客車后排3人椅試驗(yàn)仿真與鉤件尺寸優(yōu)化

唐友名， 肖光華， 陳昌萍， 薛清

(1. 廈門理工學(xué)院 福建省新能源汽車與安全技術(shù)研究院， 福建 廈門 361024；2. 廈門理工學(xué)院 福建省客車及特種車輛研發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心， 福建 廈門 361024；3. 廈門金龍汽車座椅有限公司， 福建 廈門 361022)

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客車后排3人椅試驗(yàn)仿真與鉤件尺寸優(yōu)化

唐友名1,2， 肖光華1,3， 陳昌萍1， 薛清3

(1. 廈門理工學(xué)院 福建省新能源汽車與安全技術(shù)研究院， 福建 廈門 361024；2. 廈門理工學(xué)院 福建省客車及特種車輛研發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心， 福建 廈門 361024；3. 廈門金龍汽車座椅有限公司， 福建 廈門 361022)

為了降低座椅鉤件的材料成本，采用Hyperworks軟件建立某款客車后排3人座椅的有限元模型.基于GB 14167-2013《汽車安全帶安裝固定點(diǎn)、ISOFIX 固定點(diǎn)及上固定點(diǎn)系統(tǒng)》進(jìn)行座椅安全帶固定點(diǎn)試驗(yàn)與仿真，對比分析上、中、下3條繩索最大位移量，驗(yàn)證仿真模型有效.在仿真模型基礎(chǔ)上，針對座椅后腳鉤件提出3組優(yōu)化方案，選取最優(yōu)方案，利用Optistruct模塊對最優(yōu)方案鉤件進(jìn)行尺寸優(yōu)化.結(jié)果表明：在滿足安全帶固定點(diǎn)試驗(yàn)法規(guī)的前提下，座椅鉤件厚度從10 mm減至2.5 mm；采用Q235材料代替原SAPH590材料，可以降低座椅鉤件成本.

客車座椅； 安全帶； 尺寸優(yōu)化； 汽車安全

汽車座椅作為乘員約束系統(tǒng)的主要安全部件，在汽車被動安全保護(hù)中起著重要作用.在汽車碰撞中汽車座椅起著保持乘員生存空間，使其他約束裝置實(shí)現(xiàn)保護(hù)效能的作用[1-9].GB 14167-2013《汽車安全帶安裝固定點(diǎn)、ISOFIX固定點(diǎn)系統(tǒng)及上拉帶固定點(diǎn)》規(guī)定座椅安全帶固定點(diǎn)應(yīng)具備的最低強(qiáng)度[3].為了座椅及其固定件能夠有效保護(hù)乘員的生命安全，專家學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究.Kang等[4]通過分析座椅安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度，提出檢查焊點(diǎn)斷裂有效標(biāo)準(zhǔn).Hu等[5]使用有限元方法對大型客車的安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度進(jìn)行分析.Somsak等[6]研究在汽車發(fā)生前碰的情況下，身體尺寸小的孩子需要更向前的上安全帶固定點(diǎn)、內(nèi)固定點(diǎn)和外固定點(diǎn)去避免滑脫.覃國周[7]對汽車座椅安全帶固定點(diǎn)常見失效形式及原因進(jìn)行探討.謝曉波等[10]基于LS-DYNA，驗(yàn)證了運(yùn)用有限元顯式積分分析汽車安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度的方法.座椅是汽車約束系統(tǒng)的重要組成部分，同時(shí)，企業(yè)對座椅的成本非常敏感.因此,在滿足法規(guī)要求的前提下，降低座椅的成本是有必要的.本文提出客車后排3人椅試驗(yàn)仿真與鉤件尺寸優(yōu)化.

1 有限元模型的建立

1.1 座椅模型網(wǎng)格劃分

選用的座椅為某款客車后排3人椅汽車，座椅主要由座椅骨架、海綿組成.座椅骨架大部分通過殼單元模擬，坐墊泡沫由體單元模擬.對于該有限元模型，座椅骨架部分殼單元尺寸以4 mm為主；座椅海綿部分體單元尺寸以10 mm為主；剛性人體樣塊部分殼單元尺寸以20 mm為主.整個(gè)模型有155 579個(gè)節(jié)點(diǎn)，171 221個(gè)單元，其中，三角形單元有3 359個(gè)，占總單元的2%，滿足小于5%的建模要求.座椅骨架材料為鋼材，座墊為泡沫材料.通過對座椅拉伸和壓縮，獲得材料數(shù)據(jù).座椅安全帶固定點(diǎn)試驗(yàn)及試驗(yàn)有限元模型，如圖1所示.

