行李箱沖擊某汽車后排座椅的仿真分析與優(yōu)化

劉 宇，趙 民，王 宇，范 燊

（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

隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，人們對于汽車的安全性能要求也越來越高。汽車座椅是汽車事故中最重要的零部件之一，因而我國對于汽車座椅結構的安全性標準也越來越嚴格[1-2]?，F(xiàn)如今大部分汽車后排座椅構成行李艙一部分，國家標準GB15083-2006針對這一情況增加附錄F《行李位移乘客防護裝置的試驗方法》。行李箱沖擊座椅試驗是后排座椅碰撞仿真分析中的一個難點。目前國內的相關研究提出使用拓撲優(yōu)化技術設計座椅骨架布局。通常采用在座椅骨架結構上增加加強件以提高座椅的抗沖擊能力，但這種方法使得座椅質量增大，不符合設計輕量化原則。運用Hypermesh 前處理器軟件結合Ls-dyna 求解器模擬后排座椅在受到行李箱沖擊時的情況，根據(jù)輸出的詳細數(shù)據(jù)對試驗中座椅骨架形變及受力較大的零件進行分析。選取問題零件進行優(yōu)化設計，從而得最優(yōu)設計方案，為提高座椅安全性提供一定的參考[3-5]。

2 座椅行李箱有限元模型建立

2.1 元有限模型建立

運用Hypermesh 前處理軟件對某車型后排座椅行李箱沖擊試驗建立有限元模型。模型采用二維網格對金屬殼體零件進行劃分以提高有限元仿真的精確度。并采用四邊形作為網格單元，能夠更有效地控制單元數(shù)量并且能夠更好地對應力、應變以及位移情況進行仿真分析。該模型用5mm 基礎尺寸進行網格劃分，網格的最大翹曲度為15°，網格的長寬比不高于5：1，最小的單元尺寸為2.5mm。模型共有77658 個網格單元，包括1559 個梁單元、64601 個殼單元、11498 個體單元。其中，將鋼絲設置為一維的梁單元；將鈑金件設置為二維的殼單元；將軸、銷設置為三維的體單元。在Hypermesh 軟件中根據(jù)法規(guī)要求建立的有限元整體模型，如圖1 所示。

圖1 座椅行李箱沖擊試驗前模型Fig.1 The Model of Seat Luggage Impact Test Before

2.2 材料與屬性設置

模型網格劃分結束后，進行網格材料與屬性的設置。模型中材料分為彈塑性材料和剛體材料。其中試驗樣塊及車身環(huán)境件為剛體材料，默認其在任何環(huán)境下都不發(fā)生變形。其余零件均為彈塑性材料。賦予模型厚度為零件真實厚度。

2.3 連接關系設置

在后排座椅骨架中主要有焊接和螺栓連接兩種連接方式。行李箱沖擊試驗規(guī)定座椅中有限元模型的焊點和焊縫均不發(fā)生失效，采用RigidBody 對零部件進行剛性焊接；所有螺栓連接也不發(fā)生失效，采用beam 單元模擬螺栓連接。采用剛性單元rigid對梁單元端點與螺栓孔進行連接。

2.4 接觸關系設置

在有限元軟件中，零件間接觸關系的定義在仿真分析中十分重要。行李箱沖擊后排座椅試驗是一項動態(tài)試驗，隨著碰撞過程中接觸邊界時刻發(fā)生變化，在進行仿真分析時就要不斷搜索其接觸面[6]。模型中采用AutomaticGeneral 的接觸形式對座椅靠背表面與試驗樣塊側面做接觸關系的定義。靜摩擦系數(shù)為0.2，動摩擦系數(shù)為0.2。

2.5 邊界條件與載荷設置

行李箱沖擊后排座椅試驗主要考察座椅的強度，是一項考量后排座椅安全性的重要動態(tài)試驗。根據(jù)法規(guī)GB15083-2006，試驗時模擬行李箱的試驗樣塊有2 種類型，采用尺寸為（300×300×300）mm 的質量為 18kg 的一切邊棱倒圓角為 20mm 的薄壁金屬殼體作為試驗樣塊，其慣性中心與幾何中心重合[7]。將試驗樣塊放置在行李艙地板上并使其質心與構成行李箱前邊界的車輛部件之間的距離為200mm。兩試驗樣塊之間的水平距離為50mm，與車輛縱向中心面的距離分別為25mm[8]。試驗時根據(jù)法規(guī)要求設置邊界條件：給整個模型賦予50km/h 的初速度，方向沿X 負方向，約束其它方向上5 個自由度，即spc-23456。給臺車一隨時間變化的載荷使其加速度在法規(guī)所規(guī)定的范圍內。整個沖擊過程總時間為300ms。臺車的加速度波形，如圖2 所示。滿足法規(guī)要求。

圖2 臺車加速度-時間曲線Fig.2 Trolley Acceleration-Time Graph

3 座椅行李箱沖擊試驗仿真析

3.1 試驗過程仿真分析

采用Hyperview 后處理軟件對Ls-dyna 求解器中的結果文件進行分析。行李箱沖擊后排座椅過程中第0ms、100ms、200ms、300ms 時刻行李箱與后排座椅的位置示意圖，如圖3 所示。

