汽車(chē)座椅靜強(qiáng)度仿真分析與試驗(yàn)

于國(guó)超，王 輝，危學(xué)兵，劉華官，符大興

(1.武漢理工大學(xué) 汽車(chē)工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司，廣西 柳州 545007)

汽車(chē)座椅作為交通事故中保障乘員安全的重要部件[1]，在駕駛安全、舒適性等方面發(fā)揮了重要作用，如何提高駕駛安全性，提高汽車(chē)座椅的安全保障及舒適美觀等性能，成為車(chē)輛領(lǐng)域研究的重要內(nèi)容，受到越來(lái)越多的關(guān)注。

安全帶作為汽車(chē)座椅的重要組成部分，可以在車(chē)輛發(fā)生碰撞等交通事故時(shí)有效減輕由于人體慣性作用而造成的傷害，如果安全帶固定點(diǎn)的強(qiáng)度達(dá)不到法規(guī)的要求，在交通事故中發(fā)生安全帶脫落以及安全帶鎖扣撕裂等現(xiàn)象會(huì)造成人員的傷亡[2]。此外，頭枕作為汽車(chē)座椅的又一重要部件，能夠?yàn)檐?chē)內(nèi)人員提供更加舒適的乘車(chē)環(huán)境，同時(shí)汽車(chē)在發(fā)生碰撞事故時(shí)，頭枕能夠有效地吸收人體頭部的動(dòng)能[3]，防止車(chē)內(nèi)人員發(fā)生“二次碰撞”，對(duì)人體的頭部和頸部發(fā)揮著重要的保護(hù)作用[4]。工程應(yīng)用中為了降低開(kāi)發(fā)過(guò)程中的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)成本，利用有限元仿真技術(shù)，對(duì)座椅進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的仿真分析，進(jìn)一步保證試驗(yàn)驗(yàn)證的合格率[5]。

1 座椅有限元模型的建立

1.1 有限元模型的構(gòu)建

汽車(chē)座椅由大量的鈑金件沖壓焊接而成，在進(jìn)行座椅骨架靜強(qiáng)度分析時(shí)，需要考慮座椅整體結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度是否滿足要求[6]，座椅骨架以外的其它部件對(duì)座椅的強(qiáng)度幾乎不會(huì)造成影響，在有限元建模時(shí)可以不予考慮。

網(wǎng)格劃分的數(shù)量和精度直接影響模型計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算時(shí)間周期[7]。對(duì)座椅骨架主要結(jié)構(gòu)件選用殼單元(Shell單元)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格的尺寸設(shè)置為5 mm，以四邊形殼單元為主，配合三角形殼單元保證結(jié)構(gòu)件上形狀較為復(fù)雜的區(qū)域能夠合理過(guò)渡[8]，網(wǎng)格的縱橫比設(shè)置為3，翹曲度設(shè)置為15°，四邊形內(nèi)角設(shè)置為45°～135°，三角形內(nèi)角設(shè)置為25°～110°，雅克比設(shè)置為0.6。有限元模型共計(jì)60 214個(gè)節(jié)點(diǎn)和57 233個(gè)殼單元，座椅的有限元模型如圖1所示。

圖1 座椅的有限元模型

對(duì)于結(jié)構(gòu)件之間的CO2保護(hù)焊連接形式，采用剛性單元連接的方法進(jìn)行模擬，通過(guò)連接兩個(gè)焊縫區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)骨架結(jié)構(gòu)件之間的連接，如圖2所示。對(duì)于結(jié)構(gòu)件之間的螺栓連接，假定螺栓在受力過(guò)程中不發(fā)生變形，采用剛性單元連接上下兩個(gè)安裝孔的Washer進(jìn)行模擬[9]，如圖3所示。在定義材料屬性時(shí)，將調(diào)角器等部分結(jié)構(gòu)件進(jìn)行剛性化處理，選用MAT20材料模擬剛體材料，保證結(jié)構(gòu)件所有節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位移保持不變，選用MAT100材料模擬座椅骨架上的實(shí)體焊點(diǎn)[10]。

