承受沖擊時(shí)汽車座椅結(jié)構(gòu)安全性研究

楊憶云

（上海同濟(jì)大學(xué)，上海 200000）

承受沖擊時(shí)汽車座椅結(jié)構(gòu)安全性研究

楊憶云

（上海同濟(jì)大學(xué)，上海 200000）

人們生活水平的提升使得對(duì)行車安全越來越重視。汽車在承受沖擊時(shí)座椅結(jié)構(gòu)安全性直接關(guān)系到人們的生命安全。動(dòng)態(tài)化試驗(yàn)研究積極構(gòu)建汽車座椅結(jié)構(gòu)安全模型。針對(duì)不同的座椅試驗(yàn)產(chǎn)生的失效問題進(jìn)行主要參數(shù)對(duì)比分析。汽車座椅結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計(jì)方案潛在的風(fēng)險(xiǎn)需要進(jìn)一步的得到確認(rèn)。

承受沖擊；汽車座椅；結(jié)構(gòu)安全性

0 引言

汽車數(shù)量隨著人們生活水平的提升不斷的增多，交通事故也呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。為了降低事故中汽車座椅承受的沖擊，減少人們的損傷，更好的保護(hù)人們的生命安全，需要對(duì)汽車座椅結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行全面的分析。利用仿真技術(shù)對(duì)座椅承受沖擊的強(qiáng)度進(jìn)行動(dòng)態(tài)化模型的構(gòu)建，評(píng)價(jià)試驗(yàn)效果，保證生產(chǎn)成本。本文對(duì)承受沖擊時(shí)汽車座椅結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行相應(yīng)的研究。

1 座椅結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度分析

1.1 座椅結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度仿真

靜強(qiáng)度直接的影響著汽車座椅結(jié)構(gòu)的安全性，在設(shè)計(jì)的過程中要特別的注意這一點(diǎn)。靜強(qiáng)度是汽車座椅在承載靜態(tài)壓力的時(shí)候?qū)τ诮Y(jié)構(gòu)安全性提出的基礎(chǔ)要求。構(gòu)建有限元模型是開展座椅結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度仿真的重要措施。通過靠背沿水平方向施加一定量的負(fù)荷，測(cè)試座椅靠背的質(zhì)量。利用模擬計(jì)算出施加的荷載壓力，根據(jù)承受沖擊的實(shí)際情況，在固定點(diǎn)中負(fù)荷壓力進(jìn)行加載，保證加載力區(qū)域中心進(jìn)行連接。要實(shí)現(xiàn)負(fù)荷力均勻性，同時(shí)能夠?qū)?jié)點(diǎn)保證一定的約束，降低節(jié)點(diǎn)的依賴程度。構(gòu)建有限元模型需要確定座椅各零部件數(shù)量，能夠?qū)ψ芜M(jìn)行整體結(jié)構(gòu)分析，確定零部件的強(qiáng)度。根據(jù)不同的程度的要求對(duì)零部件功能進(jìn)行劃分。座椅在承受沖擊的時(shí)候零部件強(qiáng)度對(duì)于安全性的發(fā)揮有著直接的影響。座椅在外部荷載力的作用下，會(huì)分析受力狀況，并且對(duì)外部荷載力進(jìn)行分配，在承受最大荷載力的時(shí)候，會(huì)表現(xiàn)出較為復(fù)雜不規(guī)律的變化。在這種結(jié)構(gòu)的影響下構(gòu)建有限元模型會(huì)對(duì)精度產(chǎn)生影響。有限元模型主要采用的是多邊形單元，尺寸和形狀的變化會(huì)隨著區(qū)域調(diào)整產(chǎn)生一定的差異效果。計(jì)算有限元模型需要構(gòu)建單元連接實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)與單元的無質(zhì)量剛性，將對(duì)應(yīng)的單元節(jié)點(diǎn)通過約束的方式進(jìn)行自由度的調(diào)整，模擬連接點(diǎn)的功能。座椅結(jié)構(gòu)安全性在靜態(tài)下更加符合標(biāo)準(zhǔn)，并且能夠通過最大應(yīng)力使局部應(yīng)力更加的集中，這對(duì)座椅結(jié)構(gòu)安全性影響較大。

1.2 仿真分析結(jié)果

根據(jù)構(gòu)建之后的有限元模型分析加載應(yīng)力分布情況，在承受荷載力分布對(duì)稱的情況下。座椅結(jié)構(gòu)安全性會(huì)在荷載力作用下產(chǎn)生較大的變化，應(yīng)力主要的集中在座椅的中上部，靠近頭部。這種情況下承受的沖擊將會(huì)使力直接的作用到頭部，對(duì)人體的危害程度較大。因此要將最大的沖擊力控制在200MPa以下，其他部分也應(yīng)該將承受力控制在350MPa以下。通過對(duì)座椅結(jié)構(gòu)安全性的分析將會(huì)得到強(qiáng)度，根據(jù)座椅與地板連接狀況，將座椅連接處施加一定的約束。按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，將仿真試驗(yàn)過程中的連接約束點(diǎn)通過不同的承受力進(jìn)行重力分析，在荷載力不同的情況下最大位移情況會(huì)根據(jù)承受沖擊力產(chǎn)生不同的變化，最大位移為6.2mm。座椅結(jié)構(gòu)安全性在最大應(yīng)力作用下產(chǎn)生的局部位移對(duì)于人們的身體產(chǎn)生的影響較大。對(duì)于在不改變座椅結(jié)構(gòu)下進(jìn)行的聯(lián)接優(yōu)化，需要將座椅空間進(jìn)行重新布置，通過有限元分析計(jì)算改善受力狀態(tài)，降低實(shí)際的承受沖擊力。

