基于有限元的汽車座椅剛度優(yōu)化分析

耿動(dòng)梁，戰(zhàn)楠，卜曉兵，李向榮

(中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司,天津 300300)

0 引言

汽車座椅作為聯(lián)系車上人員與車身最直接的組件，對(duì)乘員的安全、舒適度和駕駛體驗(yàn)起著至關(guān)重要的作用。其中保證駕駛員和車上乘員的安全是座椅最基本也是最重要的作用。良好的座椅性能同時(shí)很好地配合氣囊能夠?qū)θ藛T安全起到比較理想的保護(hù)。在能夠保證人員安全的前提下，舒適性和良好的駕駛體驗(yàn)等因素才具有意義。國(guó)內(nèi)與國(guó)外對(duì)座椅的研發(fā)深入程度有較大的差距，國(guó)外較早開(kāi)展座椅研發(fā)，其中歐美、日本等一些較早展開(kāi)座椅研發(fā)的國(guó)家已經(jīng)相繼出臺(tái)自己的座椅標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)這些標(biāo)準(zhǔn)很好地提升本國(guó)座椅的整體質(zhì)量。我國(guó)座椅的自主研發(fā)起步較晚，同時(shí)針對(duì)座椅的研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)的制定也相對(duì)較晚。我國(guó)當(dāng)下關(guān)于座椅的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)大多參考?xì)W洲國(guó)家的一些座椅標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)修改形成了符合我國(guó)人員安全狀況的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。早些年座椅的研發(fā)過(guò)程，多數(shù)是根據(jù)工程師的經(jīng)驗(yàn)，形成初版的座椅產(chǎn)品，然后通過(guò)試驗(yàn)，對(duì)座椅是否符合標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)證。這樣的開(kāi)發(fā)模式周期較長(zhǎng)，而且進(jìn)行試驗(yàn)的座椅初版產(chǎn)品生產(chǎn)成本較高。如今可以引入CAE分析技術(shù)進(jìn)行座椅的研發(fā)，在模型設(shè)計(jì)階段就對(duì)座椅結(jié)構(gòu)的各個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)工況進(jìn)行校核驗(yàn)證，在計(jì)算結(jié)果滿足要求的前提下，再進(jìn)行試驗(yàn)產(chǎn)品的生產(chǎn)，從而可以避免一些試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，縮短研發(fā)周期。通過(guò)試驗(yàn)觀察到的基本是座椅結(jié)構(gòu)外部能看到的一些損壞或者不合格的地方，有些潛在的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)無(wú)法發(fā)現(xiàn)。通過(guò)CAE分析，可以對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變、應(yīng)力進(jìn)行觀察，高應(yīng)變風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域一目了然。

座椅結(jié)構(gòu)的安全分析包括主動(dòng)安全和被動(dòng)安全兩個(gè)大的研究方向。主動(dòng)安全側(cè)重的是加強(qiáng)車上人員對(duì)危險(xiǎn)狀況的提前預(yù)判和及時(shí)對(duì)危險(xiǎn)信號(hào)做出應(yīng)對(duì)，主要針對(duì)的是駕駛?cè)藛T。被動(dòng)安全側(cè)重的是座椅結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度，以及調(diào)節(jié)裝置的性能好壞，是否能在發(fā)生危險(xiǎn)的時(shí)候?qū)嚿先藛T起到很好的保護(hù)作用。這些保護(hù)作用包括減輕乘員損傷、提供生存空間以及維持乘坐人員一個(gè)較好的姿態(tài)以便于安全帶和安全氣囊等裝置能夠?qū)θ藛T起到應(yīng)有的保護(hù)作用。同時(shí)座椅裝置各個(gè)結(jié)構(gòu)之間以及座椅和車身之間連接性能的好壞也屬于座椅被動(dòng)安全的分析范疇。本文作者主要針對(duì)座椅結(jié)構(gòu)的被動(dòng)安全，依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求對(duì)前排座椅骨架結(jié)構(gòu)的剛度進(jìn)行優(yōu)化分析。

