基于GB 13057討論稿的客車座椅安全性研究

曾 鋒，林標(biāo)華

(廈門金龍旅行車有限公司，福建省新能源汽車企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361006)

最新的GB 13057《客車座椅及其車輛固定件強(qiáng)度(討論稿)》，相比2014版標(biāo)準(zhǔn)，座椅動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法有改變，對(duì)座椅及固定件性能提出更高的要求[1-3]。本文通過分析標(biāo)準(zhǔn)變化和開展座椅動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，對(duì)某款公路客車座椅進(jìn)行被動(dòng)安全性和結(jié)構(gòu)加強(qiáng)設(shè)計(jì)，并采用仿真分析和實(shí)物試驗(yàn)的方法對(duì)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中座椅結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和乘員損傷進(jìn)行相關(guān)分析。

1 規(guī)范要求及相關(guān)設(shè)計(jì)

1.1 相關(guān)要求

《討論稿》中重新定義客車座椅動(dòng)態(tài)試驗(yàn)相關(guān)的強(qiáng)度要求和試驗(yàn)方法，針對(duì)座椅動(dòng)態(tài)試驗(yàn)規(guī)定了第一階段和第二階段試驗(yàn)方法。其中座椅動(dòng)態(tài)第二階段試驗(yàn)1與第一階段試驗(yàn)1主要的區(qū)別是前排試驗(yàn)座椅布置乘員。因此，已符合第二階段要求的座椅可以替代第一階段的試驗(yàn)。表1為主要具體變化內(nèi)容，從表中可知，《討論稿》針對(duì)臺(tái)車速度、加速度和乘員損傷具有較大的調(diào)整。

表1 標(biāo)準(zhǔn)主要變化

1.2 座椅結(jié)構(gòu)相關(guān)設(shè)計(jì)

針對(duì)GB 13057討論稿要求，結(jié)合客車座椅設(shè)計(jì)、工藝、生產(chǎn)制造等情況，對(duì)某座椅系統(tǒng)進(jìn)行了以下改進(jìn)設(shè)計(jì)：

1) 布置三點(diǎn)式安全帶。根據(jù)客車正面碰撞相關(guān)分析，布置三點(diǎn)式安全帶相比二點(diǎn)式安全帶具有更好的乘員保護(hù)效果[4-5]。因此，結(jié)合《討論稿》中規(guī)定的試驗(yàn)速度和加速度情況，將所有試驗(yàn)座椅配置三點(diǎn)式安全帶，以滿足乘員假人損傷的相關(guān)要求。

2) 增強(qiáng)座椅骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。大客車座椅骨架一般由靠背骨架和坐墊骨架兩個(gè)部分構(gòu)成，是座椅主要的承載受力結(jié)構(gòu)，是承擔(dān)座椅安全防護(hù)性能的核心，其整體的結(jié)構(gòu)性能影響到座椅本身的強(qiáng)度性能。

3) 靠背骨架改進(jìn)設(shè)計(jì)。座椅動(dòng)態(tài)試驗(yàn)時(shí)，在安全帶、乘員假人慣性力及后排乘員假人的沖擊力作用下，座椅靠背發(fā)生前傾變形。在靠背彎管的兩側(cè)布置3 mm的槽型件與靠背彎管焊接在一起，同時(shí)增加一根1.5 mm連接兩側(cè)靠背彎管的連接件，以加強(qiáng)座椅靠背骨架、提高整個(gè)靠背骨架剛度。

4) 坐墊骨架改進(jìn)設(shè)計(jì)。坐墊骨架要求有足夠的強(qiáng)度和剛度，以起到保護(hù)乘員、正常支撐坐墊的作用[6-7]。在坐墊骨架的左側(cè)板、右側(cè)板、中板分別布置2 mm的貼板進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，以保證受沖擊時(shí)，坐墊骨架強(qiáng)度有足夠的強(qiáng)度抵抗變形。

5) 固定座椅螺栓數(shù)目的確定及螺栓的選擇。為防止座椅受沖擊后發(fā)生螺栓固定件脫落的危險(xiǎn)，提高座椅椅腿與客車連接的可靠性，對(duì)于同一排座椅總成在車身地板和側(cè)圍掛板安裝區(qū)域各增加1個(gè)固定點(diǎn)，即設(shè)計(jì)成6點(diǎn)固定的方式，同時(shí)在保持螺栓精度等級(jí)不變的情況下，選用更高規(guī)格型號(hào)的螺栓。