圖2 剛性連接

圖3 螺栓連接

1.2 邊界條件的確定

在有限元建模時(shí)，通過(guò)約束4個(gè)座椅腳來(lái)模擬座椅在車(chē)內(nèi)的實(shí)際固定方式。假定連接座椅與車(chē)身地板的4個(gè)螺栓在受力過(guò)程中不發(fā)生破壞，直接約束4個(gè)螺栓孔的6個(gè)自由度，即座椅相對(duì)于全局坐標(biāo)系X、Y、Z方向上的平動(dòng)和X、Y、Z方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)，約束示意圖如圖4所示。

圖4 座椅腳約束示意圖

2 座椅安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度的仿真分析

2.1 安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)

GB 14167-2013《汽車(chē)安全帶安裝固定點(diǎn)、ISOFIX固定點(diǎn)系統(tǒng)及上拉帶固定點(diǎn)》法規(guī)[11]規(guī)定對(duì)汽車(chē)座椅安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，需要分別對(duì)上、下人體模塊加載大小為(13 500±200) N的載荷，沿平行于車(chē)輛縱向中心平面向前并與水平線向上成10°±5°的方向施加載荷，同時(shí)在通過(guò)座椅質(zhì)心的水平方向上向前施加座椅總重量20倍的拉力，在規(guī)定的加載時(shí)間內(nèi)，安全帶固定點(diǎn)的強(qiáng)度必須保證安全帶不脫落，允許固定點(diǎn)或周?chē)鷧^(qū)域有永久變形，包括部分?jǐn)嗔鸦虍a(chǎn)生裂紋，加載示意圖如圖5所示。

圖5 安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度加載示意圖

2.2 加載模型的建立

按照國(guó)家法規(guī)要求建立座椅模塊和其它附加模塊的仿真模型，主要包括上人體模塊、下人體模塊、拉桿模塊、安全帶模塊以及部分車(chē)身的模塊。為了減小模型的計(jì)算量，將與安全帶固定點(diǎn)連接的車(chē)身模塊去掉，著重考察座椅上安全帶固定點(diǎn)處的應(yīng)力及應(yīng)變情況，仿真分析時(shí)使用的附加模塊如圖6所示。

圖6 安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度試驗(yàn)使用模塊

通過(guò)剛性連接將安全帶固定點(diǎn)連接到車(chē)身B柱上，按照法規(guī)要求的方向?qū)ι?、下人體模塊分別施加16 440 N(法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的120%)的載荷，將拉桿模塊擺放在通過(guò)座椅質(zhì)心的水平方向上并施加20倍座椅總重量的拉力，座椅的質(zhì)量為20.4 kg，需要對(duì)拉桿施加的拉力為3 998.4 N，建立的有限元模型如圖7所示。

圖7 安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度有限元模型

2.3 仿真結(jié)果與分析

座椅骨架整體應(yīng)力分布云圖如圖8所示，應(yīng)力較大的地方主要集中在坐盆與滑軌之間的支撐板、滑軌以及座椅腳上，最大應(yīng)力值為0.775 GPa，出現(xiàn)在座椅腳位置，如圖9所示，座椅腳采用的材料是CR980，材料的屈服強(qiáng)度為700 MPa，抗拉強(qiáng)度為980 MPa，最大應(yīng)力值超過(guò)了材料的屈服強(qiáng)度，沒(méi)有超過(guò)材料的抗拉強(qiáng)度，座椅腳會(huì)發(fā)生一定的塑性變形，但不會(huì)失效。

