某乘用車后排座椅靜強度及碰撞仿真分析

胡 溧，陳 順，楊啟梁，黃 濤

（1.武漢科技大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，湖北 武漢 430081；2.東風(fēng)安道拓汽車座椅有限公司，湖北 武漢 430058）

1 前言

隨著社會的不斷進步，人們對汽車的要求也越來越高，座椅安全性因此也被廣泛重視，在安全性方面的研究逐漸增多。研究方法主要有試驗分析和有限元仿真分析，通過試驗進行研究時間較長且費用較高，隨著社會的進步，有限元仿真技術(shù)逐漸成熟起來，仿真分析越來越多的應(yīng)用于座椅的安全性分析中，通過仿真分析可以節(jié)省研究時間和研究費用[1]。

國外學(xué)者進行了很多關(guān)于座椅的研究，有對安全帶固定點強度的研究，骨架失效形式的研究和采用參數(shù)化方法對座椅進行設(shè)計開發(fā)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化[2?5]。

國內(nèi)學(xué)者大多以GB15083?2006和ECE R17中對座椅安全性要求的規(guī)定為基礎(chǔ)，對座椅進行靜強度分析、動強度分析、吸能性分析、假人響應(yīng)分析等[6?9]。

根據(jù)有限元理論，應(yīng)用有限元仿真分析軟件Hyperworks、LS?DYNA，分別進行某乘用車后排座椅靠背骨架的模態(tài)分析、靜強度分析、沖擊強度分析。在模態(tài)分析中對焊縫進行詳細的研究，調(diào)整焊縫的材料屬性以及焊縫的尺寸和位置，使焊縫的模擬更精確，從而使有限元模型更精確，以保證靜強度仿真和碰撞仿真的準確進行。

2 模態(tài)分析

2.1 后排座椅結(jié)構(gòu)

分析對象為某款乘用車的后排座椅靠背，分析座椅主要承受載荷的部件以及建模的簡便性，對座椅靠背進行適當(dāng)簡化，僅以座椅靠背骨架為分析對象。該座椅靠背骨架分為40%側(cè)和60%側(cè)，以60%側(cè)靠背骨架為基礎(chǔ)進行有限元建模，并進行模態(tài)分析驗證有限元建模的準確性。

2.2 60%側(cè)靠背骨架有限元模型建立

將60%側(cè)靠背骨架幾何模型導(dǎo)入Hypermesh 中，由于60%側(cè)靠背骨架主要由鋼絲及少量的鋼板和鋼管焊接而成，所以本次有限元建模分為兩部分：首先進行各零件網(wǎng)格的劃分，隨后采用焊縫單元將各部件連接起來。

2.2.1 各零件網(wǎng)格劃分

60%側(cè)靠背骨架的零件構(gòu)成主要是管、板、鋼絲，其中管、板結(jié)構(gòu)歸為一類，鋼絲歸為一類。管、板類零件應(yīng)用midsurface 抽取中面，對各零件中面進行幾何清理，包括自由邊、邊倒角、其他一些影響網(wǎng)格質(zhì)量的幾何特征的清理，清理完成后劃分2D單元，考慮各結(jié)構(gòu)的尺寸以及后續(xù)計算要求，將彎管、扶手管2D單元尺寸定義為5mm，各支架2D單元尺寸定義為2mm。各鋼絲則應(yīng)用3D單元進行建模，首先也需要對鋼絲實體進行幾何清理，然后劃分四面體實體單元，由于鋼絲直徑較小，各鋼絲實體單元尺寸定義為1mm。

