汽車后座椅骨架行李沖擊分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

明宇

(奇瑞汽車股份有限公司汽車工程研發(fā)總院預(yù)研與基礎(chǔ)技術(shù)研究院，安徽蕪湖 241009)

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汽車后座椅骨架行李沖擊分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

明宇

(奇瑞汽車股份有限公司汽車工程研發(fā)總院預(yù)研與基礎(chǔ)技術(shù)研究院，安徽蕪湖 241009)

摘要：為減少交通事故中行李塊沖擊引起的后排乘員傷亡，設(shè)計(jì)安全可靠的后排座椅骨架結(jié)構(gòu)，使之通過(guò)ECE R17法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)前后排座椅設(shè)計(jì)的基本要求。以某汽車后排座椅骨架為研究對(duì)象，建立其精確的CAD模型，按照ECE R17法規(guī)要求，運(yùn)用非線性有限元方法對(duì)其進(jìn)行仿真研究。計(jì)算結(jié)果表明座椅骨架及固定安裝支架存在兩個(gè)問(wèn)題：(1)該分體式座椅骨架吸能和抗變形能力嚴(yán)重不足；(2)座椅骨架固定點(diǎn)連接支架不夠牢固，在沖擊工況下易脫落。根據(jù)試驗(yàn)及仿真結(jié)果，提出改變?cè)摲煮w式座椅骨架為整體式座椅骨架，提高座椅骨架的整體剛度，增強(qiáng)抗變形能力；中部安裝支架采用整體式結(jié)構(gòu)，其余安裝支架結(jié)構(gòu)不變，厚度增加0.5 mm。 通過(guò)對(duì)改進(jìn)方案進(jìn)行分析驗(yàn)證，表明改進(jìn)后方案抗變形能力優(yōu)于分體式結(jié)構(gòu)，滿足法規(guī)要求。

關(guān)鍵詞：后排座椅；行李沖擊；碰撞安全；仿真分析

0引言

在交通事故中，汽車后排座椅將會(huì)受到行李塊的巨大沖擊載荷，座椅骨架結(jié)構(gòu)往往產(chǎn)生變形甚至斷裂，增加后排乘員的傷亡事故。因此后排座椅作為降低乘員損傷的安全部件，首先要能夠保證車輛在碰撞時(shí)后排乘員具有一定的生存空間，防止其他車載體(如行李等)進(jìn)入到生存空間，且能確保乘員在碰撞事故發(fā)生時(shí)保持一定姿態(tài)，防止后排乘員向前排發(fā)生二次撞擊。因此ECE R17法規(guī)明確規(guī)定后排座椅的行李沖擊強(qiáng)度的要求，導(dǎo)致了用傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)開發(fā)的座椅質(zhì)量和成本的增加。關(guān)于汽車座椅的安全性，當(dāng)前的研究方向主要有碰撞過(guò)程中座椅系統(tǒng)對(duì)乘員承受能量的分散作用、新型材料和新加工成型技術(shù)的應(yīng)用對(duì)座椅性能的影響，以及質(zhì)量、成本的節(jié)約問(wèn)題等[1-3]。

文中以某汽車后排座椅為研究對(duì)象，建立該座椅骨架的精確三維CAD模型，按照ECE R17法規(guī)要求，進(jìn)行非線性有限元分析，依據(jù)分析結(jié)果給出改進(jìn)方案，并對(duì)改進(jìn)方案進(jìn)行分析驗(yàn)證，表明改進(jìn)方案滿足法規(guī)要求。