圖8 座椅骨架應(yīng)力云圖

圖9 座椅腳應(yīng)力云圖

座椅骨架的整體應(yīng)變?cè)茍D如圖10所示，圖10中的座椅骨架應(yīng)變主要集中在安全帶鎖扣固定板及其相連接的滑軌位置，最大的應(yīng)變?yōu)?0.3%，出現(xiàn)在安全帶鎖扣固定板位置，如圖11所示，座椅的安全帶鎖扣固定板采用的材料是QSTE420，材料的斷裂延伸率為16%，最大應(yīng)變小于材料的斷裂延伸率，安全帶鎖扣固定板不會(huì)發(fā)生斷裂，安全帶不存在拉脫風(fēng)險(xiǎn)。

圖10 座椅骨架應(yīng)變?cè)茍D

圖11 安全帶鎖扣固定板應(yīng)變?cè)茍D

3 座椅頭枕的安全性仿真分析

3.1 頭枕強(qiáng)度與位移量法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)的GB15083-2006《汽車(chē)座椅、座椅固定裝置及頭枕強(qiáng)度要求和試驗(yàn)方法》中規(guī)定[12]，在座椅參考點(diǎn)R點(diǎn)處對(duì)靠背施加373 N·m的力矩，在座椅或座椅靠背沒(méi)有損壞的前提下繼續(xù)向座椅頭枕施加890 N的載荷，座椅頭枕及座椅骨架的材料不發(fā)生失效，頭枕的位移量不超過(guò)102 mm。對(duì)座椅頭枕施加的載荷作用點(diǎn)應(yīng)位于頭枕頂部沿軀干線方向向下65 mm處或更高的位置，加載示意圖如圖12所示。

圖12 頭枕加載示意圖

3.2 加載模型的建立

建立直徑為165 mm的球狀剛性模型作為頭部模型，依據(jù)GB14167-2013法規(guī)附錄C中人體背部形狀建立背部模型。加載過(guò)程中，對(duì)座椅靠背加載373 N·m的力矩轉(zhuǎn)換成在座椅參考點(diǎn)R點(diǎn)處沿靠背線向上234 mm的位置施加1 594 N的力，保持靠背不動(dòng)的情況下，對(duì)座椅頭枕施加447.6 N·m(法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的120%)的力矩轉(zhuǎn)換成在頭枕加載點(diǎn)處施加587 N的力，繼續(xù)將施加在頭枕上的力增加481 N，最終作用在頭枕加載點(diǎn)處的力為1 068 N(法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的120%)的載荷，建立的有限元模型如圖13所示。

圖13 頭枕強(qiáng)度有限元模型

3.3 仿真結(jié)果分析

座椅整體骨架的應(yīng)力分布如圖14所示，從圖14可知，座椅在承受上述載荷作用時(shí)，應(yīng)力較大的區(qū)域出現(xiàn)在頭枕骨架、調(diào)角器附近、靠背側(cè)板與坐盆側(cè)板以及滑軌與坐盆支撐板的連接部位，最大應(yīng)力值為0.690 GPa，出現(xiàn)在頭枕骨架位置，如圖15所示。

圖14 座椅骨架應(yīng)力云圖

圖15 頭枕骨架應(yīng)力云圖

頭枕骨架采用的材料是HC800，材料的屈服強(qiáng)度為800 MPa，最大應(yīng)力值沒(méi)有超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，頭枕骨架會(huì)發(fā)生一定的彈性變形，不會(huì)發(fā)生塑性變形，頭枕不會(huì)失效，頭枕的強(qiáng)度滿足國(guó)家法規(guī)要求。

座椅骨架的位移量分布云圖如圖16所示，圖中的座椅最大位移量出現(xiàn)在頭枕頂部位置，最大位移量為72.77 mm，小于法規(guī)規(guī)定的102 mm，座椅頭枕強(qiáng)度滿足法規(guī)要求，能夠有效保護(hù)人體頭部。

圖16 座椅骨架位移量云圖

4 座椅頭枕強(qiáng)度與位移量試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)設(shè)備

