基于Johnson Cook失效分析的座椅背板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

梅一丹　嚴(yán)杰　劉盼　夏湯忠　李世澤

摘 要：依據(jù)法規(guī)GB 15083-2019《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)帶座椅背板結(jié)構(gòu)車身進(jìn)行行李動(dòng)態(tài)沖擊仿真分析，并對(duì)仿真分析與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析。針對(duì)座椅背板結(jié)構(gòu)失效，在有限元仿真模型中引入Johnson Cook失效模型，來(lái)提高CAE分析結(jié)果與試驗(yàn)的相關(guān)性。在對(duì)標(biāo)相關(guān)性良好的有限元模型基礎(chǔ)上，引入DOE 正交試驗(yàn)矩陣，進(jìn)行座椅背板結(jié)構(gòu)及連接螺栓等級(jí)的綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保車身結(jié)構(gòu)及座椅總成滿足行李動(dòng)態(tài)沖擊法規(guī)試驗(yàn)的要求。關(guān)鍵詞：座椅背板;行李動(dòng)態(tài)沖擊;Johnson Cook失效分析;DOE正交試驗(yàn)中圖分類號(hào)：U463.83+9.2 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）08-143-04

Abstract： According to the regulation GB 15083-2019 "Strength Requirements and Test method?of automobile seats，?their anchorages and any head restraints "， the dynamic impact simulation analysis of luggage on the body with seat backplane structure is carried out， and the correlation between simulation analysis and test results is analyzed. In order to improve the correlation between CAE analysis results and test results， Johnson Cook failure model is introduced into the finite element simulation model for seat backplane structure failure. On the basis of the finite element model with good standard correla?-tion， DOE orthogonal test matrix is introduced to carry out the comprehensive optimization design of seat backplane structure and connecting bolt grade， so as to ensure that the body structure and seat assembly meet the requirements of dynamic impact test of luggage.Keywords： Seat backplane; Luggage retention; Johnson Cook failure analysis; Doe orthogonal testCLC NO.： U463.83+9.2 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）08-143-04

1 引言

汽車被動(dòng)安全性是汽車最為重要的一項(xiàng)整車性能指標(biāo)，座椅作為汽車的重要組成部分，其能在汽車碰撞過(guò)程中能給乘員提供決定性的保護(hù)作用。為防止在急剎車時(shí)因行李移動(dòng)而傷害乘客，國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局推出強(qiáng)制法規(guī)GB 15083- 2019，該標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)內(nèi)容參考了歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)ECE?R?17《機(jī)動(dòng)車座椅、座椅固定裝置及頭枕認(rèn)證的統(tǒng)一規(guī)定》。因車輛在高速行駛時(shí)突然急剎車，行李廂中的行李由于受到慣性力的作用會(huì)對(duì)后排座椅產(chǎn)生巨大的沖擊，如果后座椅靠背及安裝點(diǎn)強(qiáng)度不夠，行李移動(dòng)的沖擊力會(huì)直接作用到后排座椅上，給后排乘客帶來(lái)嚴(yán)重的傷害[1]，所以后排座椅及頭枕系統(tǒng)的強(qiáng)度在一定程度上決定后排乘客的生命安全。

國(guó)外研究機(jī)構(gòu)開展了許多深入的研究工作，其中包括研究座椅安全帶固定點(diǎn)的強(qiáng)度，預(yù)測(cè)座椅骨架失效形式和采用參數(shù)化方法對(duì)座椅進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化[2]。國(guó)內(nèi)的研究主要依據(jù)GB15083—2019《汽車座椅、座椅固定裝置及頭枕強(qiáng)度要求和試驗(yàn)方法》法規(guī)要求，分析座椅骨架和頭枕的靜強(qiáng)度、頭枕吸能性和座椅靠背行李艙的沖擊強(qiáng)度，以及采用鋁鎂合金對(duì)座椅骨架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)[3]，但針對(duì)帶背板結(jié)構(gòu)的座椅的行李沖擊性能的研究參考論文并不多見(jiàn)。

本文根據(jù)行李位移乘客防護(hù)裝置的試驗(yàn)方法，建立有限元模型，對(duì)某款帶座椅背板結(jié)構(gòu)的中級(jí)轎車進(jìn)行行李沖擊碰撞仿真分析，并對(duì)CAE分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析，通過(guò)引入Johnson Cook材料失效模型，提高CAE分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的一致性。在基礎(chǔ)模型上，采用DOE正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)矩陣進(jìn)行優(yōu)化方案迭代分析，給出了座椅背板結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，解決了原方案因座椅背板強(qiáng)度偏弱，不滿足法規(guī)要求的問(wèn)題。

