汽車座椅正面碰撞過程的數(shù)值模擬與優(yōu)化

王復(fù)增,樓 灝,孫 靖,孫佳寧,杜平安

(1.電子科技大學(xué)機械與電氣工程學(xué)院，成都 610000;2.廣 西雙英集團股份有限公司，柳州 545006;3.電子科技大學(xué)廣西智能制造產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，柳州 545000)

0 引言

1 座椅正面碰撞模型的建立

1.1 座椅零件離散

假人是評價汽車安全性能的關(guān)鍵部件，本文采用Hybrid III 50th假人模型[4]。建模時將假人調(diào)整好坐姿放置到座R點坐標(biāo)處，之后以安全帶固定點坐標(biāo)為基準(zhǔn)，建立上下安全帶2D單元并分別貼合到假人胸部和腰部。座椅整體正碰有限元模型如圖1所示，包括110272個節(jié)點和191752個單元。

1.2 接觸條件和載荷設(shè)置

座椅離散后需建立接觸條件，以免部件之間相互穿透。首先對所有零部件建立單面接觸，接觸類型采用*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE，這種接觸計算速度快。發(fā)泡與鈑金件、安全帶與假人、假人與座椅發(fā)泡的接觸采用*CONTACT_AUTOMATIC_GENERAL接觸類型，它能更好地處理殼與殼、實體與殼之間的接觸，適用于大部分接觸方式。其中，假人與座椅靠背的接觸如圖2所示。

發(fā)泡材料的彈性模量為50MPa，而骨架金屬材料的彈性模量為210GPa，當(dāng)座椅發(fā)生正面碰撞時，發(fā)泡會發(fā)生很大變形，單元可能扭曲非常嚴重。由于發(fā)泡采用實體單元離散，變形后兩對節(jié)點間的距離縮短，縮短到一定程度后自我體積的內(nèi)面跑到外面，就會被判定為負體積，從而導(dǎo)致計算中斷。為避免負體積問題出現(xiàn)，在LS-DYNA中將控制時間步長中的ERODE選項設(shè)為1，控制總時長中的DTMIN選項設(shè)為任意非零值。這樣在計算時系統(tǒng)會自動檢測所有體單元，如果出現(xiàn)少量負體積單元，那么系統(tǒng)會刪除這些單元并且繼續(xù)進行運算。然而當(dāng)出現(xiàn)的負體積單元過多時仍然會導(dǎo)致計算停止。因此，在對控制卡片設(shè)置的基礎(chǔ)上，將發(fā)泡用相較于六面體單元更硬的四面體單元進行分網(wǎng)，并在發(fā)泡外表面劃分一層殼單元網(wǎng)格，賦予其2GPa的彈性模量。在碰撞計算中發(fā)泡與鈑金件通過彈性模量為2GPa的殼單元進行接觸，可以有效抑制負體積單元產(chǎn)生。座椅發(fā)泡殼單元如圖3所示，其中紅色部分為發(fā)泡殼單元，白色部分為發(fā)泡體單元。

圖3 座椅發(fā)泡殼單元

在設(shè)置座椅正面碰撞數(shù)值模擬加速度載荷時首先需要建立剛性板模擬汽車地板，只釋放剛性板X方向的自由度。根據(jù)試驗提供的座椅固定點坐標(biāo)，將座椅地腳與剛性板連接。發(fā)生碰撞時，實車以某減速度曲線開始減速，隨后假人也受到安全帶的約束開始減速。若將實車視為靜止，則可認為假人處在一個軸正向的加速度場內(nèi)[5]。因此，給座椅施加時長為100ms的加速度曲線即可模擬座椅正碰過程。由于假人定位后不能完美貼合在座椅上，需要在施加正碰加速度前預(yù)留100ms使假人通過自身重力加速度坐到座椅上。正碰加速度曲線結(jié)束后，預(yù)留300ms使整個過程能趨于穩(wěn)定，以便后處理中讀取靜態(tài)變形。因此整個仿真過程的加速度曲線如圖4所示，時長為500ms。

圖4 正碰仿真加速度曲線

1.3 座椅正面碰撞仿真算法選擇

求解結(jié)構(gòu)動力學(xué)方程經(jīng)常會用到紐馬克法和牛頓-拉普森法等隱式算法，但隱式算法需進行迭代，每一個增量步都要求解一次靜態(tài)平衡方程，因此這些隱式算法不適用于高度非線性問題求解。在座椅正面碰撞過程中結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)嚴重的非彈性變形，所以采用中心差分的顯式算法進行求解更為合理。

結(jié)構(gòu)動力學(xué)方程為：

式中，Ut為廣義坐標(biāo)矢量，是關(guān)于時間t的函數(shù)，表示對時間的一階導(dǎo)數(shù)，表示對時間的二階導(dǎo)數(shù)；M為對應(yīng)于Ut的結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣、C為阻尼矩陣、K為剛度矩陣，Rt為廣義力矢量。

中心差分法加速度和速度的近似表達式為：

將式(2)、式(3)代入式(1)，得：

式中，Δt為時間步長。

中心差分法在求解t+Δt瞬時的位移Ut+Δt時，只需t+Δt時刻以前的狀態(tài)變量Ut和Ut-Δt計算有效質(zhì)量矩陣和有效載荷矢量，即可求出Ut+Δt。其實質(zhì)是用差分代替微分，并對位移和加速度采用線性外插，這就要求步長不能過大，時間步長Δt的選擇直接影響算法的穩(wěn)定性。

時間步長計算公式為：

式中，Tssf是時間步長縮放因子，一般設(shè)置為0.9；L為單元的特征長度，C為材料的聲速，L/c表示彈性應(yīng)力波傳過該單元的時間。座椅正面碰撞模擬中應(yīng)選擇單元最小時間步長，最小單元特征長度為2mm，材料為鋼，聲速為5920m/s，通過公式計算將時間步長設(shè)置為3.02×10-7。

