中排座椅鎖止裝置失效分析及優(yōu)化

羅建國，鄒 平，付愛軍

（柳州五菱汽車工業(yè)有限公司技術(shù)中心，廣西柳州545007）

座椅的安全性，是指汽車座椅能有效地在事故發(fā)生時(shí)，最大限度地減輕對(duì)駕駛員及成員造成傷害的能力。座椅結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度或功能失效，可能會(huì)嚴(yán)重危及汽車駕、乘人員的生命安全。因此，針對(duì)座椅的安全性能，國家實(shí)施了一系列汽車座椅品質(zhì)強(qiáng)制檢測(cè)法規(guī)。

某型號(hào)標(biāo)準(zhǔn)中排座椅在進(jìn)行安全帶安裝固定點(diǎn)試驗(yàn)（GB14167-2006）時(shí)，出現(xiàn)了座椅鎖止裝置失效，導(dǎo)致座椅一側(cè)在拉力作用下產(chǎn)生了嚴(yán)重的扭曲變形，不能滿足國家法規(guī)規(guī)定的要求。

本文是基于該型號(hào)標(biāo)準(zhǔn)中排座椅改進(jìn)項(xiàng)目而展開的。在對(duì)原座椅結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析后，利用有限元方法，結(jié)合Hypermesh和Ls-dyna分析軟件，對(duì)整個(gè)座椅結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元仿真分析，模擬了座椅安全帶固定點(diǎn)試驗(yàn)全過程，仿真結(jié)果準(zhǔn)確地顯示出座椅結(jié)構(gòu)失效的部位。通過對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，確定了座椅結(jié)構(gòu)失效的原因。經(jīng)過優(yōu)化后，仿真和試驗(yàn)均表明，新的座椅結(jié)構(gòu)能夠滿足國家法規(guī)的要求。

1 模型的建立

1.1 座椅模型的建立

基于UG三維軟件構(gòu)建的座椅骨架幾何模型如圖1所示。利用Hypermesh軟件建立了座椅有限元分析模型如圖2所示。

建模的基本原則是準(zhǔn)確性，為了保證計(jì)算精度，模型必須能夠如實(shí)反映座椅的幾何特性和力學(xué)性能[1]。因此建模時(shí)考慮了座椅各個(gè)零件對(duì)強(qiáng)度特性的影響，并根據(jù)影響程度的不同對(duì)零件進(jìn)行篩選和簡(jiǎn)化[2]：保留了座椅骨架中主要的受力部件，而對(duì)外部載荷分配很少的蒙皮、軟墊、頭枕和鋼絲等部件，在有限元建模時(shí)不予考慮。

圖1 座椅主要部件

圖2 座椅CAE模型

單元類型的選取、網(wǎng)格尺寸的大小等因素，會(huì)直接影響有限元仿真的計(jì)算精度和效率，故在建模時(shí)需對(duì)座椅各部件進(jìn)行了區(qū)分，根據(jù)不同的部件采用了不同的單元進(jìn)行模擬：

對(duì)薄壁件和管狀結(jié)構(gòu)件，采用了薄殼（shell）單元；

對(duì)上滑軌、下滑軌、解鎖手柄導(dǎo)桿和鎖鉤等部件，采用了體（solid）單元；

座椅骨架之間的焊接和螺栓連接，分別則采用了約束（weld）單元和剛性（rigid）單元；

而座椅中的鉸接，則采用了轉(zhuǎn)動(dòng)鉸（revolute）單元。

1.2 接觸處理

標(biāo)準(zhǔn)中排座椅總成中，存在滑動(dòng)和鎖止裝置，以方便乘員進(jìn)入或使座椅中的一部分保持在某一使用位置上，這些因?qū)嶋H需要而咬合在一起的部件在載荷作用下，都會(huì)有力的傳遞作用，因此它們之間不能簡(jiǎn)單地用約束單元進(jìn)行連接，而是需要通過接觸來模擬它們之間的作用力關(guān)系。

座椅是多部件結(jié)構(gòu)總成，當(dāng)座椅受到外載荷作用時(shí)，各部件可能會(huì)因變形或扭曲而相互接觸，產(chǎn)生接觸力。故在仿真分析時(shí)必須要考慮這一因素，否則各部件變形時(shí)，可能會(huì)相互穿透，產(chǎn)生不真實(shí)的結(jié)構(gòu)位移，導(dǎo)致分析結(jié)果出現(xiàn)較大的偏差。仿真分析時(shí)，需對(duì)座椅設(shè)置一個(gè)總體單面接觸，用于檢測(cè)座椅所有結(jié)構(gòu)可能發(fā)生的接觸。