1 模型描述

1.1 座椅幾何模型特征

由于整車質(zhì)量在一定程度上影響著車輛的油耗情況，而作為整車結(jié)構(gòu)的一部分，座椅質(zhì)量的減輕，對(duì)整車的減重也有幫助。傳統(tǒng)的座椅結(jié)構(gòu)使用鈑金沖壓結(jié)構(gòu)較多，導(dǎo)致整體座椅質(zhì)量較大。同時(shí)，沖壓結(jié)構(gòu)需要借助模具才能進(jìn)行生產(chǎn)，而汽車模具研發(fā)生產(chǎn)費(fèi)用較高，大量的沖壓結(jié)構(gòu)件會(huì)造成整車研發(fā)成本的上升。因此此座椅骨架結(jié)構(gòu)根據(jù)每個(gè)零件所處的位置和承載力的情況大量使用了管材結(jié)構(gòu)。在此使用的是鋼管材料，如果質(zhì)量不滿足要求，還可以將鋼制管材替換為鋁合金管材。這種管材和鈑金沖壓件混合使用的方式給座椅骨架模型帶來(lái)足夠大的設(shè)計(jì)調(diào)整空間。

前排座椅的骨架結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個(gè)骨架結(jié)構(gòu)是由管狀結(jié)構(gòu)和鈑金沖壓件組成。座椅骨架是整個(gè)座椅質(zhì)量中的主要部分，經(jīng)實(shí)際的測(cè)量和對(duì)比，應(yīng)用管材在滿足結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度的前提下可以在一定程度上減輕座椅的整體質(zhì)量。

圖1 前排座椅骨架模型

1.2 有限元模型建立

1.2.1 單元特征

使用殼單元來(lái)劃分鈑金結(jié)構(gòu)和大直徑薄壁管材，用梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬小直徑的管材和一些彈簧部件。

選取殼單元作為鈑金結(jié)構(gòu)和大直徑薄壁管件的建模單元是從計(jì)算精度、運(yùn)算效率以及對(duì)幾何模型離散是否準(zhǔn)確來(lái)進(jìn)行考慮的。在殼單元的形狀上，以四邊形單元為主，配合少量的三角形單元。采用四邊形單元為主是因?yàn)椋核倪呅螁卧姆e分特性好于三角形單元，計(jì)算精度較高，可以有效保證模型計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。少量三角形單元的存在是因?yàn)槿切螁卧芨玫仉x散幾何模型的一些特殊區(qū)域。三角形單元對(duì)復(fù)雜過(guò)渡面的逼近性比四邊形單元要好很多。但是三角形單元本身為常應(yīng)力單元，即在單元內(nèi)部不做應(yīng)力平均，所以三角形單元出現(xiàn)較多的地方常會(huì)發(fā)生應(yīng)力失真的情況。鑒于三角形單元這種缺點(diǎn)，在整個(gè)建模過(guò)程中必須嚴(yán)格限制三角形單元所占的比例。在此作者把三角形殼單元比例低于5%作為一條網(wǎng)格質(zhì)量的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。整體來(lái)講，整個(gè)座椅骨架結(jié)構(gòu)，在比較關(guān)注應(yīng)力應(yīng)變區(qū)域的部位爭(zhēng)取全部采用四邊形殼單元來(lái)進(jìn)行劃分，在不太關(guān)注應(yīng)力應(yīng)變區(qū)域的部位可以適當(dāng)采用一些三角形單元進(jìn)行過(guò)渡。

