某汽車座椅頭枕靜強度仿真分析與優(yōu)化

趙 民，孫 晶，王 宇，王錚錚

（1.沈陽建筑大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110168；2.上海鴻仿汽車技術有限公司，上海 201506）

1 引言

汽車座椅是乘員與汽車最直接接觸的主要零部件，所以國家對汽車座椅結構的安全性能標準要求也越來越嚴格。汽車座椅是汽車內部最重要的零部件之一，它可以為乘員提供良好舒適的乘坐環(huán)境以及保證乘員的人身安全[1-2]。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，在各類事故中，30%的傷員都有不同程度的頭部損傷。當汽車受到撞擊時會產生巨大的沖擊力，使得乘員的頭部向后運動，頭部和胸部的相對位移量過大，導致乘員的頸椎受到損傷。汽車座椅的強度直接影響著座椅的安全性能，大量試驗表明，頭枕可以限制成年乘員頭部相對于其軀干向后移動，有效地吸收外部對乘員的沖擊能量，減輕碰撞外力對人頭部和頸椎的損傷程度[3-4]。汽車座椅質量的好壞直接影響著乘員的生命安全，所以開發(fā)一個安全性極高的座椅頭枕用來保護乘員頭頸部的安全是非常有必要的。應用HyperMesh 前處理軟件和Ls-dyna 求解器對某汽車座椅結構的靜強度進行仿真試驗分析，為座椅結構的改進和優(yōu)化提供了可行性的依據(jù)。

2 汽車座椅有限元模型的建立

2.1 座椅模型建立

應用HyperMesh 前處理軟件進行某車型中排右側座椅總成有限元模型的建立。座椅的結構主要包括沖壓鋼板和鋼絲等，對于沖壓鋼板等金屬件采用二維的殼單元建模，鋼絲采用一維的梁單元建模，發(fā)泡采用六面體單元建模。根據(jù)國家座椅靜強度試驗法規(guī)規(guī)定，在座椅模型頭枕的正前方位置處建立一個假頭模型，用該模型模擬乘員頭部對座椅進行仿真試驗。在建立的座椅模型中一共含有53589 個單元，其中包括殼單元48599 個，梁單元1292 個，體單元3698 個。在進行網格的劃分時將其尺寸設置為5mm，二維殼單元中主要以四邊形單元為主，形狀變化大的區(qū)域可以采用少量的三角形單元，數(shù)量控制在5%以內[5]。

2.2 材料屬性設置

在HyperMesh 的用戶模塊下設置該座椅結構中的各個零部件的材料及其物理屬性。該結構中大部分金屬件的厚度在（0.5～2.5）mm 的范圍內；鋼絲的直徑為8mm；假頭模型的直徑為165mm，質量為6.8kg，殼體厚度為1mm。對于座椅結構中鋼板等殼單元的材料類型定義為MATL24，即分段線性塑性材料模型。對于假頭模型的材料定義為MATL20，即剛性材料，可以保證在碰撞的過程中假頭不變形，座椅頭枕才是變形部件[6-7]。頭枕發(fā)泡的材料定義為MATL83。

2.3 連接關系設置

在座椅骨架中主要有鋼絲和鋼絲的連接、鋼絲和卡板的連接、鋼管和鋼板的連接等，這其中有多處用到了點焊、縫焊的焊接形式。在建模時利用剛性單元連接的方法模擬焊接、螺栓連接方式。

2.4 接觸定義設置

在進行仿真前要定義頭枕和假頭之間的接觸方式，根據(jù)接觸中主面和從面的確定原則，材料剛度大的一面為主面，定義假頭球體表面為主動接觸面，頭枕和假頭之間的接觸定義為面面接觸[8]。

2.5 邊界條件確定

在進行仿真分析時，邊界條件的確定也是十分重要的問題，因此根據(jù)實車座椅與車身地板的固定方式，在進行仿真試驗分析時采用三點定位的方式。根據(jù)頭枕靜強度試驗國家法規(guī)，在仿真分析時需根據(jù)要求將座椅頭枕調節(jié)到最高位置。

2.6 載荷施加

根據(jù)座椅頭枕靜強度試驗國家法規(guī)GB11550-2009[9]的要求，首先用假背對座椅靠背進行加載，加載時使其產生向后373N·m力矩。

完成對座椅靠背結構的加載后，開始對頭枕結構進行力的加載，第一次加載到565N（第一次加載的力的大小是通過對靠背加載的373N·m 力矩與力臂的乘積結果確定），為了保持載荷在突變處緩慢的加載，保持0.05s，然后進行第二次的加載，本次加載到890N 并保持0.05s。