除此以外，系統(tǒng)總體接觸中有時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)一些局部區(qū)域發(fā)生接觸失效，所以對(duì)這些區(qū)域需要單獨(dú)設(shè)置局部接觸類型[3]。由于座椅總成中的滑動(dòng)和鎖止裝置在實(shí)現(xiàn)自身功能的情況下，還需傳遞載荷，是座椅系統(tǒng)中的主要傳載機(jī)構(gòu)，也是座椅強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)最易產(chǎn)生問題的結(jié)構(gòu)區(qū)域，故本次仿真對(duì)座椅結(jié)構(gòu)中的滑動(dòng)和鎖止裝置，分別定義了局部雙面接觸。

2 仿真分析

2.1 邊界載荷處理

本次座椅有限元仿真分析，以汽車安全帶安裝固定點(diǎn)（GB14167-2006）試驗(yàn)法規(guī)為依據(jù)，模擬座椅在載荷作用下的變化過程。為了盡可能模擬準(zhǔn)確，加載時(shí)對(duì)座椅施加了法規(guī)規(guī)定的邊界載荷（如圖3所示）[4]，即對(duì)上、下人體模型塊同時(shí)施加13500 N的載荷，載荷沿平行于車輛縱向中心平面并與水平線成向上5°～15°的方向施加；同時(shí)考慮座椅施加向前20倍自身凈質(zhì)量的載荷的影響；載荷持續(xù)0.2 s；座椅下端安裝孔施加全約束并使座椅處于最不利位置。

圖3 座椅載荷邊界

考慮到試驗(yàn)所用的上、下人體模塊幾乎不變形，故建模時(shí)定義人體模塊為剛性體；基于簡(jiǎn)化原則，安全帶采用一維安全帶單元（seatbelt）和二維安全帶單元（shell）結(jié)合來模擬，并賦予實(shí)際安全帶單位長度質(zhì)量，以及用曲線定義織帶在加載和卸載條件下的受力與工程應(yīng)變的關(guān)系，真實(shí)地模擬安全帶的性能[5]。同時(shí)對(duì)安全帶與人體模塊建立了主從雙面接觸。

安全帶固定點(diǎn)試驗(yàn)是緩慢加載，屬于準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)，仿真分析時(shí)可采用顯式方法和隱式方法進(jìn)行求解。但是隱式求解對(duì)于靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)問題，涉及到接觸不穩(wěn)定和極其復(fù)雜的接觸問題時(shí)，很難保證迭代穩(wěn)定收斂，而顯式方法則非常適用于求解各種復(fù)雜的接觸問題，比較容易收斂。只要積分時(shí)間步長小于所要求的臨界時(shí)間步長，就可以用于準(zhǔn)靜態(tài)分析。故本次仿真采用LS-DYNA顯式求解器進(jìn)行計(jì)算。

2.2 CAE分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)文獻(xiàn)[6]，當(dāng)加載速度低于40 km/h時(shí)，顯式計(jì)算值跟準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)很接近。因此本文采用的分析時(shí)間是250 ms，前100 ms線性增加負(fù)荷,之后的150 ms保持規(guī)定負(fù)荷。

有限元仿真分析結(jié)果表明，原座椅總成中的鎖止裝置在加載至規(guī)定負(fù)荷后發(fā)生失效。從動(dòng)態(tài)圖4所示可以看出，加載后，鎖鉤有向后逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)解鎖的趨勢(shì)；套管嚴(yán)重塑性變形；解鎖手柄導(dǎo)桿彎曲變形，并最終從套管內(nèi)直接滑出，導(dǎo)致鎖止裝置功能失效。

圖4 鎖止裝置失效過程

故從仿真計(jì)算結(jié)果可以看出原座椅結(jié)構(gòu)存在以下問題：

首先是解鎖手柄導(dǎo)桿約束端的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，從圖5仿真結(jié)果塑性變形圖可以看出，套筒與鉸接孔焊接區(qū)塑性應(yīng)變達(dá)到0.304，套筒焊接端會(huì)嚴(yán)重變形或出現(xiàn)裂縫，這也與原座椅試驗(yàn)結(jié)果相吻合（如圖6所示）；