圖3 行李箱與座椅位置示意圖Fig.3 Trunk and Seat Position Diagram

3.2 座椅骨架位移分析

根據(jù)法規(guī)GB15083-2006，在進行試驗時以及試驗完成后，座椅靠背以及緊固件可以發(fā)生變形，但不允許座椅以及車身固定點出現(xiàn)失效的情況。座椅靠背和頭枕邵爾（A）硬度大于50 部分的最前端不能向前方移出一橫向垂面。其中，發(fā)泡部分不在這個范圍內。評判面經過：

（1）座椅R 點前方150mm 的點（對頭枕部分）；

（2）座椅R 點前方100mm 的點（對座椅靠背部分）。

Hyperview 后處理軟件對Ls-dyna 求解器中的結果文件分析表明，后排座椅在行李箱沖擊過程中變形嚴重。在行李箱沖擊后排座椅過程中座椅碰撞變形最大時，頭枕及靠背超出評判面距離最大的點與其所對應的評判面，如圖4 所示。其中，A 面和B 面分別為R 點前方100mm 和150mm 處的評判面。

圖4 頭枕及靠背超出評判面距離最大點Fig.4 Headrest and Backrest Beyond the Maximum Distance from the Judging Surface

碰撞過程中座椅頭枕及靠背超出評判面距離最大的點與評判面之間的距離曲線圖，如圖5 所示。座椅頭枕及靠背與評判面之間的距離為X 方向上的距離。由曲線圖可知，座椅頭枕在0.125s 時超出評判面最大距離36.85mm。座椅靠背在0.125s 時超出參考平面最大距離22.26mm，均不滿足法規(guī)要求。

圖5 座椅頭枕及靠背與評判面距離曲線圖Fig.5 Seat Headrest and Backrest with the Judging Surface Distance Graph

3.3 座椅骨架強度分析

上述仿真結果表明，后排座椅在受到行李箱沖擊過程中（臺車減速行駛）雖然沒有發(fā)生零件斷裂的情況，但在沖擊過程中，座椅頭枕及靠背均已超出規(guī)定評判面。通過對試驗沖擊過程的分析，選取座椅骨架變形較為嚴重的靠背管進行應力分析，如圖6所示。通過Hyperview 分析結果文件可知，在0.125s 時刻，靠背管的最大應力達到556.2MPa。超出Q235 材料的屈服極限235MPa以及抗拉強度極限375MPa，具有很大的危險性。

圖6 靠背管應力分布云圖Fig.6 Backrest Tube Stress Diagram

4 優(yōu)化方案

4.1 優(yōu)化方案

由仿真分析結果可知該座椅在動態(tài)工況下不滿足法規(guī)要求，應加強座椅零件局部的剛度及強度[9-10]。綜合零件變形及受力情況選取靠背管C 進行優(yōu)化。在充分考慮制造工藝與成本的前提下，提出兩種方案對靠背管結構進行優(yōu)化并進行對比。方案1 是將原靠背管的橫截面從半徑為12.5mm 的圓形改進為長半徑為22.5mm、短半徑為12.5mm 的橢圓形，以增大靠背管的橫截面面積；方案2 是將靠背管改進為鈑金件，優(yōu)化后靠背U 形截面寬為45mm，在零件中間平整處起（3.5×20×445）mm 的筋，兩側增加12mm厚的翻邊。圖7（a）～圖7（b）為優(yōu)化前后靠背管結構橫截面對比圖。圖8（a）～圖8（c）分別為靠背管原結構圖及優(yōu)化后結構圖。對兩種方案分別進行仿真分析，綜合應力、應變以及位移情況選取最優(yōu)方案。

圖7 優(yōu)化前后靠背管結構橫截面對比圖Fig.7 Cross-Section of Back Tube Structure Before and After Optimization

圖8 優(yōu)化前后靠背管結構圖Fig.8 Backtube Structure Diagram Before and After Optimization

4.2 優(yōu)化結果

經過上述改進后，重新對行李箱沖擊后排座椅過程進行仿真分析。優(yōu)化前后行李箱沖擊后排座椅試驗過程中座椅頭枕及靠背與評判面之間的距離、最大應力、應變以及靠背管質量，如表1所示。由表1 可知，經方案1 及方案2 優(yōu)化后座椅頭枕及靠背沒有超過對應的評判面，均滿足法規(guī)要求。通過對兩種方案仿真分析的數(shù)據(jù)可知方案2 中靠背管的最大應力、應變值較優(yōu)化前明顯減小，沒有超出Q235 材料的抗拉強度極限375MPa。相比于方案2，方案1 更好地提升了模型的整體性能，但沒有提高靠背管的強度，質量也較大，所以選定方案2 為最優(yōu)。

表1 優(yōu)化前后結果對比Tab.1 Comparison of Results Before and After Optimization

5 結論

運用HyperMesh 和Ls-dyna 等有限元軟件，在對某汽車后排座椅進行動態(tài)特性仿真分析結果不滿足法規(guī)要求的情況下，以座椅結構變動較小并盡可能節(jié)約成本為前提，提出了有效的優(yōu)化方案。兩種方案的安全性分析結果驗證了該方案的正確性和可行性，經對比分析選定方案2 為最優(yōu)方案。將方案2 中優(yōu)化結果與原結構進行對比分析，得到如下結論：

（1）優(yōu)化后結構座椅頭枕及靠背與評判面之間的距離明顯降低，較優(yōu)化前結構分別減少了42.28mm 和32.20mm，所得優(yōu)化結果滿足法規(guī)要求。

（2）在碰撞過程中座椅變形較為嚴重的靠背管C 的應力、應變最大值分別減少了77.6MPa、4.48%，該優(yōu)化方案有效提高了靠背管的抗沖擊能力。