整個(gè)座椅骨架選用殼單元、梁?jiǎn)卧蜕倭縿傮w單元來(lái)進(jìn)行建模。其中鈑金沖壓結(jié)構(gòu)件和薄壁的粗管結(jié)構(gòu)采用殼單元來(lái)建模，鋼質(zhì)彈簧和直徑較小的管材采用梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬[5]。零件之間的焊點(diǎn)連接結(jié)構(gòu)也是通過(guò)梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬。除了梁?jiǎn)卧蜌卧?，?duì)一些實(shí)體幾何零件用剛體單元模擬[6]。能使用剛體單元進(jìn)行模擬的前提是對(duì)該零件的應(yīng)力應(yīng)變不做考察和關(guān)注，該零件主要起傳遞力和力矩的作用。

1.2.2 單元尺寸

關(guān)鍵網(wǎng)格單元的劃分標(biāo)準(zhǔn)如下：(1)殼單元基本尺寸為5 mm×5 mm；(2)殼單元最大尺寸不大于8 mm (關(guān)鍵部位控制在5 mm左右)，5～8 mm的單元控制在5%以內(nèi)；(3)殼單元最小單元尺寸不小于3 mm；(4)實(shí)體單元控制最小尺寸不小于4 mm，最大尺寸不大于8 mm，四面體劃分(實(shí)體單元零件較少)。

1.2.3 單元質(zhì)量

(1)質(zhì)量檢查準(zhǔn)則：翹曲(warpage)不大于15；橫縱比(aspect ratio)不大于5；歪斜度(skew)不大于60°；雅克比(jacobian)不小于0.6；四邊形單元內(nèi)角在[45°，135°]內(nèi)；三角形單元內(nèi)角在[20°，120°]內(nèi)。

(2)三角形單元數(shù)不能超過(guò)單元總數(shù)的5%。

通過(guò)對(duì)單元尺寸以及單元質(zhì)量參數(shù)的控制，能夠保證較高質(zhì)量的有限元網(wǎng)格，從而保證計(jì)算結(jié)果的正確。

網(wǎng)格單元?jiǎng)澐滞瓿梢院螅鶕?jù)座椅骨架幾何模型的連接方式，對(duì)整個(gè)有限元模型建立連接，其中連接方式包括：焊接、螺栓連接、綁定接觸以及一些轉(zhuǎn)動(dòng)副連接。模擬座椅在車身上的安裝方式，給定邊界約束條件[3]。

2 工況的選取

2.1 座椅靠背及其調(diào)節(jié)裝置的性能分析

2.1.1 工況加載

工況加載方式如圖2所示：固定座椅底部與車身連接的支架結(jié)構(gòu)，在靠背模型上，施加相對(duì)于R點(diǎn)530 N·m的力矩，讓靠背模型壓向座椅靠背[1]。

圖2 工況加載示意

2.1.2 仿真結(jié)果

座椅靠背骨架在此工況下最大應(yīng)變?cè)茍D如圖3所示。以0.2作為整體零件材料發(fā)生塑性變形的一個(gè)界限標(biāo)準(zhǔn)，能夠看出應(yīng)變?cè)茍D中在座椅靠背主體部分，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)紅色區(qū)域或者接近紅色的應(yīng)變區(qū)域。

圖3 座椅靠背骨架應(yīng)變?cè)茍D

由上可知，座椅在530 N·m力矩作用下，靠背骨架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，無(wú)失效風(fēng)險(xiǎn)，能夠滿足GB 15083-2006座椅靠背及其調(diào)節(jié)裝置的試驗(yàn)要求。

2.2 正面碰撞工況座椅結(jié)構(gòu)性能分析

2.2.1 工況加載

該工況標(biāo)準(zhǔn)出自QC/T 740-2017，規(guī)定要通過(guò)汽車正面的碰撞試驗(yàn)，對(duì)配置假人的座椅狀況進(jìn)行驗(yàn)證分析，要求在減速時(shí)，假人不允許從安全帶里滑出，座椅零件及止動(dòng)和調(diào)節(jié)裝置不準(zhǔn)碎裂或拉斷，允許彎曲[2]。