2.2.2 焊縫單元的建立

目標(biāo)座椅骨架是由弧焊進行焊接，形成焊縫將各個零件連接起來，故有限元建模中要對焊縫進行模擬。當(dāng)前的類似研究中，對焊縫的模擬大多采用簡單的剛性連接，沒有考慮焊縫的材料屬性、尺寸、位置等參數(shù)。這里采取更符合實際焊縫的模擬方式對焊縫進行建模，以使整個有限元模型更加準確。首先通過企業(yè)提供的60%側(cè)靠背骨架圖紙中對焊縫尺寸以及位置的定義，確定各條焊縫的尺寸以及位置，隨后應(yīng)用hypermesh軟件中的seam面板建立五面體實體焊縫單元將各零件連接起來。焊縫單元采用等邊單元，即側(cè)面為等腰三角形。完成所有焊縫單元的建立后，完整60%側(cè)靠背骨架有限元模型，如圖1所示，其中綠色部分即各個焊縫的位置，共40條五面體實體單元焊縫，2D單元總數(shù)26299個，四面體實體單元383950個。

圖1 60%側(cè)靠背骨架有限元模型Fig.1 60% Side Backrest Frame Finite Element Model

2.3 計算模態(tài)分析

60%側(cè)靠背骨架有限元模型建立完成后，對各零件以及焊縫賦予材料屬性。各零件的材料屬性由企業(yè)提供，基本屬性參數(shù)如下：密度7.85e?009t/mm3、彈性模量216800MPa、泊松比0.3。而焊縫是由各零件的材料和弧焊焊絲的材料共同組成，沒有明確的材料屬性，初步將焊縫的材料屬性定義為與零件的材料屬性相同。

完成有限元建模以及材料屬性的賦予后，設(shè)置自由模態(tài)求解工況，提交optistruct求解得到其自由模態(tài)結(jié)果，并與試驗?zāi)B(tài)進行比對，驗證有限元模型的準確性。

基于零件的材料屬性值采用控制變量法，分別改變焊縫的密度、彈性模量、泊松比的大小，然后進行求解計算模態(tài)，多次修改求解計算模態(tài)，并與初始值的模態(tài)結(jié)果進行比對，結(jié)果表明多次修改后的計算模態(tài)結(jié)果與初始計算模態(tài)結(jié)果相差較小，故焊縫的材料屬性采用初始值即可，即焊縫采用與零件的材料屬性相同。

2.4 試驗?zāi)B(tài)

利用LMS振動測試軟件及硬件設(shè)備通過錘擊法測試60%側(cè)靠背骨架的自由模態(tài)。首先通過橡皮筋將骨架懸吊起來，并用膠水粘上兩個三向加速度傳感器，如圖2所示。①表示骨架、②表示1號傳感器、③表示2號傳感器、④表示橡皮筋、⑤表示臺架。然后通過力錘激勵60%側(cè)靠背骨架，逐步完成58個測點的激勵，經(jīng)過LMS.Test.lab采集數(shù)據(jù)并進行處理得頻率響應(yīng)函數(shù)，最終通過Polymax算法對頻率響應(yīng)函數(shù)處理，得到試驗?zāi)B(tài)。

圖2 模態(tài)試驗示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Modal Test

2.5 模態(tài)分析及修正

將前面有限元仿真得到的計算自由模態(tài)與模態(tài)試驗測試得到的試驗自由模態(tài)進行比對，計算出計算模態(tài)頻率相對于試驗?zāi)B(tài)頻率的誤差，驗證前五階模態(tài)的誤差是否小于5%，若小于5%則表明有限元仿真模型的準確性足夠高，滿足后續(xù)的仿真計算要求；若大于5%則需修正有限元仿真模型，例如修改各零件的網(wǎng)格尺寸、焊縫尺寸、位置等。初次仿真得到的計算模態(tài)與試驗?zāi)B(tài)進行比對，結(jié)果表明二者模態(tài)吻合度不高，相對誤差大多大于5%，故需要對有限元模型進行修正。由于對焊縫的模擬缺乏經(jīng)驗，故對焊縫單元進行多次修正。焊縫的初次模擬僅僅只是根據(jù)60%側(cè)靠背骨架圖紙中對焊縫的標(biāo)注進行模擬的，焊縫的長度以及位置與實際存在一定的偏差。因此通過測量60%側(cè)靠背骨架實物上每條焊縫的長度和位置，并根據(jù)企業(yè)工程意見，去掉焊縫首尾的起弧收弧，即焊縫的實際長度減去焊縫的起弧收弧得到焊縫的有效長度，根據(jù)焊縫的有效長度以及實測位置重新模擬每條焊縫。修正完所有焊縫后，再次對60%側(cè)靠背骨架進行自由模態(tài)計算，并將計算模態(tài)與試驗?zāi)B(tài)對比，結(jié)果表明二者吻合度有所提高，僅有少數(shù)階次頻率相對誤差低于5%。

