汽車后排座椅行李箱沖擊的仿真分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

戰(zhàn)楠，吳迪，卜曉兵，耿動(dòng)梁

(中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300)

0 引言

座椅系統(tǒng)是汽車上保護(hù)車內(nèi)乘員安全的關(guān)鍵部件之一，不但要承受乘員的質(zhì)量，還要承受車輛啟動(dòng)、制動(dòng)及加速等常規(guī)工況以及碰撞事故中的沖擊載荷。特別是在交通事故中，汽車后排座椅會(huì)受到行李箱內(nèi)物體的巨大沖擊載荷，座椅骨架如剛強(qiáng)度設(shè)計(jì)不足將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的變形甚至斷裂，對(duì)后排乘員造成嚴(yán)重的傷害。因此，2009年國(guó)家頒布強(qiáng)制檢驗(yàn)法規(guī)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》，對(duì)汽車在發(fā)生碰撞時(shí)行李箱后排座椅的侵入量提出了明確要求[1-4]。該法規(guī)對(duì)座椅背部的支撐結(jié)構(gòu)及座椅骨架的強(qiáng)度都提出了更高的要求。本文作者通過(guò)對(duì)某型后座椅行李箱沖擊進(jìn)行CAE仿真，對(duì)后排座椅背部支撐梁在仿真中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析，并對(duì)背部支撐梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，使改進(jìn)后的方案可以滿足法規(guī)要求。

1 汽車座椅安全系統(tǒng)法規(guī)簡(jiǎn)介

1.1 我國(guó)汽車座椅安全性法規(guī)

20世紀(jì)80年代中后期，我國(guó)開(kāi)始研究汽車座椅被動(dòng)安全，并相繼頒布了GB 15083-2006、GB 11550-2009，2013年增加了GB 14167-2013《汽車安全帶固定點(diǎn)、ISOFIX固定點(diǎn)系統(tǒng)及上拉帶固定點(diǎn)》。其中于2007年2月開(kāi)始執(zhí)行的GB 15083-2006新標(biāo)準(zhǔn)中，增加了對(duì)移動(dòng)行李乘員防護(hù)的特殊規(guī)定[5]。該規(guī)定的制定主要參照了ECE R17 的相關(guān)內(nèi)容，具體法規(guī)及試驗(yàn)要求如下。

1.2 移動(dòng)行李箱及乘員防護(hù)相關(guān)規(guī)定

GB 15083-2006法規(guī)中附錄F明確規(guī)定：需將2個(gè)體積為300 mm×300 mm×300 mm、質(zhì)量為18 kg的試驗(yàn)樣塊并排放置在后行李艙地板上，如圖1所示，試驗(yàn)樣塊前邊緣距離座椅靠背的最近距離為200 mm，2個(gè)試驗(yàn)樣塊內(nèi)側(cè)邊緣距離車輛縱向中心面均為25 mm，以使2個(gè)試驗(yàn)樣塊之間有50 mm的距離，如圖2所示。

圖1 座椅靠背及試驗(yàn)樣塊的位置[5]

圖2 試驗(yàn)樣塊的位置

將車體固定在試驗(yàn)臺(tái)車上，試驗(yàn)時(shí)對(duì)乘員及車體進(jìn)行減速，波形如圖3所示。進(jìn)行減速前，乘員車體的自由速度為50 km/h。

圖3 臺(tái)車減速通道時(shí)間函數(shù)

當(dāng)座椅處于設(shè)計(jì)狀態(tài)規(guī)定的正常使用位置時(shí)，構(gòu)成行李艙的頭枕和座椅靠背應(yīng)具有足夠的剛度及強(qiáng)度以保護(hù)乘員不因行李的前移受到傷害，在發(fā)生行李箱沖擊時(shí)，座椅與車身需保持連接狀態(tài)，不能脫開(kāi)。同時(shí)要求座椅靠背骨架不能發(fā)生斷裂。上述過(guò)程中，允許座椅靠背及其緊固件發(fā)生變形，但試驗(yàn)靠背及頭枕邵氏硬度大于50的前輪廓不能向前移出一橫向垂面(對(duì)靠背部分)，此橫向垂面經(jīng)過(guò)座椅R點(diǎn)前方100 mm處的點(diǎn)和(對(duì)頭枕部分)座椅R點(diǎn)前方150 mm處的點(diǎn)。