2 座椅動(dòng)態(tài)仿真與試驗(yàn)分析

2.1 模型建立

臺(tái)車、座椅和假人的模型是開展座椅動(dòng)態(tài)仿真分析必備的條件。因此在UG 11.0軟件中根據(jù)臺(tái)車骨架、座椅結(jié)構(gòu)建立CAD幾何模型，再將幾何模型分別導(dǎo)入到有限元前處理HyperMesh軟件中創(chuàng)建臺(tái)車、座椅的有限元仿真模型。在臺(tái)車、座椅的建模過程中，模型進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化處理[8-9]。試驗(yàn)中仿真假人為某公司已對(duì)標(biāo)的HIII 50%分位假人模型，假人模型質(zhì)量約為78 kg，共計(jì)約36萬單元網(wǎng)格。首先根據(jù)《討論稿》中規(guī)定的要求，對(duì)假人進(jìn)行安放并調(diào)整姿態(tài)到合適位置；然后對(duì)假人、座椅泡棉進(jìn)行預(yù)壓縮計(jì)算；最后重新定位預(yù)計(jì)算后的假人和座椅模型，并與臺(tái)車模型耦合組裝成仿真分析模型。

圖1為動(dòng)態(tài)試驗(yàn)1仿真模型示意圖，用于考察座椅結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能；圖2為動(dòng)態(tài)試驗(yàn)2仿真模型示意圖，用于考查乘員假人損傷情況。

圖1 試驗(yàn)1示意圖

圖2 試驗(yàn)2示意圖

邊界條件：對(duì)試驗(yàn)1和試驗(yàn)2中臺(tái)車、座椅、假人、安全帶耦合的總成仿真模型，施加豎直向下的重力加速度場(chǎng)，水平方向設(shè)置速度49 km/h，約束臺(tái)車只能水平前后方向運(yùn)動(dòng)，對(duì)臺(tái)車設(shè)置水平方向加/減速度進(jìn)行沖擊，其中加/減速度為某機(jī)構(gòu)做動(dòng)態(tài)試驗(yàn)所提取的加/減速度沖擊數(shù)據(jù)，如圖3所示，該加/減速度曲線符合《討論稿》規(guī)定的要求。

圖3 加/減速度曲線

2.2 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證建立仿真模型的正確性，將分析結(jié)果與試驗(yàn)獲取的座椅動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)標(biāo)。通過試驗(yàn)1和試驗(yàn)2可知，仿真假人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄的假人運(yùn)動(dòng)響應(yīng)姿態(tài)基本一致。其中仿真分析的試驗(yàn)2假人頭部接觸前排座椅最大時(shí)刻如圖4所示；實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖4 最大時(shí)刻仿真結(jié)果

圖5 最大時(shí)刻試驗(yàn)結(jié)果

圖6和圖7為左右兩側(cè)假人頭部的仿真和試驗(yàn)加速度曲線。從圖6和圖7可看出，除達(dá)到加速度最大峰值的時(shí)間不同外，其加速度上升和下降趨勢(shì)基本一致，仿真加速度曲線與試驗(yàn)曲線相似性較好。

圖6 左側(cè)假人

圖7 右側(cè)假人

將仿真分析與實(shí)際試驗(yàn)獲取的假人頭部損傷指標(biāo)(HIC)、胸部指標(biāo)(ThAC)、胸部壓縮指標(biāo)(ThCC)、腿部指標(biāo)(FAC)試驗(yàn)損傷值進(jìn)行比較。表2為左側(cè)假人損傷對(duì)比結(jié)果，表3為右側(cè)假人損傷對(duì)比結(jié)果。從表2和表3中可知，仿真與試驗(yàn)各項(xiàng)數(shù)據(jù)差距較小，誤差都在10%以內(nèi)(最大誤差為6.5%)。

表2 左側(cè)假人損傷指標(biāo)對(duì)比

表3 右側(cè)假人損傷指標(biāo)對(duì)比

綜合對(duì)比仿真與試驗(yàn)結(jié)果可以認(rèn)為，所建立的座椅動(dòng)態(tài)仿真模型的準(zhǔn)確性可以接受，可以用于開展后續(xù)座椅動(dòng)態(tài)仿真分析。

3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案及效果

根據(jù)仿真及試驗(yàn)結(jié)果，座椅強(qiáng)度雖滿足《討論稿》規(guī)定的要求，但是假人HIC15、HIC36、3 ms合成加速度損傷值離限值1 000較接近。從仿真動(dòng)畫可知，假人通過安全帶約束在座椅上，在加速度沖擊下，座椅椅腿區(qū)域、安全帶下端卷收器安裝支架區(qū)域、座椅底部骨架區(qū)域結(jié)構(gòu)塑性變形較嚴(yán)重，從而降低整個(gè)座椅結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能，同時(shí)影響對(duì)假人約束作用。因此，在本文1.2節(jié)基礎(chǔ)上對(duì)座椅系統(tǒng)再進(jìn)行二次改進(jìn)，以提升座椅結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和降低假人損傷值。