再次對焊縫的長度進行修改，將實際焊縫的起弧收弧段也考慮到焊縫的總長度中，即根據(jù)測量的實際焊縫的總長度來模擬焊縫，對所有焊縫進行修正，計算修正后的60%側(cè)靠背骨架有限元模型的自由模態(tài)，將計算模態(tài)與試驗?zāi)B(tài)對比，可以看出二者吻合度提高了很多。將計算頻率與試驗頻率比對，結(jié)果如表1 所示。相對誤差百分比均小于5%，因此對于焊縫修正是正確的，焊縫的模擬方法是合理的，有限元建模方法是正確的，有限元模型滿足計算要求。

表1 計算頻率與試驗頻率Tab.1 Calculation Frequency and Test Frequency

3 靠背骨架靜強度分析

3.1 有限元建模

基于模態(tài)分析中有限元建模方法，建立完整的有限元模。完整的座椅骨架模型包括40%側(cè)和60%側(cè)，其中60%側(cè)骨架有限元模型已完成，只需按照60%側(cè)骨架的建模方法完成40%側(cè)骨架有限元模型，并對座椅骨架的腳支架進行建模。座椅骨架是采用螺柱與腳支架進行連接的，骨架可以繞腳支架旋轉(zhuǎn)。有限元建模中進行簡化，去掉螺柱，采用旋轉(zhuǎn)鉸的形式將二者連接起來，使骨架可以繞軸線旋轉(zhuǎn)。靜強度仿真有限元模型，如圖3所示，單元總數(shù)152085個，其中2D單元70795個，3D單元81290個，49條焊縫單元。

圖3 靜強度有限元模型Fig.3 Static Strength Finite Element Model

3.2 加載方式

根據(jù)GB15083?2006的規(guī)定，在靠背40%側(cè)和60%側(cè)骨架的質(zhì)心沿水平向后施加相當(dāng)于各自重量20倍的載荷。40%側(cè)靠背骨架質(zhì)量為3.777kg、60%側(cè)靠背骨架質(zhì)量為5.917kg，即在40%側(cè)靠背骨架質(zhì)心處施加740N的載荷、在60%側(cè)靠背骨架質(zhì)心處施加1160N 的載荷。通過hypermesh 確定質(zhì)心的功能找到40%側(cè)靠背骨架和60%側(cè)靠背骨架的質(zhì)心，將質(zhì)心通過柔性連接與靠背鋼絲骨架進行連接，使骨架受力分布均勻。

3.3 約束方式

根據(jù)該座椅在車身上的實際安裝方式定義靜強度仿真中約束，分別在該座椅骨架的4個腳支架以及2個安裝鎖支架上施加6個自由度全約束。

3.4 靜強度仿真分析

根據(jù)加載和約束定義靜力工況，提交optistruct 求解。仿真分析應(yīng)力云圖，如圖4 所示。從應(yīng)力云圖可知最大應(yīng)力為904.9MPa，超過了各個材料的屈服極限420MPa 和抗拉極限500MPa。查看應(yīng)力水平較大的位置，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力較大的位置均位于彎管與支架焊接的焊縫單元的邊緣，圖4（b）示意其中一條焊縫，屬于局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，而其他位置應(yīng)力分布較均勻，且未超過材料的屈服極限，根據(jù)工程經(jīng)驗，可以認為該座椅骨架靜強度滿足國標(biāo)靜態(tài)特性要求。