圖5 原結(jié)構(gòu)10%塑性變形圖

圖6 原結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果

其次，座椅鎖止裝置的布局存在缺陷，即鎖鉤的旋轉(zhuǎn)中心與鎖止桿的相對(duì)位置布局不合理。由圖1座椅結(jié)構(gòu)顯示可知，鎖鉤與解鎖手柄導(dǎo)桿固連，手柄導(dǎo)桿可在套筒內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)、套筒與邊框孔焊接，鎖止桿鎖住鎖鉤，初始狀態(tài)如圖7所示。

圖7 原鎖鉤受力示意圖

當(dāng)載荷通過鎖鉤與鎖止桿的咬合，向下端固定位置傳遞載荷時(shí)的同時(shí)，鎖鉤也會(huì)受到鎖止桿的反力F，從而使鎖鉤產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)力矩M，帶動(dòng)鎖鉤和手柄導(dǎo)桿在套筒內(nèi)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)解鎖，因此當(dāng)套筒與邊框鉸接孔的焊接剛度足夠時(shí)，鎖鉤解鎖也會(huì)導(dǎo)致鎖止裝置功能失效。

因此，對(duì)座椅的改進(jìn)，主要集中在提高套筒焊接端的強(qiáng)度，優(yōu)化鎖鉤受力狀態(tài)，保證座椅在受到載荷時(shí)，產(chǎn)生鎖鉤向前順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)鎖緊的趨勢(shì)。

通過對(duì)結(jié)構(gòu)失效部位進(jìn)行仔細(xì)分析和一系列仿真計(jì)算，調(diào)整鎖止結(jié)構(gòu)的布局，采用的優(yōu)化措施如圖8所示，即在鉸接孔外端增加圓環(huán)，以防止解鎖手柄導(dǎo)桿脫出；在邊框內(nèi)置加強(qiáng)板，提高鉸接孔周邊的剛度；通過延長套筒，增加手柄導(dǎo)桿回轉(zhuǎn)接觸，減少導(dǎo)桿彎曲變形；優(yōu)化鎖鉤初始受力狀態(tài)和鎖鉤形式。

圖8 優(yōu)化結(jié)構(gòu)

2.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化仿真與試驗(yàn)

對(duì)座椅鎖止裝置進(jìn)行優(yōu)化后，再經(jīng)過有限元仿真計(jì)算，表明優(yōu)化后的座椅結(jié)構(gòu)在安全帶固定點(diǎn)試驗(yàn)過程中不會(huì)失效。鎖止桿能有效地鎖住鎖鉤，鉸接孔周邊變形明顯改善，最大應(yīng)變僅有0.091，解鎖手柄導(dǎo)桿彎曲變形減少如圖9所示。

圖9 10%塑性變形圖

圖10 改進(jìn)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果

圖10所示的試驗(yàn)結(jié)果，同樣證明了優(yōu)化后的座椅結(jié)構(gòu)能夠滿足汽車安全帶安裝固定點(diǎn)（GB14167-2006）的試驗(yàn)法規(guī)要求。

3 結(jié)束語

通過對(duì)座椅試驗(yàn)的模擬仿真，明確了座椅結(jié)構(gòu)失效的原因，實(shí)現(xiàn)了對(duì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與改進(jìn)，達(dá)到了座椅項(xiàng)目改進(jìn)的目的。有限元仿真技術(shù)不僅可用于指導(dǎo)座椅后期的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，也可以在座椅前期設(shè)計(jì)發(fā)揮更重要作用。在座椅概念設(shè)計(jì)階段，可以通過仿真手段有效地預(yù)測(cè)座椅結(jié)構(gòu)的相關(guān)性能狀態(tài)，并快速地對(duì)各種方案進(jìn)行評(píng)估，選擇最優(yōu)結(jié)構(gòu)，這樣可以縮短座椅開發(fā)的時(shí)間，降低開發(fā)試驗(yàn)的次數(shù)和成本。

[1]王宏彥，張 丹.汽車座椅有限元建模與計(jì)算[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004，32(7)：947-948.

[2]徐中明，郝煒雅，張志飛.汽車座椅強(qiáng)度及碰撞仿真分析[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，32(5)：513-514.

[3]趙海歐.LS-DYNA動(dòng)力分析指南[M].北京：兵器工業(yè)出版社，2003.

[4]GB14167-2006，汽車安全帶安裝固定點(diǎn)試驗(yàn)[S].

[5]HallquisTJO.LS-DYNA Keyword User’Manual[M].CA:Livermore Software Technology Corporaton，2007.

[6]王青春，范子杰.利用LS-DYNA計(jì)算結(jié)構(gòu)準(zhǔn)靜態(tài)壓潰的改進(jìn)方法[J].力學(xué)與實(shí)踐，2003，25（3）：20-23.