基于Hypermesh的后排座椅頭枕靜強(qiáng)度仿真研究

竇明哲 付景順

摘要：汽車座椅頭枕在發(fā)生事故時，對乘員頭部起到保護(hù)和支撐作用，直接影響汽車的安全性。文章根據(jù)GB15083-2006的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，利用Hypermesh與Ls-dyna的聯(lián)合仿真的方法，對某乘用車的后排座椅頭枕進(jìn)行靜強(qiáng)度仿真分析，在三次加載后，后排座椅鎖止結(jié)構(gòu)發(fā)生失效現(xiàn)象，強(qiáng)度不足，通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)，使其滿足法規(guī)的相關(guān)要求。

關(guān)鍵詞：聯(lián)合仿真;Hypermesh;頭枕靜強(qiáng)度

中圖分類號：U463 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）12-0016-02

1概述

隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展，汽車早已成為人們出行的主要工具，也因此，高頻的交通事故接踵而來。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在事故中，后排乘客出現(xiàn)危險的概率較高。汽車座椅頭枕作為被動安全的組成部分，因此后排座椅安全性能引起了廣泛的重視，為保護(hù)乘客的安全需對后排座椅頭枕強(qiáng)度進(jìn)行分析。

本文以某乘用車的后排座椅為研究對象，利用Hyper-mesh建模，使用Ls-dyna求解器求解，根據(jù)仿真分析結(jié)果，對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化，使其滿足GBl5083-2006《汽車座椅、座椅固定裝置及頭枕強(qiáng)度要求和試驗(yàn)方法》的相關(guān)法規(guī)規(guī)定。

2頭枕靜強(qiáng)度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及強(qiáng)度要求

對于后排座椅，每個規(guī)定的乘坐位置都應(yīng)該驗(yàn)證且需要時加載。該分6嚅對模型進(jìn)行三次加載，具體打加載方式如下：

第一次加載：相對于R點(diǎn)以r為基準(zhǔn)線，施加向后373N'm的力矩作用在人體模型靠背的部件。

第二次加載：在頭枕頂部下方65mm處，施加一個垂直于r1的轉(zhuǎn)矩，大小為373N·m。

第三次加載：第二次加載后，測量此時Y到r1的距離x，若x小于102mm且座椅并且座椅靠背未出現(xiàn)損壞，進(jìn)行第三次加載，將第二次的加載力增加到890N，加載后要求座椅不能損壞。具體加載方式如圖1所示。

3有限元模型的建立

有限元模型質(zhì)量的好壞會直接影響仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和合理性，因此后排座椅頭枕有限元模型建立的準(zhǔn)確性極其重要圈。在Hypermesh中進(jìn)行建模，最終得到如圖2所示的有限元模型。

利用關(guān)鍵字*LOAD_NODE_POINT進(jìn)行加載，如圖3所示為加載假背模型加載曲線圖，頭部加載曲線如圖4所示。約束方式按照實(shí)際連接位置進(jìn)行約束。

模型中部分結(jié)構(gòu)的材料屬性如表1。

4后排座椅仿真結(jié)果

頭枕后移量x是頭枕靜態(tài)性能試驗(yàn)判定的重要指標(biāo)。如圖5所示，在260ms時，頭枕位移量x為79.6mm，小于102mm，滿足法規(guī)規(guī)定的位移量要求，且該時刻模型未損壞，則認(rèn)為第三次加載分析可以進(jìn)行，按照規(guī)定，將第二次的初始載荷增加到890N。

具體如圖6所示第三次加載后鎖止機(jī)構(gòu)出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，該處采用的鋼材型號為QSTE420，屈服強(qiáng)度為420Mpa，極限強(qiáng)度為556.8Mpa，極限應(yīng)變?yōu)?0%。由圖中可知其最大應(yīng)變56.1%。雖然應(yīng)變極值區(qū)只占很小的區(qū)域，但是應(yīng)力集中出現(xiàn)在鎖止機(jī)構(gòu)與后排座椅骨架連接處，是兩者焊點(diǎn)連接的開始處，因此綜合應(yīng)力應(yīng)變對比數(shù)值可知，該處結(jié)構(gòu)已經(jīng)失效且有擴(kuò)散的風(fēng)險，不滿足法規(guī)規(guī)定，需對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

5后排座椅的優(yōu)化及驗(yàn)證

結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)形狀、結(jié)構(gòu)厚度、結(jié)構(gòu)采用的材料有著密切的關(guān)系，該處材料已采用強(qiáng)度較高的QSTE420，因此該結(jié)構(gòu)的優(yōu)化應(yīng)該從厚度和結(jié)構(gòu)方面著手。觀察結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)該處結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)處在缺陷，后排座椅骨架與鎖止機(jī)構(gòu)的連接面積較小，縫長度過短，在同等力的作用下，接觸面積越小壓力越大，因此造成的此處的應(yīng)力集中。故可增加鎖止機(jī)構(gòu)和后排座椅靠背管之間的接觸面積，因此焊縫長度可由18mm增加至23mm，如圖7所示改進(jìn)前后對比圖。

將改進(jìn)后的模型文件提交到Ls-dyna中進(jìn)行求解計(jì)算，第三次加載后的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)鐖D8所示，最大要應(yīng)力由56.1%降為8.6%，小于材料最大應(yīng)變值和極限應(yīng)力，分析可知，改進(jìn)的后排座椅在碰撞后可以滿足法規(guī)要求。

6結(jié)論

本文按照GB15083-2006的要求，對某車后排座椅頭枕進(jìn)行CAE靜強(qiáng)度仿真分析。通過分析發(fā)現(xiàn)原座椅模型強(qiáng)度不足，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不滿足國家規(guī)定。進(jìn)而對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)，優(yōu)化后最大應(yīng)變由56.1%降為8.6%。座椅可通過國家標(biāo)準(zhǔn)。進(jìn)而縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)生產(chǎn)成本。