2 行李艙動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)分析

2.1 行李動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)要求

根據(jù) GB 15083-2019 法規(guī)中的要求，將座椅固定在試驗(yàn)臺(tái)車上， 同時(shí)確保將車體裝在臺(tái)車上的連接方式不對(duì)座椅靠背和隔離系統(tǒng)有所加強(qiáng)。并在行李艙地板上按圖1所示的位置擺放兩個(gè)撞擊塊，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的類型1撞擊塊參數(shù)要求：尺寸為 300mm ×300mm×300mm，所有邊棱倒圓角均為20mm，每個(gè)撞擊塊的質(zhì)量為18kg。試驗(yàn)時(shí)將車體固定在試驗(yàn)臺(tái)車上，臺(tái)車以一定的初速度（km/h）撞擊吸能器，試驗(yàn)過(guò)程中吸能器提供給臺(tái)車的減速度參照?qǐng)D2，加速度要求滿足法規(guī)規(guī)定的20g加速度持續(xù)至少30ms的要求。當(dāng)座椅在規(guī)定的使用位置時(shí)，構(gòu)成行李艙的座椅靠背或頭枕應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，以保護(hù)乘員正面碰撞中不因行李的前移而受到傷害。在試驗(yàn)過(guò)程中及試驗(yàn)后，若座椅靠背及其鎖止裝置仍保持在原位置，則認(rèn)為滿足要求。但在試驗(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/或頭枕部分的前輪廓不能向前移出一橫向垂面，此平面經(jīng)過(guò)：對(duì)頭枕部分，座椅R點(diǎn)前方150mm處的點(diǎn);對(duì)座椅靠背部分，座椅R點(diǎn)前方100mm處的點(diǎn)[4]。

2.2 行李艙動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)結(jié)果分析

某中級(jí)轎車，在行李動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)后，座椅背板中間的兩個(gè)支架斷裂，同時(shí)對(duì)行李艙沖擊碰撞后的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，座椅靠背部分的位移已超出座椅R點(diǎn)100mm的平面，頭枕部分的位移也超出座椅R點(diǎn)150mm的平面，不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。初步分析，因沖擊塊在沖擊加速度的作用下直接沖擊后座椅背板中間的兩個(gè)支架，支架強(qiáng)度偏弱導(dǎo)致在試驗(yàn)中支架結(jié)構(gòu)直接被撕裂拉脫，由于支架的撕裂導(dǎo)致座椅背板總成在沖擊能量的作用下的變形量增大，而導(dǎo)致鈑金焊點(diǎn)撕裂和左下螺栓脫出。本次試驗(yàn)不滿足行李沖擊動(dòng)態(tài)法規(guī)試驗(yàn)的要求，為保證行李動(dòng)態(tài)沖擊性能，需要對(duì)座椅及座椅背板進(jìn)行系統(tǒng)性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)。

3 行李沖擊有限元仿真分析

3.1 有限元模型

按照GB 15083-2019《汽車座椅、座椅固定裝置及頭枕強(qiáng)度要求和試驗(yàn)方法》的要求，并基于非線性求解器建立行李沖擊CAE計(jì)算分析的有限元模型，如圖3。有限元模型包括白車身、座椅背板、座椅總成模型以及試驗(yàn)沖擊塊總成。

3.2 CAE 仿真分析結(jié)果解析

首先不考慮材料及焊點(diǎn)失效，進(jìn)行行李動(dòng)態(tài)沖擊 CAE 計(jì)算分析。從CAE結(jié)果分析可以看出，座椅背板的最大應(yīng)力527MPa，最大應(yīng)變達(dá)到 12%，如圖4。根據(jù)失效判斷準(zhǔn)則，在該應(yīng)變狀態(tài)下，背板支架會(huì)出現(xiàn)斷裂失效問(wèn)題。從能量角度分析，因座椅背板系統(tǒng)首先與沖擊塊接觸且在碰撞中為主要的吸能總成件，該子系統(tǒng)吸能占整個(gè)車身吸能的 30%。但因未考慮材料及焊點(diǎn)失效，CAE分析車身結(jié)構(gòu)的變形模式與試驗(yàn)存在差異。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與 CAE 結(jié)果相關(guān)性分析

對(duì)CAE結(jié)果及試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析，根據(jù)碰撞分析的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)材料的應(yīng)變達(dá)到材料斷裂延伸率的20%時(shí)，相應(yīng)位置根據(jù)經(jīng)驗(yàn)被判定為斷裂失效，根據(jù)原始模型的 CAE分析的應(yīng)變結(jié)果可以看出座椅背板支架已失效，與試驗(yàn)的結(jié)果相符，但是無(wú)法直觀的給出支架斷裂，且支架斷裂是否對(duì)后續(xù)的沖擊結(jié)果有很大影響，在仿真分析中，未能模擬出焊點(diǎn)撕裂及螺栓斷裂的現(xiàn)象。因此基礎(chǔ)模型 CAE 分析結(jié)果與試驗(yàn)的相關(guān)性無(wú)法接受。根據(jù)相關(guān)性分析要求，對(duì)有限元模型進(jìn)行了修正，針對(duì)失效區(qū)域結(jié)構(gòu)的材料引入 Johnson Cook 失效模型。

3.4 引入 Johnson Cook 失效模型相關(guān)性分析

在有限元分析中，材料的失效參量是材料的行為描述的一個(gè)重要方面，材料的失效是一種具有復(fù)雜物理力學(xué)機(jī)制的現(xiàn)象，很多試驗(yàn)研究表明材料的失效參量顯著的依賴于應(yīng)力狀態(tài)的三軸性、應(yīng)變率和溫度效應(yīng)等因素。Johnson Cook失效模型[5]?由于考慮因素比較全面，而且參數(shù)較容易獲得，因而在有限元中得到廣泛應(yīng)用。Johnson Cook 失效模型的基本理論方程為：

