童乘員的損傷及防護(hù)研究：[學(xué)位論文].廣州：華南理工大學(xué). 2011.

2 GB27887-2011機動車兒童乘員用約束系統(tǒng)

3 GB14167-2013汽車安全帶安裝固定點、ISOFIX固定點及上固定點系統(tǒng)

4 GB14166-2013機動車乘員用安全帶、約束系統(tǒng)、兒童約束系統(tǒng)ISOFIX兒童約束系統(tǒng)

5曹兆友,王海亮. ISOFIX固定系統(tǒng)的安全性分析.汽車工程師，2010（01）：46～47.

（責(zé)任編輯簾青）

修改稿收到日期為2015年9月1日。

Research on Child Seat ISOFIX Based on LS-DYNA

Hou Yanjun1, Zhou Li2, Cui Dong1, Xie Shugang1
（1. China Automotive Technology & Research Center, Tianjin 300300; 2. Nanjing Car Safe Co., Ltd, Nanjing 210008）

【Abstract】Child seat ISOFIX system of a home- made minibus is studied with finite element analysis. Seating position sensitivity analysis is made, which indicates that the seat at the end of the slide rail is the worst possible position for the strength of ISOFIX. Based on the above research results, ISOFIX system which does not meet the national standard (GB14167- 2013) is optimized. The finite element analysis shows that the optimized ISOFIX system can meet the requirement of the national standard.

Key words:ISOFIX, Optimization, Seat Strength

中圖分類號:U463.83+6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1000-3703（2016）01-0042-05

主題詞:ISOFIX系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計座椅強度