(a) 座椅安全帶固定點(diǎn)試驗(yàn) (b) 座椅試驗(yàn)有限元模型圖1 有限元模型Fig.1 Finite element model

1.2 邊界條件的施加

由于試驗(yàn)設(shè)備的限制，實(shí)際通過試驗(yàn)機(jī)施加載荷的力值(F)曲線，如圖2所示.圖2中：施加載荷力值曲設(shè)為加載邊界條件.

圖2 試驗(yàn)機(jī)施加載荷的力值曲線Fig.2 Force value curve of ropes loading

按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 14167-2013《汽車安全帶安裝固定點(diǎn)、ISOFIX 固定點(diǎn)及上固定點(diǎn)系統(tǒng)》，安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度試驗(yàn)有以下2個(gè)規(guī)定.

1) 沿平行于車輛的縱向中心平面并與水平線成向上(10±5)°的方向施加10%的綜合預(yù)加載，然后，增加載荷至總荷載.

2) 通過繩索對上模塊施加(13.5±0.2) kN的試驗(yàn)載荷，與此同時(shí)，對下人體模塊施加(13.5±0.2) kN的試驗(yàn)荷載.在座椅質(zhì)心施加一個(gè)相當(dāng)于座椅總質(zhì)量20倍的力值，3人座椅質(zhì)量為28.5 kg.

表1 實(shí)際試驗(yàn)對座椅施加荷載

為了更好地驗(yàn)證座椅的強(qiáng)度，實(shí)際對座椅施加的荷載為1.3倍的施加法規(guī)力值，如表1所示.表1中：F1為預(yù)緊力；VF為加載力速率；F2為目標(biāo)力值；t為達(dá)到目標(biāo)力值保持時(shí)間.

2 座椅仿真分析及模型驗(yàn)證

對比試驗(yàn)和仿真分析結(jié)果的上、中、下繩索的最大位移，試驗(yàn)與座椅仿真的3根繩索最大位移分別為試驗(yàn)值183.8 mm(上繩索)、仿真值185.8 mm(上繩索)；試驗(yàn)值88.3 mm(中繩索)、仿真值91.3 mm(中繩索)；試驗(yàn)值191.3 mm(下繩索)、仿真值197.5 mm(下繩索).通過對比上、中、下繩索最大位移值可知:3根繩索試驗(yàn)和仿真的最大位移值的誤差均在5%可接受的范圍內(nèi).因此，建立的有限元模型是可靠的，可以用于后面的優(yōu)化分析.

3 后排座椅的后腳鉤件優(yōu)化

原座椅的鉤件由SAPH 590鋼材、10 mm厚的單片鈑金通過激光切割工藝制作，質(zhì)量約278 g，達(dá)到了安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度試驗(yàn)的要求.為了降低鉤件的成本，對其提出3種優(yōu)化方案.方案1，將鉤件改成SAPH 440鋼材、3 mm厚單片鈑金凹槽式鎖鉤.方案2，將鎖鉤改成使用鋼材、3 mm厚的的凹槽鎖鉤.方案3，基于方案2，通過鐵片將凹槽尾鉤相連.基于上述的3個(gè)方案，修改有限元模型，并通過有限元仿真進(jìn)行計(jì)算,驗(yàn)證方案可行性.上述改進(jìn)方案，如表2所示.

表2 鉤件優(yōu)化方案

通過仿真分析，可得方案1、方案3通過法規(guī)GB 14167-2013的安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度試驗(yàn)，方案2不能通過，確定方案3為最優(yōu)方案.座椅鉤件優(yōu)化方案仿真分析結(jié)果，如圖3所示.

(a) 方案1 (b) 方案2 (c) 方案3圖3 鉤件3種優(yōu)化方案仿真分析結(jié)果Fig.3 Simulation results of 3 hook optimization schemes

4 座椅鉤件厚度尺寸的優(yōu)化

上述優(yōu)化方案是通過更改鉤件的結(jié)構(gòu)、材料、尺寸厚度達(dá)到優(yōu)化效果.為了達(dá)到更省成本的目標(biāo)，可進(jìn)一步對后腳鉤件優(yōu)化.選取上述最優(yōu)方案，通過Optistruct模塊對后腳鉤件進(jìn)行尺寸優(yōu)化，以期得到最省材料的方案.Optistruct結(jié)構(gòu)優(yōu)化模塊，包括拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化、形貌優(yōu)化和自由形狀優(yōu)化.文中以后腳鉤件的質(zhì)量最小為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型[9-11]為

對后腳鉤件進(jìn)行強(qiáng)度約束，根據(jù)材料力學(xué)強(qiáng)度公式，對于塑性材料，其許用應(yīng)力值計(jì)算公式[11]為

式中:σs為材料的屈服極限；ns為材料的安全系數(shù).