1汽車座椅CAD模型的建立

座椅由許多零件組裝而成，建模前需要對(duì)座椅的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，確定各個(gè)零件對(duì)強(qiáng)度特性的影響，根據(jù)影響程度的不同對(duì)零件進(jìn)行篩選。座椅的坐墊與靠背屬分開式結(jié)構(gòu)，行李沖擊只對(duì)座椅靠背有影響，與坐墊部分無(wú)關(guān)[4-7]，因此在進(jìn)行強(qiáng)度分析時(shí)，只需對(duì)座椅靠背進(jìn)行幾何建模。座椅靠背承受外部載荷時(shí)，主要受力部件是靠背骨架，骨架表面的蒙皮及軟墊等覆蓋物對(duì)外部載荷貢獻(xiàn)量很少，基本上不能承受外部載荷。軟墊及蒙皮的形狀往往復(fù)雜且不規(guī)則，如果對(duì)軟墊及蒙皮結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何建模，不僅增加無(wú)謂的工作量，而且對(duì)后續(xù)強(qiáng)度分析結(jié)果影響不大，因此幾何建模時(shí)不考慮軟墊和蒙皮。基于以上分析，建立的座椅骨架的三維CAD精確模型如圖1所示，座椅骨架主要由靠背鋼管、靠背鋼絲、閉鎖機(jī)構(gòu)、外支架及中支架等組成。靠背鋼管材料為Q235B,規(guī)格為φ25×1.5；靠背鋼絲材料為Q235B,規(guī)格為φ5；座椅上閉鎖機(jī)構(gòu)支架材料為ST12，料厚為2.0 mm；車身上閉鎖結(jié)構(gòu)連接支架材料為B210P1,料厚為1.6 mm；下安裝點(diǎn)支架材料為ST12，料厚1.5 mm；中心支撐架材料SPHE,料厚2.5 mm。

圖1　座椅骨架CAD模型

2汽車座椅沖擊強(qiáng)度分析

2.1計(jì)算工況與載荷

根據(jù)ECE R17法規(guī)，模擬條件如圖2所示，將2個(gè)質(zhì)量為18 kg的剛性行李塊放置于行李艙的地板上。為確定縱向安放圖2所示剛性行李塊的位置，應(yīng)先將行李塊放置在座椅靠背后部，其前部與座椅靠背接觸，然后沿平行于車輛的縱向中心方向往后移動(dòng)，直至其移動(dòng)200 mm的水平距離[8]。車輛縱向中性面與剛性模塊內(nèi)側(cè)邊緣的距離應(yīng)為25 mm，以使兩剛性模塊之間有50 mm的距離。發(fā)生碰撞前，剛性模塊以50 km/h的初速度作減速運(yùn)動(dòng)，減速度為20g。計(jì)算后得，發(fā)生碰撞時(shí)的沖擊速度為10.84 km/h。

圖2　行李塊擺放位置

試驗(yàn)過(guò)程中及試驗(yàn)后，如果座椅以及閉鎖裝置仍保持在原位置，則認(rèn)為滿足試驗(yàn)結(jié)果要求。在試驗(yàn)期間允許座椅靠背及其緊固件變形，條件是試驗(yàn)靠背和頭枕部分的前輪廓不能向前方超出一橫向垂面(如圖3所示)，此平面經(jīng)過(guò)座椅R點(diǎn)前方150 mm處的點(diǎn)(對(duì)頭枕部分)與座椅R點(diǎn)前方100 mm處的點(diǎn)(對(duì)座椅靠背部分)。