3 仿真試驗

通過Ls-dyna 的求解運算，得出座椅總成的仿真應力云圖，如圖1 所示。從應力圖中可以看出座椅在890N 載荷的作用下，頭枕桿結構處的應力值最大，大小為345MPa，已經遠遠超過材料的屈服極限235MPa，但并沒有達到材料的強度極限375MPa[10]。座椅結構中頭枕桿的最頂端在運動過程的某一時刻超過了評判面，并且在運動的過程中，頭枕桿結構的變形量較大，其變形如圖2 所示。其他零部件并沒有超過評判面，符合法規(guī)要求。仿真試驗時頭枕桿最頂端向后的位移曲線圖，如圖3 所示。在發(fā)生事故時若其向后移動的距離較大，不能很好的保護乘員的頭部和頸部安全，存在很大的安全隱患，不滿足頭枕靜強度試驗國家法規(guī)要求。所以，需要對頭枕桿結構進行改進和優(yōu)化，提高其安全系數(shù)，使其滿足法規(guī)要求。

圖1 頭枕桿結構靜強度分析應力云圖Fig.1 Head Pillow Structure Static Strength Analysis Stress Map

圖2 頭枕桿變形圖Fig.2 Head Pillow Deformation Diagram

圖3 頭枕桿頂部位移-時間曲線Fig.3 Head Pillow Relative Displacement-Time Curve

4 優(yōu)化分析

4.1 頭枕桿結構改進

根據(jù)靜強度的仿真分析結果可知頭枕桿結構向后移動的距離較大，超過了評判面，不能有效地保護乘員的安全，所以對頭枕桿的結構進行了優(yōu)化。提出了兩種優(yōu)化方案，方案1 是在頭枕桿中間位置處增加一個加強筋，方案2 是改變頭枕桿骨架的形狀。優(yōu)化后的座椅頭枕骨架結構，如圖4 所示。下面對兩種方案分別進行仿真分析，選出二者中符合本座椅的最優(yōu)方案。對改進方案1 模型重新進行運算和仿真分析，通過HyperView 軟件可知該方案的頭枕桿的應力云圖，如圖5 所示。其最大應力為351.9MPa。通過仿真分析可知改進方案1 滿足GB11550-2009 法規(guī)的要求。

圖4 優(yōu)化方案Fig.4 Optimization Scheme

圖5 頭枕桿應力云圖Fig.5 Head Pillow Analysis Stress Map

對改進方案2 模型重新進行運算和仿真分析，通過HyperView 軟件可知該方案的頭枕桿的應力云圖，如圖6 所示。其最大應力為271.3MPa。通過分析可知改進方案2 滿足GB11550-2009 法規(guī)的要求。

圖6 頭枕桿應力云圖Fig.6 Head Pillow Analysis Stress Map

兩種改進方案頭枕桿頂部位移量對比，如圖7 所示。

圖7 頭枕桿頂部位移量-時間曲線Fig.7 Head Pillow Relative Displacement-Time Curve

4.2 最優(yōu)方案選取

對改進后的座椅結構重新進行運算和仿真分析，可知改進后的座椅結構在仿真試驗時沒有超過評判面而且沒有零件失效。原始方案和兩種改進方案中頭枕桿結構中最大的應力、應變、最大位移量、質量對比，如表1 所示。由表1 可知改進后的座椅頭枕桿頂部的位移量相比于原座椅結構大大減小了。通過對兩種方案仿真分析的數(shù)據(jù)和移動距離曲線圖形的對比可以看出改進方案2 模型的變形量和頭枕桿結構的最大應力值都更小，質量也較小，符合座椅頭枕靜強度試驗國家法規(guī)要求，所以選定方案2 為最優(yōu)。

表1 原始方案與兩種改進方案的數(shù)據(jù)統(tǒng)計Tab.1 The Data Statistics of an Original Scheme and Two Kinds of Improvement Schemes

5 結論

從仿真試驗分析結果可知原座椅的頭枕桿結構超過了評判面，最大應力為345MPa，超過了材料的屈服極限235MPa，雖然沒有超過材料的強度極限375MPa，但失效風險很大，不滿足法規(guī)的要求。對座椅結構提出了改進方案，并對其進行了可行性分析驗證。經過分析可知改進方案2 的座椅頭枕桿的最頂部的位移是42.67mm，比原座椅結構頭枕桿的最頂部的位移118.6mm 大大減少了。方案2 的應力為271.3MPa，小于材料屈服強度，結構安全性有了很大的提高，滿足GB11550-2009 國家法規(guī)的要求。