座椅頭枕試驗(yàn)設(shè)備的要求為：①對(duì)三工位在前后、左右、上下方向的位移全部采用電動(dòng)調(diào)整；②可實(shí)現(xiàn)三工位同步加載；③對(duì)頭枕、靠背的加載采用伺服電機(jī)和電缸驅(qū)動(dòng)；④對(duì)靠背自重及加載控制精度可進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償；⑤可對(duì)頭枕位移、載荷，靠背角度、扭矩進(jìn)行可靠測(cè)試；⑥可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)報(bào)告的存儲(chǔ)、查詢(xún)、調(diào)用和打印功能。

4.2 試驗(yàn)方法

在專(zhuān)用的試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行座椅頭枕的靜強(qiáng)度和位移量試驗(yàn)，試驗(yàn)前需對(duì)座椅頭枕進(jìn)行準(zhǔn)備工作，包括：①確定頭枕基準(zhǔn)點(diǎn)；②確定頭枕高度；③確定頭枕寬度。

當(dāng)試驗(yàn)用的假頭型作用在頭枕上時(shí)，頭枕與座椅的固定方式要保證座椅的靠背襯墊、固定處不能出現(xiàn)剛性的能引起傷害的凸起，加載順序如下所述：

(1)加載背行物到座椅上，直到相對(duì)于R點(diǎn)的力矩為373 N·m，如圖17所示。

圖17 座椅靠背加載圖

(2)加載剛性頭型于頭枕頂部沿軀干線方向向下65 mm處，施加587 N的力。

(3)座椅的靠背及頭枕沒(méi)有發(fā)生損壞時(shí)，對(duì)頭枕施加的載荷增加到1 068 N(法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的120%)，如圖18所示。

圖18 座椅頭枕加載圖

(4)試驗(yàn)結(jié)束后釋放座椅頭枕與靠背上的全部載荷。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

頭枕試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示，在座椅頭枕的高度、寬度、枕用高度以及頭枕間隙均合格的情況下，對(duì)座椅施加1 072.93 N的載荷時(shí)，座椅頭枕及其固定裝置的強(qiáng)度合格，座椅靠背未出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，頭枕的位移量為68.34 mm。最大位移量小于法規(guī)規(guī)定的102 mm，頭枕的位移量符合法規(guī)要求。試驗(yàn)過(guò)程中的座椅頭枕位移量與加載力的關(guān)系曲線如圖19所示。

表1 頭枕試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

圖19 頭枕位移量與加載力關(guān)系曲線

綜上所述：座椅頭枕強(qiáng)度與位移量仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果二者吻合較好，均符合座椅頭枕強(qiáng)度及位移量的法規(guī)要求。由于仿真的座椅模型與實(shí)際生產(chǎn)的試驗(yàn)座椅不可避免的存在差異，并且實(shí)際的座椅頭枕與靠背連接的地方存在的間隙問(wèn)題也會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果的頭枕位移量存在一定的差距，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定誤差小于12%就說(shuō)明仿真結(jié)果是可信的，本次仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的頭枕位移量誤差為4.43 mm，誤差率為6.48%，仿真結(jié)果具有較高的參考價(jià)值，座椅頭枕強(qiáng)度仿真模型的準(zhǔn)確性高。

5 結(jié)論

針對(duì)某乘用車(chē)座椅結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問(wèn)題，依據(jù)GB14167-2013法規(guī)和GB15083-2006法規(guī)進(jìn)行了座椅安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度和頭枕強(qiáng)度的仿真分析與試驗(yàn)，結(jié)果表明座椅整體應(yīng)力分布較為均勻，最大應(yīng)力位置屬于局部應(yīng)力集中，最大變形位置沒(méi)有超過(guò)材料的斷裂延伸率，座椅的位移量沒(méi)有超過(guò)法規(guī)規(guī)定的102 mm，座椅的安全性不會(huì)受到影響。試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的誤差率僅為6.48%，驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性和可靠性，仿真結(jié)果具有較高的參考價(jià)值。