該后腳鉤件材料Q235，取安全系數(shù)為1.5，計(jì)算出的許用應(yīng)力為[σ]=156.67 MPa.因此,當(dāng)試驗(yàn)過程中座椅最大應(yīng)力≤[σ]時(shí)，才能滿足強(qiáng)度要求.

對安全帶固定點(diǎn)試驗(yàn)進(jìn)行靜力分析，取加載力值達(dá)到峰值時(shí)的座椅狀態(tài)，由對安全帶加載的力值轉(zhuǎn)化為對各安全帶固定點(diǎn)的力，作為座椅Optistruct優(yōu)化模型的邊界條件.對座椅骨架上的安全帶固定點(diǎn)沿安全帶方向施加17.9 kN的力值，對靠骨架上的安全帶固定點(diǎn)沿安全帶方向施加20.3 kN的力值，對靠骨架安全帶導(dǎo)向處沿安全帶方向施加兩個(gè)20.3 kN的力值，如圖4所示.

(a) 座骨架上的安全帶固定點(diǎn) (b) 靠骨架上的安全帶固定點(diǎn) (c) 靠骨架安全帶導(dǎo)向點(diǎn)圖4 靜力力值施加Fig.4 Static force loading

模型經(jīng)優(yōu)化仿真計(jì)算得到后腳鉤件厚度優(yōu)化結(jié)果由原厚度3 mm優(yōu)化為2.43 mm，如圖5所示.通過Optistruct優(yōu)化可知，后腳鉤件的最終優(yōu)化結(jié)果為2.43 mm，取整為2.5 mm，帶入原計(jì)算模型驗(yàn)證.座椅滿足安全帶固定點(diǎn)試驗(yàn)，鉤件沒有被拉脫，優(yōu)化方案可行，其驗(yàn)證結(jié)果如圖6所示.

圖5 后腳鉤件尺寸優(yōu)化結(jié)果Fig.5 Size optimization result of rear hook

(a) 試驗(yàn)初 (b) 試驗(yàn)中 (c) 試驗(yàn)后圖6 優(yōu)化后的座椅安全帶固定點(diǎn)試驗(yàn)Fig.6 Experiment of seatbelt anchorages after optimizing

5 結(jié)束語

建立某款3人后排座椅有限元模型，通過與試驗(yàn)對比驗(yàn)證其有效性.為了降低座椅成本，提出座椅鉤件的3種優(yōu)化方案，選取最優(yōu)的優(yōu)化方案，并通過Optistruct模塊進(jìn)行鉤件的厚度優(yōu)化.最后，實(shí)現(xiàn)了將后腳鉤件材料由SAPH 590替換為Q 235鋼材，將厚度10 mm減少為2.5 mm，質(zhì)量約為206 g，較原鉤件減少25%的質(zhì)量，并可通過激光切割制作，沒有增加工藝難度，得到了良好的優(yōu)化結(jié)果，降低了座椅鉤件成本.

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[2] 張科峰,李弢,王欣等.客車座椅仿真分析及輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].客車技術(shù)與研究,2013,5(5):20-22.

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(責(zé)任編輯： 陳志賢 英文審校： 崔長彩)

Simulation Analysis on Rear Three-Occupant Seats for Bus Coach and Hook Size Optimization

TANG Youming1,2, XIAO Guanghua1,3,CHEN Changping1, XUE Qing3

(1. Institute of New Energy Vehicle and Safety Technology, Xiamen University of Technology, Xiamen 361024, China;2. Collaborative Innovation Center for Research Design of Coach and Special Vehicle,Xiamen University of Technology, Xiamen 361024, China;3. Xiamen Dragon Seat Corporation Limited, Xiamen 361022, China)

In order to reduce material cost of seat hooks, a finite element model of rear three-occupant seats for bus and coach was established by using Hyperworks software. According to GB 14167-2013 standard, experiments and simulations of the seatbelt anchorages were carried out to compare the maximum displacement of upper, middle, and lower ropes. Based on the above models, three groups of optimization schemes for seat hook design were proposed. With the best scheme the hook size was optimized using Optistruct. The analysis results showed that, when Q235 steel was used to replace the original SAPH590 steel, thickness of the seat hook can be reduced from 10 mm to 2.5 mm, and the material cost of seat hook can be consequently reduced, without the comprise of safety of seatbelt anchorages.

bus seat; seatbelt; size optimization; vehicle safety

10.11830/ISSN.1000-5013.201606003

2016-06-01

唐友名(1981-)，男，副教授，博士后，主要從事車輛安全與新能源汽車技術(shù)的研究.E-mail:tangyouming@xmut.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51305374)； 福建省高校杰出青年科研人才基金項(xiàng)目(JA14229)； 廈門理工學(xué)院對外合作專項(xiàng)(E201400300)

U 461.91

A

1000-5013(2016)06-0671-05