正面碰撞法規(guī)要求，使用Hybrid Ⅲ型假人，假人模型用安全帶固定在座椅上。座椅安裝到滑車上，具體的加載設(shè)置按照下列兩種情況中的任意一種進(jìn)行：(1)滑車行駛速度為50 km/h，碰撞減速過(guò)程按照實(shí)際碰撞時(shí)的汽車減速情況；(2)采用正弦波形，在110 ms內(nèi)的減速過(guò)程中，在35 ms內(nèi)必須保持20g的加速度，加速度峰值達(dá)到35g。

在此碰撞工況中，按照第二種正弦波曲線的加載方式進(jìn)行加載。座椅上的假人模型選擇95th的假人模型進(jìn)行仿真計(jì)算。同時(shí)為了模擬車輛正面發(fā)生碰撞的情況，對(duì)座椅底端與車身連接部位施加向后的加速度。具體的工況加載情況如圖4、圖5所示。

圖4 95分位假人模型乘坐狀態(tài)

圖5 前撞加速度加載曲線

2.2.2 仿真結(jié)果

經(jīng)觀察計(jì)算得到的應(yīng)變?cè)茍D以及位移云圖，座椅骨架結(jié)構(gòu)并無(wú)較大的應(yīng)變發(fā)生區(qū)，說(shuō)明整個(gè)座椅骨架沒(méi)有損壞失效的風(fēng)險(xiǎn)。座椅骨架前端的橫梁受壓后向下彎曲的位移較大，如圖6所示。位移最大達(dá)到71 mm，導(dǎo)致假人有一定的下潛趨勢(shì)。

圖6 座椅骨架前端橫梁變形結(jié)果

2.3 后部碰撞工況座椅結(jié)構(gòu)性能分析

2.3.1 工況加載

該工況出自標(biāo)準(zhǔn)QC/T 740-2017，要求通過(guò)汽車向后的碰撞試驗(yàn)，對(duì)配置假人的座椅狀況進(jìn)行驗(yàn)證分析，在碰撞時(shí)，汽車座椅的靠背可彎曲，但不允許沖撞其他物體；座椅零件不允許碎裂或拉斷，座椅和地板之間的固定裝置不允許扯斷，座椅止動(dòng)裝置不允許松開(kāi)，且應(yīng)保持其功能完好[2]。

后部碰撞要求，座椅總成安裝與滑車上，使用Hybrid Ⅲ型假人，假人用安全帶固定在座椅上?；嚰铀俣仍O(shè)置為：總的碰撞過(guò)程在110 ms內(nèi)，在此過(guò)程中，在35 ms內(nèi)必須保持8g的加速度，加速度峰值達(dá)到10g。

后部碰撞工況加載與正面碰撞工況的加載方式類似。同樣選用95th的假人模型進(jìn)行計(jì)算，對(duì)座椅底部與車身連接的部位施加向前的加速度。加速度曲線如圖7所示。

2.3.2 仿真結(jié)果

經(jīng)查看計(jì)算結(jié)果中座椅骨架的應(yīng)變?cè)茍D(圖8—圖9)，可以發(fā)現(xiàn)在靠背骨架與坐墊骨架連接的位置，有一個(gè)零件發(fā)生較大變形，引起了局部較大的應(yīng)變，該位置有發(fā)生塑性變形失效的危險(xiǎn)性。