圖3座椅R點(diǎn)前方橫向平面

2.2座椅沖擊強(qiáng)度有限元模型建立

將座椅骨架CAD三維精確模型通過(guò)有限元軟件的接口無(wú)縫導(dǎo)入有限元軟件中，有效避免模型在導(dǎo)入過(guò)程中特征丟失問(wèn)題。ECE R17法規(guī)對(duì)后排座椅行李塊沖擊試驗(yàn)是大變形、破壞性試驗(yàn)，因此與之對(duì)應(yīng)的碰撞有限元強(qiáng)度分析需要消耗大量的計(jì)算機(jī)資源，故有必要對(duì)座椅模型做適當(dāng)簡(jiǎn)化。座椅骨架主要由鋼管和鋼絲焊接而成，這種結(jié)構(gòu)適合建立梁?jiǎn)卧蜌卧M合的有限元模型，采用B31單元模擬靠背鋼絲，采用S4板殼單元模擬靠背鋼管。在有限元計(jì)算中對(duì)焊接的模擬主要有剛性桿單元連接法、公用節(jié)點(diǎn)法和公用單元連接法。文中采用剛性桿單元連接法，即在焊點(diǎn)位置采用無(wú)質(zhì)量的剛性桿單元將對(duì)應(yīng)位置的2個(gè)節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)，剛性的桿單元約束所連接的節(jié)點(diǎn)，使其具有相同的自由度，以模擬實(shí)際焊點(diǎn)的焊接功能。閉鎖機(jī)構(gòu)與車身連接支架間的螺栓連接，采取C3D81單元進(jìn)行實(shí)體建模。靠背鋼管下部與車身支架連接的螺栓同樣采取C3D81單元的實(shí)體建模。

根據(jù)ECE R17法規(guī)，將座椅沖擊有限元模型中的行李塊定義為300 mm×300 mm×300 mm、一切邊棱倒圓角為20 mm的薄壁金屬殼體，在實(shí)際碰撞過(guò)程中，行李塊以剛體形式存在, 因此將行李塊定義為剛性體, 其慣性中心與幾何中心重合。有限元碰撞模擬計(jì)算中模型間接觸關(guān)系的定義很重要。在碰撞時(shí), 由于接觸邊界的不斷變化，必須不斷地對(duì)接觸面進(jìn)行搜索。座椅靠背與剛性模塊的接觸采用面對(duì)面接觸方式, 即利用軟件提供的surface to surface 接觸, 對(duì)靠背后部表面和剛性模塊側(cè)面之間的接觸做定義。為了更好地模擬實(shí)際情況，將座椅行李塊沖擊模型放到白車身內(nèi)進(jìn)行模擬仿真分析。圖4為座椅行李塊沖擊有限元模型。

圖4　座椅行李塊沖擊試驗(yàn)有限元模型

2.3計(jì)算結(jié)果分析

圖5　座椅骨架及頭枕最大位移圖

由仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：座椅骨架60%部分變形最大，其最大變形位移超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的R點(diǎn)100 mm處的橫向平面，與沖擊試驗(yàn)過(guò)程中座椅骨架受沖擊載荷而產(chǎn)生的嚴(yán)重變形吻合，不滿足ECE R17法規(guī)要求。圖5為座椅骨架及頭枕在碰撞變形最大時(shí)的位移圖。

座椅骨架中心支撐架的仿真結(jié)果最大應(yīng)力值為545.2 MPa，超出SPHE材料的屈服極限462.7 MPa，最大應(yīng)力集中區(qū)域主要分布在支架與車身的焊點(diǎn)連接處，與實(shí)際試驗(yàn)時(shí)該處固定點(diǎn)撕裂相似，如圖6(a)所示。與60%靠背骨架連接的上安裝支架的最大應(yīng)力值為536.5 MPa，超出ST12材料的屈服極限428.5 MPa，最大應(yīng)力區(qū)域分布在閉鎖機(jī)構(gòu)的螺栓連接處，與實(shí)際試驗(yàn)該點(diǎn)拉脫吻合，如圖6(b)所示。60%靠背骨架的下閉鎖機(jī)構(gòu)與車身連接支架的仿真結(jié)果與上支架相似，最大應(yīng)力區(qū)域出現(xiàn)在螺栓及焊點(diǎn)連接區(qū)域，最大應(yīng)力值為517.7 MPa，超出支架材料ST12的屈服極限428.5 MPa,如圖6(c)所示。與40%靠背骨架連接的車身上下安裝支架沒有出現(xiàn)最大應(yīng)力超過(guò)屈服極限現(xiàn)象。