采用 Johnson Cook 失效模型進(jìn)行行李沖擊座椅動(dòng)態(tài)仿真分析，從模型的變形模式可以看出座椅背板支架在沖擊塊的沖擊能量的作用下，產(chǎn)生較大的沖擊變形，隨著沖擊能量的增加，支架上端在螺栓的剪切作用下撕裂失效。對(duì)行李沖擊的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行分析，在 57.5ms沖擊塊開始接觸座椅背板，隨著沖擊能量的增加，在 70 ms 座椅背板中間支架上端開始出現(xiàn)撕裂，因支架撕裂失去承載能力，座椅背板中間鈑金的變形不斷變大，在 80ms 中間背板與側(cè)邊兩鈑金的焊點(diǎn)開始出現(xiàn)撕裂。將仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，可以得出引入材料的Johnson Cook失效模型，計(jì)算分析得到的變形模式與試驗(yàn)的相關(guān)性較好，如圖5。

4 優(yōu)化方案及試驗(yàn)結(jié)果

4.1 優(yōu)化方案

針對(duì)座椅背板及車身結(jié)構(gòu)在行李動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)中出現(xiàn)的失效及有限元仿真分析的相對(duì)定量結(jié)果，進(jìn)行座椅背板結(jié)構(gòu)及緊固件的綜合優(yōu)化改進(jìn)。在對(duì)標(biāo)相關(guān)性良好的模型基礎(chǔ)上，通過(guò)各部件在動(dòng)態(tài)沖擊中吸能及螺栓受力分析，首先對(duì)背板支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)，引入DOE 正交試驗(yàn)矩陣方法，進(jìn)行背板總成零件材料、料厚及螺栓等級(jí)的綜合優(yōu)化分析。選擇背板中支架材料、厚度以及螺栓等級(jí)為分析的3個(gè)因素，每個(gè)因素定義2個(gè)水平，構(gòu)造出L4（23）正交表，見(jiàn)表1。根據(jù)正交表開展 CAE 仿真分析。

針對(duì)試驗(yàn)中座椅背板中支架上端撕裂的問(wèn)題，首先在螺栓位置不變的情況下，延長(zhǎng)支架鈑金，增加支架抗剪強(qiáng)度。如圖6在結(jié)構(gòu)更改的基礎(chǔ)上，根據(jù)正交試驗(yàn)矩陣進(jìn)行材料和厚度的優(yōu)化迭代。優(yōu)化后，支架材料為E335D，厚度為 1.47mm。

（2）根據(jù)對(duì)行李沖擊過(guò)程中背板及座椅安全螺栓受力的提取及分析，并考慮生產(chǎn)總裝線方便性及效率，座椅背板與車身件的安裝螺栓采用 8.8 級(jí)M10，如圖 7。

4.2 優(yōu)化后白車身試驗(yàn)驗(yàn)證

依據(jù)優(yōu)化建議，準(zhǔn)備行李沖擊試驗(yàn)白車身，根據(jù)螺栓等級(jí)要求打緊螺栓并確保擰緊力矩的符合性，在中汽研汽車零部件寧波實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行行李沖擊試驗(yàn)。新的車身結(jié)構(gòu)滿足行李動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)要求。

5 結(jié)論

本文針對(duì)某車型行李動(dòng)態(tài)法規(guī)試驗(yàn)不合格問(wèn)題，展開了仿真分析，并對(duì)仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了相關(guān)性分析，通過(guò)引入 Johnson Cook 失效模型，獲得仿真與試驗(yàn)結(jié)果的良好相關(guān)性。在對(duì)標(biāo)良好的有限元模型基礎(chǔ)上，建立 DOE 試驗(yàn)矩陣方案，根據(jù)試驗(yàn)矩陣完成優(yōu)化方案的迭代計(jì)算，給出背板結(jié)構(gòu)及緊固件的優(yōu)化改進(jìn)方案，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)滿足GB 15083-2019法規(guī)中對(duì)行李動(dòng)態(tài)沖擊性能的要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 張科峰，劉剛，顏長(zhǎng)征.乘用車移動(dòng)行李對(duì)后排座椅撞擊試驗(yàn)研究.機(jī)械研究與應(yīng)用，2011?第2期.

[2] 符大興，李海，譚園芳.汽車座椅動(dòng)態(tài)試驗(yàn)CAE分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，汽車實(shí)用技術(shù)開發(fā)研究，2011（7）.

[3] 張君媛，黃炫，田迪斯.汽車正撞時(shí)后排座椅安全性的CAE分析與改進(jìn)設(shè)計(jì)，汽車工程，2011（9）.

[4] GB15083—2019《汽車座椅、座椅固定裝置及頭枕強(qiáng)度要求和試驗(yàn)方法》.

[5] 陳剛，陳忠富，陶俊林等.45鋼的Johnson-Cook失效參量.中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)大會(huì)，2005.