3.1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

1) 加強(qiáng)座椅椅腿。在椅腿內(nèi)側(cè)貼一塊尺寸為300 mm×200 mm×2 mm的埋板。貼于內(nèi)側(cè)的埋板不會(huì)影響座椅的邊界尺寸及外觀。

2) 加強(qiáng)卷收器安裝支架。在左右2個(gè)座椅的下支架位置，通過焊接的方式增加一塊同樣規(guī)格的3 mm的安裝支架，提高卷收器安裝支架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，防止支架受沖擊變形失效。

3) 加強(qiáng)座椅第二橫梁剛度。在座椅第二橫梁中底部位置貼一塊2 mm的加強(qiáng)角鐵。

4) 加強(qiáng)座椅底骨架側(cè)板的后部區(qū)域。由于座椅靠背具有轉(zhuǎn)動(dòng)功能，結(jié)合安全帶的布置情況，受沖擊力時(shí)座椅側(cè)板后段變形較復(fù)雜，因此對(duì)處于中間區(qū)域的側(cè)板進(jìn)行局部貼2 mm加強(qiáng)板。

3.2 改進(jìn)效果

1) 假人運(yùn)動(dòng)響應(yīng)對(duì)比。座椅結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后，仿真假人運(yùn)動(dòng)響應(yīng)趨勢(shì)基本相同；加強(qiáng)座椅結(jié)構(gòu)后，仿真假人在2個(gè)階段的試驗(yàn)中，向前運(yùn)動(dòng)距離均變小。試驗(yàn)2中，結(jié)構(gòu)改進(jìn)前，左、右側(cè)假人頭部擠壓座椅靠背最大時(shí)刻深度分別為12.469 mm、10.644 mm，改進(jìn)后分別為5.1 mm、9.138 mm，分別提高58.07%、14.15%。因此，可以看出，結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后，對(duì)左側(cè)假人影響較大。

2) 座椅結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對(duì)比。結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后，從仿真結(jié)果可知，座椅結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足《討論稿》規(guī)定的要求。試驗(yàn)1前、后排假人頭部與座椅R點(diǎn)橫向垂面距離為1.263 m、1.272 m，相對(duì)結(jié)構(gòu)改進(jìn)之前，改善 0.109 m、0.082 m。結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后的座椅椅腿和卷收器安裝支架變形變小，假人頭部最大位移與輔助座椅R點(diǎn)變小，因此，結(jié)構(gòu)加強(qiáng)效果改善明顯。

3) 假人損傷對(duì)比情況。座椅結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后的結(jié)果見表2和表3。從表中可知，結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后，假人的頭部損傷值具有較大的變化，胸部變形量和加速度值略有增加，腿部受的力變化量較小。其中頭部損傷值的降低最為顯著。參考約束系統(tǒng)的整體性能評(píng)價(jià)加權(quán)傷害準(zhǔn)則WIC[10-11]，經(jīng)計(jì)算得到左、右側(cè)假人WIC值為0.529、0.565，提升18.7%、18.0%。因此，座椅系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，對(duì)整體性能的提升效果顯著。

同樣對(duì)比座椅結(jié)構(gòu)加強(qiáng)前后左/右側(cè)假人頭部加速度曲線，如圖8、圖9所示。同排座椅，左右2個(gè)假人對(duì)稱布置，在同樣的速度、加速度沖擊下，左右假人獲得的加速度值卻不同，分析其原因，可能是座椅兩端與試驗(yàn)臺(tái)車固定結(jié)構(gòu)不同，安全帶約束假人位置方式不同，前排座椅對(duì)后排假人約束力不同。從獲取的損傷數(shù)據(jù)可知，處于側(cè)圍骨架側(cè)的左側(cè)假人損傷值更小，乘員相對(duì)安全。

圖8 左側(cè)假人加速度對(duì)比

圖9 右側(cè)假人加速度對(duì)比

4 結(jié)束語

根據(jù)GB 13057討論稿的要求，選取某款大客車座椅為研究對(duì)象，開展座椅動(dòng)態(tài)試驗(yàn)及有限元仿真分析，獲取座椅結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及乘員假人損傷數(shù)據(jù)?；诜治鼋Y(jié)果，結(jié)合座椅設(shè)計(jì)、工藝、制造情況，確定座椅結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，為座椅系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。