專(zhuān)用小學(xué)生校車(chē)座椅的CAE仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

馬瑞雪，王 欣，覃禎員，李 弢，毛星子

（重慶車(chē)輛檢測(cè)研究院 國(guó)家客車(chē)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，重慶 401122）

校車(chē)座椅標(biāo)準(zhǔn)[1]發(fā)布實(shí)施后，由于該標(biāo)準(zhǔn)與現(xiàn)有的座椅標(biāo)準(zhǔn)有較大的差異性，沒(méi)有引起多數(shù)座椅企業(yè)的重視，導(dǎo)致很多試驗(yàn)樣品不能滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。某款校車(chē)座椅初次試驗(yàn)不合格，企業(yè)自己進(jìn)行多次直觀改進(jìn)，再多次試驗(yàn)都未通過(guò)該標(biāo)準(zhǔn)要求。后經(jīng)重慶車(chē)輛檢測(cè)研究院為其進(jìn)行仿真分析，有針對(duì)性地進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)后試驗(yàn)才合格。基于此，本文采用有限元仿真分析方法建立該校車(chē)座椅有限元模型，并結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證該模型的有效性和可靠性；通過(guò)CAE仿真模擬座椅試驗(yàn)全過(guò)程，根據(jù)CAE仿真分析結(jié)果提出校車(chē)座椅結(jié)構(gòu)改進(jìn)的可行性方案。

1 有限元模型的建立

1.1 三維模型的建立及有限元網(wǎng)格化

根據(jù)某校車(chē)座椅廠家的座椅實(shí)物模型和二維圖紙利用CATIA軟件建立三維幾何模型。分別建立了坐墊泡沫、靠背泡沫、座椅骨架、支撐架的三維模型，然后根據(jù)安裝螺栓孔進(jìn)行三維裝配。為了減少不必要的計(jì)算量，在實(shí)際建模時(shí)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，除去一些對(duì)結(jié)果影響不大的倒角和凸臺(tái)。

將建立好的三維模型轉(zhuǎn)化為IGES格式輸出后導(dǎo)入ANSA軟件中，對(duì)模型進(jìn)行幾何清理及網(wǎng)格劃分。座椅骨架和支撐架采用四邊形網(wǎng)格，座椅泡沫采用六面體網(wǎng)格；體單元采用的是SOLID95，殼單元采 用 的 是 SHELL181。SHELL181是厚殼單元，包含彎曲、薄膜和剪切效應(yīng)[2]。建立的校車(chē)座椅網(wǎng)格有限元模型如圖1所示。

1.2 邊界條件的設(shè)置

在仿真分析中，為防止座椅骨架與泡沫之間相互穿透或者部件產(chǎn)生大變形時(shí)自身產(chǎn)生穿透，需要對(duì)可能接觸部件表面之間的接觸類(lèi)型以及接觸相關(guān)的一些參數(shù)進(jìn)行定義。座椅與泡沫部件之間采用自動(dòng)單面接觸(*Contact_Automatic_Single_Surface)，座椅支撐架與地面的接觸采用自動(dòng)面-面接觸（*Contact_Automatic_Surface_To_Surface）。邊界條件根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求及座椅試驗(yàn)情況定義。采用國(guó)內(nèi)外廣泛采用的有限元后處理軟件LS-DYNA仿真座椅前傾和后傾試驗(yàn)過(guò)程。

1）座椅前傾性能試驗(yàn)的模擬。根據(jù)文獻(xiàn)[1]的要求對(duì)座椅靠背后部施力，位置從座椅后部向前，施力高度在被測(cè)座椅的后面座椅R點(diǎn)上下102 mm之間的任意水平面內(nèi)。通過(guò)下模板在5～30 s內(nèi)施加3114 N的力。達(dá)到規(guī)定力后，在1 s內(nèi)立即降到1557 N，將下模板保持在此位置，同時(shí)放置上模板。上模板位置為從座椅后部向前，高度在被測(cè)座椅的后面座椅R點(diǎn)以上406 mm的水平面內(nèi)，對(duì)上模板設(shè)置一個(gè)位移為356 mm的邊界條件[1,3]。并根據(jù)文獻(xiàn)[1]中的力-位移曲線區(qū)間判定計(jì)算結(jié)果。仿真模型如圖2所示。

2）座椅后傾性能試驗(yàn)的模擬。根據(jù)文獻(xiàn)[1]的要求對(duì)座椅靠背后部施力，位置從座椅前部向后，施力高度在被測(cè)座椅的后面座椅R點(diǎn)以上343 mm之間的任意水平面內(nèi)。對(duì)模板設(shè)置一個(gè)位移為356 mm的邊界條件[1，3]，并根據(jù)文獻(xiàn)[1]中的力-位移曲線區(qū)間判定計(jì)算結(jié)果。仿真模型如圖3所示。

2 仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

原校車(chē)座椅在重慶車(chē)輛檢測(cè)研究院國(guó)家客車(chē)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心進(jìn)行過(guò)試驗(yàn)。圖4為校車(chē)座椅的某次前傾試驗(yàn)結(jié)果；圖6為該校車(chē)座椅的后傾試驗(yàn)結(jié)果。因此，可通過(guò)將仿真結(jié)果的變形情況、力-位移曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，從而驗(yàn)證仿真分析的可靠性和有效性。

2.1 變形結(jié)果對(duì)比

圖5為該座椅某次前傾試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的仿真分析最大變形圖，靠背與坐墊的夾角為34°；圖5中試驗(yàn)結(jié)果為最大變形狀態(tài)下靠背與坐墊的夾角為37°。圖7為該座椅某次后傾試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的仿真分析最大變形圖，靠背與坐墊的夾角為118.5°；圖7中試驗(yàn)結(jié)果為最大變形狀態(tài)下靠背與坐墊的夾角為122°。仿真分析與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。座椅變形比較大，靠背和坐墊的連接部件發(fā)生極大的扭曲變形，導(dǎo)致座椅失效。