2 仿真與試驗結(jié)果對比分析

利用LS-DYNA軟件對上述模型和工況進行計算。結(jié)果表明：在前100ms假人開始下落并穩(wěn)定坐到座椅上，130ms左右假人前移且安全帶開始起到約束作用，200ms左右零件變形達到最大，400ms左右零件變形趨于穩(wěn)定。座椅100ms、130ms、200ms、400ms時刻正面碰撞過程如圖5所示。

圖5 正面碰撞數(shù)值模擬過程

在座椅正面碰撞過程中，假人重力、慣性力是座椅承受的主要載荷。其中，假人重力以及由于座椅向后加速導(dǎo)致的慣性力主要施加在座椅坐盆上，由于假人的慣性力方向是沿著坐標(biāo)軸-X方向與-Z方向施加的，因此對坐盆前部施加的載荷較大，載荷通過調(diào)高腿及墊片傳遞到座椅上滑軌處，再通過鎖齒傳遞到座椅下滑軌處，最終施加在座椅固定點安裝支架上，因此坐盆處、滑軌以及座椅固定點處所受的載荷較大。安全帶的約束力通過鎖扣最終傳遞到座椅坐墊的側(cè)邊板處導(dǎo)致座椅調(diào)角器連接板位置所受載荷變大。由于正面碰撞過程中假人向前俯沖，與座椅靠背間發(fā)生的接觸較少，因此靠背骨架上的零部件應(yīng)力值很小。座椅各時刻零部件應(yīng)力分布如圖6所示。由圖可知，在200ms左右座椅坐盆骨架受到的應(yīng)力及變形量最大?？勘彻羌茉谡媾鲎踩珪r刻所受到的應(yīng)力及變形量都很小，均在材料的強度范圍之內(nèi)，零部件不會發(fā)生破壞。

圖6 座椅各時刻應(yīng)力分布圖

采用同樣工況對座椅進行正面碰撞試驗，試驗前后照片如圖7所示。

圖7 正面碰撞試驗過程

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)Q/JLY J7110462B-2018要求，得出正面碰撞仿真與試驗對比結(jié)果如表1所示。評價規(guī)范對座椅坐盆、發(fā)泡以及滑軌的動靜態(tài)變形量有明確要求，且規(guī)定座椅固定點、調(diào)角器及上下橫梁等位置不能發(fā)生破壞。對比仿真與試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，零件動態(tài)、靜態(tài)變形量基本相同，最大誤差值不超過8.7%，座椅固定點、調(diào)角器及上下橫梁等位置最大應(yīng)力均未超過其材料的抗拉強度，即沒有發(fā)生破壞，以上結(jié)果證明了座椅正面碰撞數(shù)值模擬方法的有效性和準(zhǔn)確性。

表1 仿真與試驗結(jié)果對比

3 汽車座椅結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

3.1 試驗結(jié)果分析

根據(jù)仿真和試驗結(jié)果可知，座椅碰撞后零件動態(tài)、靜態(tài)變形量均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但左側(cè)滑軌動態(tài)最大變形量為5mm，接近標(biāo)準(zhǔn)上限，可能造成乘員下潛嚴重，從而引發(fā)危險[6]。因此需要對滑軌進行優(yōu)化，以減小滑軌動態(tài)最大變形量。

正碰試驗中，假人受到座椅和安全帶約束的影響后身體偏向座椅左側(cè)，導(dǎo)致座椅左側(cè)滑軌的應(yīng)力值和變形量較大。滑軌材料為HC500LA，厚1.4mm，在200ms時刻左側(cè)滑軌最前端達到動態(tài)峰值變形量5mm，接近規(guī)范要求中規(guī)定的最大動態(tài)變形量，需要提高滑軌剛度來降低峰值。座椅左側(cè)滑軌應(yīng)力分布及最大動態(tài)變形量如圖8所示。

圖8 左側(cè)滑軌變形云圖

3.2 座椅滑軌優(yōu)化

在考慮了前后調(diào)節(jié)裝置的配合形式和沖壓工藝之后，將上滑軌前后端增加3mm厚的翻邊并將上、下滑軌厚度從1.4mm增加至1.6mm，以提高滑軌剛度?；墐?yōu)化方案如圖9所示。

圖9 滑軌優(yōu)化方案

將改進后的座椅再次進行正面碰撞數(shù)值模擬分析，下潛永久變形量和滑軌動態(tài)最大變形量優(yōu)化前后結(jié)果對比如表2所示。可以看出，優(yōu)化后左側(cè)滑軌最大動態(tài)變形量下降了1.9mm，遠小于標(biāo)準(zhǔn)要求的規(guī)定值，座椅下潛永久變形量下降了4mm，更加滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。這是由于優(yōu)化后的滑軌剛度明顯增加，抵抗沖擊的能力增大，能夠保證正面碰撞中乘員的安全，座椅的安全性更高。

表2 優(yōu)化前后結(jié)果對比

4 結(jié)語

1）正面碰撞試驗與仿真結(jié)果對比，各零件動靜態(tài)變形量誤差在10%以內(nèi)，仿真模型有效，座椅正面碰撞過程的數(shù)值模擬方法基本正確。

2）試驗結(jié)果表明，加速度曲線施加后的30ms左右，安全帶對乘員起到約束作用；施加后的100ms左右，各部分零件動態(tài)變形量達到最大。

3）對座椅滑軌優(yōu)化后，動態(tài)最大變形量和座椅下潛永久變形量有了明顯下降，遠遠小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求。