圖7 后撞加速度加載曲線

圖9 座椅骨架高應(yīng)變區(qū)域

3 問(wèn)題匯總

3.1 正面碰撞工況

在正面碰撞工況中，座椅前端的圓柱形管梁發(fā)生了較大的彎曲變形。這種變形雖然沒(méi)有發(fā)生破壞的風(fēng)險(xiǎn)，但是對(duì)假人的姿態(tài)影響較大。由于假人是依靠安全帶約束在座椅上的，通常的安全帶都是三點(diǎn)式安全帶。當(dāng)發(fā)生正面碰撞時(shí)，假人向前運(yùn)動(dòng)，在巨大的加速度下壓迫座椅前端橫梁，如果座椅前端的橫梁彎曲變形產(chǎn)生位移過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致假人模型過(guò)度下潛。嚴(yán)重的情況下腹部安全帶會(huì)滑脫到胸腔附近，這樣會(huì)對(duì)人體造成傷害。同時(shí)假人模型有從安全帶下方滑脫出去的風(fēng)險(xiǎn)，從而使得座椅總成對(duì)人員失去保護(hù)作用。因此，座椅前端橫梁必須保證具有一定的剛度，不可發(fā)生過(guò)大的彎曲變形。

由于座椅前端骨架的剛度對(duì)座椅安全性是有幫助的，但是與座椅的舒適度恰好相悖。該部位結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)必定導(dǎo)致座椅質(zhì)量有一定的增加，因此，該橫梁的剛度選擇要適中，不可無(wú)限制加強(qiáng)剛度。

3.2 后部碰撞工況

在后部碰撞的工況下，座椅靠背下方結(jié)構(gòu)件有屈服失效的風(fēng)險(xiǎn)，需要給定足夠的安全余量。當(dāng)車輛后方遇到追尾等碰撞，巨大的加速度導(dǎo)致人體向后傾倒并壓到座椅靠背上，人體的壓力對(duì)座椅靠背底端轉(zhuǎn)軸處形成一個(gè)彎矩，使得該部位的結(jié)構(gòu)件受到彎矩的作用。由于開(kāi)口形狀的鈑金結(jié)構(gòu)承受彎矩的能力較差，該結(jié)構(gòu)截面尺寸過(guò)渡又比較急促，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，因此需要進(jìn)行一定程度的加強(qiáng)，才能提高座椅結(jié)構(gòu)在此工況下的應(yīng)對(duì)能力。此結(jié)構(gòu)位于整個(gè)座椅靠背的關(guān)鍵位置，結(jié)構(gòu)的屈服失效將會(huì)引起座椅向后翻折，從座椅靠背到座椅頭枕將失去對(duì)乘員的保護(hù)作用。在靠背向后翻折較嚴(yán)重的情況下，還將會(huì)對(duì)后排乘員造成傷害。

4 優(yōu)化方案

4.1 座椅前端橫梁加強(qiáng)

據(jù)觀察多款座椅的骨架結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，座椅前端橫梁在一部分座椅設(shè)計(jì)中使用的是方形截面的管件。相比于圓形截面管件，方管的抗彎能力會(huì)稍好一些[4]。但是在此座椅結(jié)構(gòu)中，由于結(jié)構(gòu)限制沒(méi)有采用方形管件。選擇圓形截面管件的另一個(gè)原因就是考慮到座椅舒適度的因素，圓形截面管件彈性變形較容易，對(duì)座椅減震性能會(huì)有一定的幫助。

鑒于截面形狀不可改變的情況，此次橫梁的優(yōu)化采用增加管壁的厚度來(lái)提升彎曲剛度。一是通過(guò)增加厚度選材比較容易，另一個(gè)原因是管材壁厚的增加對(duì)材料成本的增加影響較小。

4.2 靠背骨架結(jié)構(gòu)加強(qiáng)

由于該座椅沖壓模具已經(jīng)設(shè)計(jì)完畢，沖壓件的改動(dòng)余量很小，除了厚度能夠微調(diào)外，鈑金形狀幾乎無(wú)法變更。

鑒于以上原因，為了應(yīng)對(duì)后部碰撞危險(xiǎn)工況，必須對(duì)該危險(xiǎn)區(qū)運(yùn)用不更改原有零件的方式進(jìn)行加強(qiáng)。

