汽車座椅強度仿真分析及優化

宋廣晶，李翠萍，朱莉，牟雪雷，劉加林，王志奇

（長城汽車股份有限公司技術中心，河北省汽車工程技術研究中心，河北保定071000）

汽車座椅強度仿真分析及優化

宋廣晶，李翠萍，朱莉，牟雪雷，劉加林，王志奇

（長城汽車股份有限公司技術中心，河北省汽車工程技術研究中心，河北保定071000）

基于Hypermesh軟件建立座椅強度仿真分析的有限元模型，并利用LS-DYNA進行顯示求解計算，通過Hyperview后處理提取分析結果，得到了整個分析過程中座椅的變形過程及應力分布情況，并對模擬結果進行了優化，同時對優化結果進行了計算驗證。

汽車座椅；強度；仿真分析；優化

0 引言

隨著汽車保有量的日益增加，人們對汽車安全性能的要求越來越高。汽車安全性能分為主動安全性和被動安全性，被動安全性在汽車工業中更是發展迅速的領域，其中汽車座椅強度是汽車被動安全的一個重要指標。

GB 15083-2006標準中要求［1］：當座椅處于制造廠所規定的正常使用位置時，構成行李艙的座椅靠背或頭枕應具有足夠的強度以保護乘員不因行李的前移而受到傷害。試驗的過程中及試驗后，如果座椅及其鎖止裝置仍保持在原位置，則認為滿足此要求。

在試驗期間，允許座椅靠背及其緊固件變形，但是被測座椅靠背向前方移動的距離不能超過座椅的R點前方100mm處的一橫向垂面，被測座椅頭枕向前方移動的距離不能超過座椅的R點前方150mm處的一橫向垂面。

1 模型搭建

利用Hypermesh中MidSurface（提取中面）功能，抽取中面［2］，建立有限元模型，搭建被測汽車座椅骨架模型和地板模型，在不影響正常分析結果的前提下適當簡化了運算模型，見圖1。

其中座椅骨架采用殼單元進行網格劃分，采用單元長度基準為10mm、最小單元長度不小于5mm、最大單元長度不大于13mm的規則來劃分網格。各鈑金件之間的焊點和螺栓用剛性連接模擬。建立的有限元模型共有節點28640個，殼單元23477個，體單元7718個，剛性連接694個。

利用ANSA軟件LS-DYNA模塊對圖1所示模型進行邊界條件的加載及其屬性 （材料參數和厚度）定義，其中座椅骨架所用材料及厚度、直徑見表1。模型的加載過程按照標準GB 15083-2006《汽車座椅、座椅固定裝置及頭枕強度要求和試驗方法》4.15.1中的要求進行，發生碰撞前，行李箱模塊以50km／h的初速度做減速運動，減速度為20g。

表1 座椅骨架材料

2 仿真分析

經LS-DYNA求解計算［3］，通過Hyperview后處理提取分析結果，后排座椅的運動趨勢如圖2所示。其中圖（a）～（d）表示0～0.12s后排座椅的運動趨勢，從圖（d）中可知：靠背骨架及頭枕靠背骨架均超出標準平面，靠背骨架超出參考平面43mm（x方向垂直距離），頭枕骨架超出參考平面70mm（x方向垂直距離），不能滿足法規要求。

3 原因分析

圖3為行李箱模塊與座椅靠背發生碰撞后，模型的應力云圖［4］。可以看出：應力最大值為500MPa以上，主要集中在座椅調角器的支架位置，最大值為510.8MPa，其余部位的應力均處于400MPa以下。

圖4為行李箱模塊與座椅靠背發生碰撞后，模型的位移云圖。可以看出；最大位移發生在頭枕骨架，位移量為1321mm，且超出參考平面，不滿足法規要求，并且座椅靠背骨架中上部嚴重變形，位移量較大，影響了座椅乘坐安全性。

圖5為座椅的嚴重變形區域，可以看出：調角器支架、調角器主板都發生嚴重變形，是導致行李箱與座椅發生碰撞后座椅頭枕和骨架超過參考平面的主要原因。

造成座椅骨架損壞件較多的原因主要有：（1）座椅靠背骨架整體結構強度不夠、調角器支架材料強度及主板結構強度差，不足以提供行李箱在碰撞過程中的支撐力；（2）調角器強度差，降低了調角器主板和調角器支架的整體剛度。

4 優化與計算驗證

參考模擬結果，對座椅骨架進行優化，如圖6所示，主要措施有：（1）合理增強座椅靠背的強度，采用在座椅靠背骨架增加加強板方案；（2）合理增強調角器主板，采用增加加強筋的結構方案；（3）合理增強調角器支架，采用增加翻邊方案，還可采用材料屈服強度較大的材料。

對優化后的模型進行計算驗證，驗證結果如圖7所示，改進后頭枕桿及座椅骨架均未超出參考平面，靠背骨架距標準平面77mm（x方向垂直距離），頭枕骨架距參考平面98mm（x方向垂直距離），滿足法規要求。

5 結論

針對被測汽車座椅，利用Hypermesh、LS-DYNA、Hyperview有限元軟件，依據GB15083法規進行了座椅強度仿真分析，從中可以觀察整個碰撞過程中座椅系統各部件的形狀、應力等變化過程，從而方便設計人員對其結構及材料進行優化和改進。利用有限元分析的方法，在產品開發前避免重復設計，縮短了產品開發的周期，節約了成本。

【1】全國汽車標準化技術委員會.GB 15083-2006汽車座椅、座椅固定裝置及頭枕強度要求和試驗方法［S］.北京：中國標準出版社，2007.

【2】楊忠俊.HyperMesh在轎車車座椅動態分析中的應用［C］／／Altair 2011HyperWorks技術大會論文集，2011.

【3】韓峰，陳現嶺.座椅行李箱沖擊仿真分析［J］.汽車工程師，2012（11）：45－47.

【4】徐中明，郝煒雅，張志飛，等.汽車座椅強度及碰撞仿真分析［J］.重慶大學學報，2009（5）：513－515.

Simulation Analysis and Optimization for Automobile Seat Strength

SONG Guangjing，LICuiping，ZHU Li，MOU Xuelei，LIU Jialin，WANG Zhiqi
（Hebei Province Motor Engineering Technical Graduate Center，GreatWall Motor Company Limited Technical Center，Baoding Hebei071000，China）

A finite elementmodel of an automobile seat strength was established using Hypermesh，and calculation was done with LSDYNA.The distortion and stress distribution were displayed by Hyperview.Themodelwas optimized，while the optimization resultwas verified by calculations.

Automobile seat；Strength；Simulation analysis；Optimization

2013－10－08

宋廣晶（1985—），女，碩士研究生，研究方向為汽車CAE仿真。E-mail：songguangjing521＠163.com。