2.2 力-位移響應(yīng)曲線對(duì)比

根據(jù)文獻(xiàn)[1]要求的力-位移曲線區(qū)間判定分析結(jié)果。力-位移曲線能夠綜合地反映座椅在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中受到不同階段力的變化過(guò)程，也可通過(guò)力-位移曲線看到座椅在施力過(guò)程中座椅骨架結(jié)構(gòu)變化以及變形的影響因素。因此，仿真分析中采用力-位移曲線響應(yīng)作為判定座椅是否合格的依據(jù)，并根據(jù)試驗(yàn)與仿真結(jié)果的力-位移響應(yīng)曲線的吻合程度來(lái)驗(yàn)證仿真分析的有效性和可靠性。

通過(guò)圖8可以看到，該座椅在某次前傾試驗(yàn)和仿真分析中，第二個(gè)模塊對(duì)座椅靠背施加力之后，座椅向前移動(dòng)105 mm時(shí)，曲線超出了邊界線；在第二個(gè)模塊向前移動(dòng)200 mm時(shí)，曲線急劇下降，座椅發(fā)生失效。仿真曲線和試驗(yàn)曲線的變化趨勢(shì)基本吻合，其最大峰值誤差僅為8.7%。圖9為該座椅某次后傾試驗(yàn)和仿真分析的力-位移曲線。通過(guò)曲線可以看出，在座椅靠背向前運(yùn)動(dòng)110 mm時(shí)，曲線超出了邊界線。仿真分析，曲線在同一處超出邊界線，在第二個(gè)模板向前250 mm時(shí)座椅發(fā)生失效。試驗(yàn)與仿真曲線基本吻合。表明所建立的有限元仿真模型能夠反映座椅在試驗(yàn)過(guò)程中的響應(yīng)。

2.3 座椅的安全性評(píng)價(jià)

根據(jù)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力仿真計(jì)算的分布云圖，如圖10可知，該座椅的“前傾試驗(yàn)”與“后傾試驗(yàn)”的最大應(yīng)力分別為417 MPa和407 MPa，而且最大應(yīng)力位置均集中在靠背與坐墊骨架的連接部件上和座椅固定件與地板的連接處，與試驗(yàn)情況相符合。靠背與坐墊的連接部件與座椅固定件均采用的是Q235材料，其屈服極限為235 MPa。該座椅的“前傾試驗(yàn)”和“后傾試驗(yàn)”最大應(yīng)力均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了其屈服極限，座椅發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形[4-6]，從而失效。分析結(jié)果與2.2相吻合。

2.4 改進(jìn)設(shè)計(jì)

本次改進(jìn)方案的目的是通過(guò)CAE分析，有針對(duì)性地增強(qiáng)座椅強(qiáng)度，同時(shí)盡可能不帶來(lái)大的成本增加；盡可能確保結(jié)構(gòu)材料和結(jié)構(gòu)形式變化不大，而且還要具有良好的工藝性[7-10]。因此，本次改進(jìn)從兩方面著手：對(duì)分析過(guò)程中應(yīng)力偏大的位置進(jìn)行加厚；對(duì)局部高應(yīng)力區(qū)域修改結(jié)構(gòu)[11]。

結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)后的前傾、后傾仿真分析的力-位移曲線如圖11和12所示。依據(jù)文獻(xiàn)[1]，改進(jìn)設(shè)計(jì)后的座椅前傾、后傾性能均在要求邊界線之內(nèi)，而且曲線并沒(méi)有急劇下降的趨勢(shì)，吸收能量均大于904 J，這表明座椅未發(fā)生失效，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。對(duì)應(yīng)改進(jìn)設(shè)計(jì)的座椅實(shí)物的試驗(yàn)結(jié)果與其仿真分析結(jié)果一致，最終順利通過(guò)了文獻(xiàn)[1]要求的試驗(yàn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

采用仿真分析方法對(duì)座椅進(jìn)行文獻(xiàn)[1]要求的模擬試驗(yàn)，其有效性和可靠性通過(guò)某校車(chē)座椅的試驗(yàn)得到了驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上對(duì)校車(chē)座椅的結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并提出改進(jìn)措施。改進(jìn)后的校車(chē)座椅結(jié)構(gòu)安全性得到了改善，通過(guò)了文獻(xiàn)[1]的要求。這表明采用CAE仿真分析和改進(jìn)設(shè)計(jì)是很有效的，可以降低開(kāi)發(fā)成本和縮短開(kāi)發(fā)周期，提高試驗(yàn)通過(guò)率。

[1]GB 24406-2009，專(zhuān)用小學(xué)生校車(chē)座椅及其車(chē)輛固定件的強(qiáng)度[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[2]王宏雁，張丹.汽車(chē)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，(7)

[3]GB 24407-2009，專(zhuān)用小學(xué)生校車(chē)安全技術(shù)條件[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

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[5]張君媛，黃炫，田迪斯，等.汽車(chē)正撞時(shí)后排座椅安全性的CAE分析與改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].汽車(chē)工程，2011，(9)

[6]任杰，張俊輝，謝留宏.兒童安全座椅使用若干問(wèn)題探討[J].公路與汽運(yùn)，2011，（2）

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[9]謝友志.汽車(chē)安全座椅改進(jìn)設(shè)計(jì) [J].湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，(2)

[10]燕峰，李世國(guó).汽車(chē)座椅的設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J].鞍山科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，(5)

[11]陳家瑞.汽車(chē)構(gòu)造[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2000.