圖4 靜強度應(yīng)力云圖Fig.4 Static Strength Stress Contour Plot

4 后排座椅骨架行李箱碰撞仿真

4.1 碰撞法規(guī)要求

4.1.1 試驗樣塊

GB15083?2006 中關(guān)于汽車后排座椅沖擊強度試驗對試驗樣塊的要求如下：尺寸（mm）為（300×300×300），棱邊倒角為20mm，質(zhì)量為18kg，金屬薄壁殼體，自由放在地板上，試驗樣塊與靠背之間的距離為200mm，兩試驗樣塊分布在豎直縱向零平面兩側(cè)，相距50mm[10]。

4.1.2 加速度

國標(biāo)GB15083?2006中對行李箱沖擊試驗的加速度以及速度要求如下：賦予整個碰撞仿真模型50km/h左右的初始速度，同時給座椅骨架施加一個滿足國標(biāo)要求的減速度曲線。減速度曲線要求，最大減速度不小于20g，持續(xù)時間不低于30ms[10]。

4.2 碰撞仿真建模

首先基于前文的有限元建模方法，并根據(jù)座椅骨架主要承受沖擊的部位進行適當(dāng)?shù)暮喕螅趆ypermesh軟件建立的后排座椅靠背骨架行李箱沖擊仿真有限元模型，并在hypermesh軟件的LS?dyna模塊下進行碰撞仿真相關(guān)的參數(shù)設(shè)定。

4.2.1 試驗樣塊建模

根據(jù)國標(biāo)要求建立兩個試驗樣塊模型，尺寸（mm）為（300×300×300），棱邊倒角為20mm，質(zhì)量為18kg，金屬薄壁殼體，樣塊的x、y向坐標(biāo)根據(jù)國標(biāo)要求設(shè)定，自由放在地板上，試驗樣塊與靠背之間的距離為200mm，兩試驗樣塊分布在豎直縱向零平面兩側(cè)，相距50mm[10]。z向高度由該座椅生產(chǎn)公司提供的數(shù)據(jù)設(shè)定，424mm。

4.2.2 接觸關(guān)系定義

應(yīng)用Hypermesh 軟件LS?dyna 模塊下接觸定義面板surface to surface接觸，將座椅靠背與剛性樣塊的接觸定義為“面對面”接觸。同時也將樣塊與地板、骨架自身零件之間的接觸定義為“面對面”接觸。

4.2.3 約束定義

根據(jù)該座椅在車身上的實際安裝方式確定碰撞仿真中的約束，靠背軀干角度27°，分別在該座椅骨架的4個腳支架以及2個安裝鎖支架上施加5個自由度約束，釋放x向的平動自由度。

4.2.4 加速度定義

中國新車評價規(guī)程（China?New Car Assessment Program）C?NCAP將在市場上購買的新車型按照比中國現(xiàn)有強制性標(biāo)準更嚴格和更全面的要求進行碰撞安全性能測試，促進企業(yè)按照更高的安全標(biāo)準開發(fā)和生產(chǎn)，使得產(chǎn)品的碰撞安全性更高。汽車企業(yè)普遍將C?NCAP作為企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)的重要依據(jù)，而國家強制性標(biāo)準是政府部門對汽車產(chǎn)品安全性的最低要求，因此企業(yè)的碰撞安全性標(biāo)準大多比國家強制性標(biāo)準更嚴格。應(yīng)用企業(yè)標(biāo)準研究座椅的碰撞安全性，對座椅的碰撞安全性要求更高，有利于提高其碰撞安全性。