2 某車型座椅模型建立

2.1 某車型座椅CAD模型

座椅由許多零件組裝而成，建模前首先需要對(duì)座椅的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，確定各個(gè)零件對(duì)座椅剛度、強(qiáng)度特性的影響，并根據(jù)影響程度對(duì)零件進(jìn)行篩選。座椅的坐墊與靠背為分開(kāi)式結(jié)構(gòu)，行李沖擊時(shí)主要對(duì)座椅靠背有影響，與坐墊部分相關(guān)性較小，因此在進(jìn)行強(qiáng)度分析時(shí)，只需建立座椅靠背的幾何模型。座椅靠背承受外部載荷時(shí)，主要承載部件是靠背骨架，骨架表面的蒙皮、軟墊等覆蓋物對(duì)外部載荷貢獻(xiàn)量很小，且軟墊及蒙皮形狀復(fù)雜且不規(guī)則，如果對(duì)軟墊及蒙皮結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，對(duì)后續(xù)剛強(qiáng)度分析結(jié)果影響不大，卻增加了很多工作量和計(jì)算量，因此幾何建模時(shí)不考慮蒙皮和軟墊。基于以上分析，座椅骨架主要有靠背鋼管、靠背鋼絲、閉鎖機(jī)構(gòu)及支架等組成，如圖4所示?？勘充摴懿牧霞颁摻z材料為Q235，座椅上閉鎖機(jī)構(gòu)支架材料為SPCC。

圖4 后排座椅骨架結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 汽車座椅有限元模型建立

2.2.1 網(wǎng)格劃分

如第2.1節(jié)中所述，首先整理分析座椅的結(jié)構(gòu)、零部件之間的連接關(guān)系和運(yùn)動(dòng)關(guān)系、材料屬性等。座椅骨架多為沖壓鈑金件，在對(duì)薄壁件進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，通常先抽取中面，而后用shell單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在網(wǎng)格劃分前需進(jìn)行幾何清理，去掉一些不必要的孔洞、倒角等，并保證幾何面的完整。單元平均尺寸5 mm，保證如表1所示質(zhì)量要求。為保留零件特征，允許有三角形單元，但要控制三角形的比例，一般在5%以下，并防止局部三角形過(guò)多出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象。焊縫結(jié)構(gòu)需控制單元質(zhì)量，并保證有兩排網(wǎng)格單元。安裝孔受到較大的沖擊力，需要建立washer避免單元穿透。

表1 單元質(zhì)量要求

2.2.2 材料屬性設(shè)置

為滿足計(jì)算過(guò)程中參數(shù)一致，需對(duì)座椅模型中的物理參數(shù)單位制進(jìn)行統(tǒng)一。常用的單位制體系有兩種，文中的座椅模型統(tǒng)一采用Ton-mm-s單位制。

同時(shí)需對(duì)材料參數(shù)，包括：彈性模量、泊松比、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線、密度等進(jìn)行正確設(shè)定，如表2所示。

表2 靜力分析材料參數(shù)

2.2.3 邊界條件定義

建立行李塊模型，質(zhì)量為18 kg，邊長(zhǎng)300 mm，棱邊倒圓角均為20 mm，網(wǎng)格尺寸10 mm。兩行李塊距離座椅200 mm，中心面為車縱向平面，間距50 mm對(duì)稱放置于行李箱地板上。