3結(jié)構(gòu)改進(jìn)及仿真驗(yàn)證

3.1改進(jìn)方案

根據(jù)試驗(yàn)及仿真結(jié)果，座椅骨架60%與40%兩部分中60%部分承受較大的沖擊載荷，而40%部分對(duì)載荷的貢獻(xiàn)量較小。為了讓40%部分也能起到分擔(dān)載荷作用，改變分體式座椅骨架為整體式座椅骨架，提高座椅骨架的整體剛度，增強(qiáng)抗變形能力。改進(jìn)方案如圖7所示。為適應(yīng)新的座椅骨架，中部安裝支架采用整體式結(jié)構(gòu)，如圖8所示，其他安裝支架結(jié)構(gòu)不變，厚度均增加0.5 mm。

圖7　整體式座椅骨架

圖8　中心支撐架

3.2改進(jìn)方案仿真驗(yàn)證

將改進(jìn)后的整體式座椅骨架方案CAD模型導(dǎo)入有限元軟件重新建模和加載分析，分析結(jié)果表明：在行李塊沖擊載荷作用下，座椅骨架的最大變形沒有超出R點(diǎn)規(guī)定的橫向平面，滿足ECE R17法規(guī)對(duì)座椅沖擊的試驗(yàn)要求，如圖9(a)所示。座椅骨架及安裝支架的最大應(yīng)力值為289.3 MPa，符合材料屈服極限要求，如圖9(b)所示。

圖9　整體式座椅骨架最大變形時(shí)的應(yīng)力云圖

4結(jié)論

以某汽車后排座椅骨架為例，建立其精確的CAD模型，按照ECE R17法規(guī)要求，運(yùn)用非線性有限元方法對(duì)其進(jìn)行仿真研究。實(shí)際沖擊試驗(yàn)與仿真結(jié)果表明該分體式座椅骨架的40%部分對(duì)沖擊載荷的貢獻(xiàn)量較小。為了讓40%的部分座椅骨架起到分擔(dān)載荷作用，改變分體式座椅骨架為整體式座椅骨架，以提高座椅骨架的整體剛度，增強(qiáng)座椅骨架的抗變形能力。通過(guò)對(duì)改進(jìn)方案的分析驗(yàn)證，表明改進(jìn)后方案抗變形能力優(yōu)于分體式結(jié)構(gòu)，滿足法規(guī)要求。座椅骨架及安裝支架的最大應(yīng)力值都低于材料的屈服極限，符合結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度要求。

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Luggage Impact and Structure Optimization for Rear Seat Frame of Automobile

MING Yu

(CAE Department Fatigue Simulation Section,AERI of Chery Automobile Co.,Ltd., Wuhu Anhui 241009,China)

Abstract:To reduce the rear occupant casualities in traffic accidents caused by the impact of luggage block, it is necessary to design a safe and reliable rear seat frame structure and meet regulations and standards by ECE R17. Taking a car rear seat frame as study object, its precise CAD model was established. According to ECE R17 regulations, the nonlinear finite element method was used to simulate and study the object.The finite elements results show that there are two problems: firstly, energy absorption and resistance to deformation of the split seat frame is serious short; secondly, fixed-point connection bracket of the seat frame is not strong enough and easy to fall off in shock conditions. In order to improve the overall stiffness and resistance to deformation of the seat frame, an overall split seat frame instead of the split seat frame was proposed. Center support bracket was the overall structure and the rest mounting bracket structure was unchanged, but the thickness was all increased 0.5 mm. Through the analysis of the improvement program, the results demonstrate that deformation resistance of improved scheme is superior to the split structure and meet regulation requirements.

Keywords:Rear seats；Luggage impact；Crash safety; Simulation analysis

收稿日期：2015-10-17

作者簡(jiǎn)介：明宇(1983—)，男，碩士，工程師，主要從事汽車底盤CAE方面的研究。E-mail:mingyu@mychery.com。

中圖分類號(hào):U463.83+6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-1986(2016)01-012-04