綜合考慮生產(chǎn)工藝和整個(gè)座椅質(zhì)量增加等因素，最終決定在該結(jié)構(gòu)附近增加一塊加強(qiáng)板，通過(guò)焊接將其連接到有屈服風(fēng)險(xiǎn)的零件結(jié)構(gòu)上。加強(qiáng)件見(jiàn)圖10。對(duì)座椅骨架結(jié)構(gòu)左右兩側(cè)同時(shí)進(jìn)行加強(qiáng)處理。

圖10 加強(qiáng)板模型結(jié)構(gòu)

5 優(yōu)化結(jié)果

5.1 座椅前橫梁優(yōu)化結(jié)果

通過(guò)增加座椅前端橫梁的管材壁厚，如圖11所示，在正面碰撞工況下，假人的下潛趨勢(shì)得到了一定的控制，從而避免了座椅系統(tǒng)對(duì)人員失去保護(hù)的風(fēng)險(xiǎn)。優(yōu)化方式簡(jiǎn)單易行，同時(shí)不會(huì)對(duì)座椅成本造成壓力。

從表1中可以看到，將該空心管橫梁的壁厚由1.5 mm增加到3.0 mm，變形量得到了有效控制。整個(gè)座椅的質(zhì)量增加量有限，總共增重378 g，并不會(huì)對(duì)座椅總質(zhì)量產(chǎn)生較大的影響。在碰撞過(guò)程中，假人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)表現(xiàn)正常，安全帶也未發(fā)生較大的位移滑動(dòng)。綜合來(lái)看，結(jié)構(gòu)改進(jìn)之后在前向碰撞的工況下，整個(gè)座椅系統(tǒng)對(duì)假人起到了應(yīng)有的保護(hù)作用。

表1 橫梁優(yōu)化前后結(jié)果對(duì)比 mm

5.2 座椅靠背骨架優(yōu)化結(jié)果

對(duì)加強(qiáng)之后的座椅骨架進(jìn)行后撞工況的驗(yàn)證計(jì)算，計(jì)算完成后提取該部位的應(yīng)變?cè)茍D，如圖12所示。可以看到：由于在原來(lái)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上附加了一塊加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，該部位的剛度得到了明顯的加強(qiáng)，塑性變形風(fēng)險(xiǎn)得到了有效的控制。

圖12 風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域應(yīng)變?cè)茍D

由圖12和圖9兩個(gè)結(jié)構(gòu)應(yīng)變?cè)茍D對(duì)比可以看出：給塑性變形危險(xiǎn)區(qū)域增加一個(gè)加強(qiáng)板以后，該部位的應(yīng)變值得到了控制。局部的加強(qiáng)并未導(dǎo)致其他區(qū)域應(yīng)變值的大幅上升，說(shuō)明該加強(qiáng)板對(duì)改善局部應(yīng)變起到了很好的作用。加強(qiáng)板本身質(zhì)量較輕約100 g左右，對(duì)座椅整體質(zhì)量的影響很小。通過(guò)增加很少的質(zhì)量，從而改善一個(gè)較為嚴(yán)重的風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，是一種相對(duì)合理的優(yōu)化方式。

6 結(jié)論

通過(guò)增加座椅骨架前端橫梁管材的壁厚，運(yùn)用簡(jiǎn)單易行的方式順利解決風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，且未對(duì)生產(chǎn)成本造成較大影響。

通過(guò)給座椅靠背骨架增加加強(qiáng)板的形式，對(duì)座椅骨架塑性變形的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)并取得了良好的效果。該方式可以避免對(duì)原來(lái)結(jié)構(gòu)的修改，對(duì)工程進(jìn)度幾乎不會(huì)造成影響。但是這種加強(qiáng)方式也有一定的局限性，即在該加強(qiáng)位置必須有足夠的空間來(lái)放置加強(qiáng)板，同時(shí)由于在原來(lái)基礎(chǔ)上增加結(jié)構(gòu)件，會(huì)引起座椅整體質(zhì)量的增加。