按照企業(yè)標(biāo)準進行行李箱碰撞仿真分析，結(jié)合國標(biāo)要求，并基于企業(yè)的行李箱碰撞試驗工程經(jīng)驗—給座椅施加加速度撞擊試驗樣塊，對碰撞的邊界條件進行一定的修改，只賦予座椅骨架一個滿足國標(biāo)要求的加速度曲線，即讓座椅由靜止開始加速然后撞擊樣塊，加速度曲線，如圖5所示。一條曲線之間為國標(biāo)加速度規(guī)定區(qū)域，另一條曲線為實際賦予的加速度曲線。

圖5 加速度曲線Fig.5 Acceleration Curve

4.3 碰撞仿真計算

在hypermesh軟件LS?dyna模塊下完成座椅靠背骨架行李箱碰撞仿真的所有設(shè)置后，碰撞仿真有限元模型，如圖6所示。包括座椅靠背骨架、樣塊、地板、R點前方100mm參考平面。碰撞仿真計算模型導(dǎo)出.k文件，提交到碰撞仿真軟件LS?DYNA中進行碰撞仿真計算。

圖6 碰撞仿真模型Fig.6 Impact Simulation Model

4.4 仿真結(jié)果分析

在LS?DYNA 中進行碰撞仿真計算可以得到座椅骨架撞擊剛性樣塊位移云圖、速度曲線以及位移曲線，如圖7所示。其中曲線A表示座椅骨架40%側(cè)變形量最大的一個節(jié)點的信息，曲線B表示座椅骨架60%側(cè)變形量最大的一個節(jié)點的信息，曲線C表示座椅骨架腳支架上的一個節(jié)點的信息。整個碰撞仿真過程時長120ms，最大速度14.2mm/ms，即51.12km/h，符合國標(biāo)要求速度；在60ms時骨架與樣塊相撞，此時二者相對速度7.68mm/ms，即27.65km/h；105ms時骨架變形量最大，此時40%側(cè)骨架最大變形位置與R點前方100mm相距86mm，60%側(cè)骨架最大變形位置與R點前方100mm相距23mm，結(jié)果表明靠背骨架的最大變形量均未超過R點前方100mm參考平面，且靠背鎖仍保持原來位置，即靠背沖擊強度滿足國標(biāo)動態(tài)特性要求。

圖7 碰撞仿真結(jié)果Fig.7 Impact Simulation Results

5 結(jié)束語

通過對某乘用車后排座椅靠背骨架進行模態(tài)分析、靜強度仿真分析、沖擊強度仿真分析，可以得出如下結(jié)論：

（1）相對于采用簡單的剛性連接模擬焊縫，采用五面體實體單元模擬座椅的焊縫更加合理，可以提高有限元模型的精度；研究焊縫的屬性以及尺寸可以準確的模擬焊縫，焊縫的準確模擬應(yīng)用于有限元仿真中可以進一步提高模型的精度；

（2）進行座椅骨架模態(tài)分析驗證并修正有限元模型，使得模態(tài)對比誤差低于5%，提高了模型的精度，可以保證其他仿真的準確進行；

（3）依據(jù)國標(biāo)要求進行靜強度仿真，可以分析靜載時座椅的應(yīng)力分布，總體應(yīng)力較小，靜強度滿足國標(biāo)要求；

（4）依據(jù)國標(biāo)要求，結(jié)合企業(yè)工程經(jīng)驗，按照企業(yè)標(biāo)準進行行李箱碰撞仿真，對座椅骨架的沖擊強度進行分析，結(jié)果表明骨架最大變形位置與R點前方100mm 相距23mm，未超過R點前方100mm參考平面，即靠背沖擊強度滿足國標(biāo)要求；采用企業(yè)標(biāo)準研究座椅的安全性，相對于國家標(biāo)準來說可以提高座椅的安全性；

（5）以上有限元仿真方法同樣適用于其他類似座椅的仿真分析，其仿真分析結(jié)果可以指導(dǎo)工程實踐應(yīng)用，應(yīng)用仿真分析進行座椅研究可以節(jié)省研究成本。