為便于計(jì)算完成后查看輸出結(jié)果，在座椅前方距離R點(diǎn)100 mm和150 mm處分別建立剛性板。同時(shí)，由于座椅系統(tǒng)零部件較多，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，整體模型選擇自接觸。

座椅及行李箱模型建立完成后，對(duì)整個(gè)模型施加重力場(chǎng)，加速度為9.8 m/s2。根據(jù)試驗(yàn)要求對(duì)模型施加一個(gè)50 km/h的初速度，再對(duì)座椅和地板施加一個(gè)如圖5所示的加速度波形。

整個(gè)模型采用顯示算法，計(jì)算時(shí)間設(shè)置為0.2 s，通過(guò)LS-DYNA進(jìn)行計(jì)算[6-7]。

2.3 座椅沖擊強(qiáng)度結(jié)構(gòu)分析

圖6為行李沖擊為102 mm時(shí)位移結(jié)果云圖，此時(shí)后排座椅骨架位移達(dá)到最大，后排行李骨架變形較大，座椅縱管發(fā)生了明顯的彎折失穩(wěn)。

圖6 行李沖擊位移結(jié)果云圖

同時(shí)，圖7所示兩管梁焊接部位有明顯的應(yīng)變力集中，在試驗(yàn)中易發(fā)生失效。需要對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化。

圖7 行李沖擊應(yīng)變結(jié)果

3 汽車座椅結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 改進(jìn)方案

針對(duì)該款座椅即將量產(chǎn)、時(shí)間緊迫的情況，要求改進(jìn)方案滿足短時(shí)間內(nèi)可實(shí)施完成變更，更改量要相對(duì)較小但要求保證實(shí)施有效的方案。充分考慮上述因素，采取了以下改進(jìn)方案并進(jìn)行了驗(yàn)證：

(1)在沖擊時(shí)發(fā)生彎折處，增加一根橫管，如圖8所示。

(2)調(diào)整了靠背鎖與橫管之間縱向距離。

圖8 增加橫向管梁并調(diào)整間距

3.2 改進(jìn)結(jié)果驗(yàn)證

按照與原方案一致的邊界條件對(duì)改進(jìn)后的模型進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果如圖9所示。優(yōu)化后分析結(jié)果顯示：支撐梁的變形程度有了明顯改善，行李箱沖擊過(guò)程中，增加的橫向管梁提高了結(jié)構(gòu)整體的剛度，且吸收了大量的沖擊能量，縱管沒(méi)有發(fā)生彎折失穩(wěn)。

如圖10所示：兩管梁焊接部位的應(yīng)力集中也有了明顯的改善，改進(jìn)后的后排座椅可以滿足該項(xiàng)試驗(yàn)的強(qiáng)制法規(guī)要求，有效地保障了后排乘員的安全。

圖9 改進(jìn)后行李沖擊位移結(jié)果

圖10 改進(jìn)后行李沖擊應(yīng)變結(jié)果

4 結(jié)論

以某款汽車后排座椅骨架為例，具體闡述了行李箱沖擊試驗(yàn)方法；在對(duì)行李箱沖擊試驗(yàn)失效分析的基礎(chǔ)上，基于HyperMesh、LS-DYNA、HyperView等平臺(tái)對(duì)后排座椅進(jìn)行了有限元仿真分析，對(duì)該款座椅在強(qiáng)制工況行李箱沖擊試驗(yàn)中的表現(xiàn)和安全性進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并針對(duì)存在的問(wèn)題提出了改進(jìn)方案。結(jié)果表明：改進(jìn)后的座椅能滿足國(guó)家強(qiáng)制法規(guī)GB 15083-2006附錄F條例的要求。座椅支撐橫梁的結(jié)構(gòu)不僅提高了座椅骨架的剛度，更能為后排成員提供良好的保護(hù)。同時(shí)，應(yīng)用CAE仿真分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)可以有效提高研發(fā)效率，減少實(shí)車試驗(yàn)的次數(shù)，降低研發(fā)成本。