傳統(tǒng)座椅模型在實(shí)際試驗(yàn)過程中需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)的調(diào)整，這是進(jìn)行有限元模型試驗(yàn)的主要參考。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展，對(duì)于數(shù)值的分析越來越完善。有限元模型在構(gòu)建的時(shí)候會(huì)通過仿真分析軟件功能最大限度的降低生產(chǎn)成本。使汽車零部件生產(chǎn)持續(xù)的縮短。在汽車座椅開發(fā)的過程中需要廣泛的引入有限元模型，開展仿真技術(shù)的應(yīng)用。提升自身的研發(fā)能力。在開發(fā)的流程中將有限元模型融入到座椅結(jié)構(gòu)安全性的調(diào)整中，通過物理試驗(yàn)針對(duì)不同的有限元計(jì)算方式對(duì)不同的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，找出產(chǎn)品中潛在的模式。針對(duì)有限元模型存在的一定誤差，在物理試驗(yàn)的過程中要明確發(fā)生問題的主要原因。能夠利用有限元進(jìn)行分析，開展汽車座椅結(jié)構(gòu)優(yōu)化，改善產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，最終滿足人們的需求。

2 座椅結(jié)構(gòu)沖擊強(qiáng)度分析

2.1 建立碰撞模塊

在實(shí)際的沖擊過程中需要在汽車座椅中構(gòu)建以剛體為形式的模塊，慣性中心要與幾何中心相互重合。模塊之間的結(jié)構(gòu)是進(jìn)行有限元模擬沖擊計(jì)算的重點(diǎn)。在沖擊的過程中模塊之間的接觸會(huì)不斷的進(jìn)行變化，通過分析計(jì)算不同接觸面之間的關(guān)系，將座椅結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度通過剛性模塊進(jìn)行表達(dá)。在接觸式剛性模塊中需要對(duì)不同的模塊進(jìn)行定義。對(duì)同一個(gè)座椅結(jié)構(gòu)需要在不同沖擊下進(jìn)行試驗(yàn)，這樣才能夠獲取相對(duì)應(yīng)的碰撞模塊。模塊性能也會(huì)因?yàn)榄h(huán)境的不同產(chǎn)生一定的差異表現(xiàn)。通過試驗(yàn)?zāi)軌颢@取到汽車座椅是否符合試驗(yàn)要求。汽車座椅在試驗(yàn)過程中獲取的參數(shù)表達(dá)會(huì)隨著函數(shù)曲線的變化對(duì)汽車制動(dòng)減少產(chǎn)生影響。根據(jù)函數(shù)曲線的上界進(jìn)行積分，當(dāng)最大承載力達(dá)到81.2km/h的時(shí)候，汽車制動(dòng)減速度會(huì)在函數(shù)的下界進(jìn)行積分。汽車不同的初始速度產(chǎn)生的撞擊計(jì)算的有限元會(huì)呈現(xiàn)曲線發(fā)展。汽車座椅產(chǎn)生的沖擊在速度發(fā)生改變的時(shí)候性能表現(xiàn)會(huì)具有差異性。在進(jìn)行座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候需要參考其他產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，在應(yīng)用基礎(chǔ)之上進(jìn)行設(shè)計(jì)的改進(jìn)，不斷的豐富功能裝配，滿足生產(chǎn)成本的需求。在汽車座椅設(shè)計(jì)初期要對(duì)使用情況進(jìn)行必要的了解，這樣能夠降低生產(chǎn)缺陷。在汽車座椅沒有受到約束的前提下不能夠進(jìn)行使用，并且受到的沖擊將會(huì)徹底改變汽車座椅形狀，嚴(yán)重的危害到人們的生命安全。

2.2 座椅結(jié)構(gòu)有限元模型

座椅結(jié)構(gòu)有限元模型會(huì)呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)的變化特點(diǎn)，根據(jù)不同剛度下的座椅結(jié)構(gòu)進(jìn)行的仿真分析。在加速度曲線上升的時(shí)候有限元模型峰值會(huì)逐漸的增大，同時(shí)嚴(yán)重的威脅到人們的生命安全。當(dāng)汽車座椅結(jié)構(gòu)的崗地降低，加速度曲線峰值下降的時(shí)候，人們頭部承受的沖擊也會(huì)隨之降低，能夠保證人們的生命安全。座椅的特殊材質(zhì)在保護(hù)人們生命安全的同時(shí)也發(fā)揮著作用。座椅在外部荷載力的作用下，會(huì)分析受力狀況，并且對(duì)外部荷載力進(jìn)行分配，在承受最大荷載力的時(shí)候，會(huì)表現(xiàn)出較為復(fù)雜不規(guī)律的變化。在這種結(jié)構(gòu)的影響下構(gòu)建有限元模型會(huì)對(duì)精度產(chǎn)生影響。有限元模型主要采用的是多邊形單元，尺寸和形狀的變化會(huì)隨著區(qū)域調(diào)整產(chǎn)生一定的差異效果。在汽車座椅開發(fā)的過程中需要廣泛的引入有限元模型，開展仿真技術(shù)的應(yīng)用。提升自身的研發(fā)能力。在開發(fā)的流程中將有限元模型融入到座椅結(jié)構(gòu)安全性的調(diào)整中，通過物理試驗(yàn)針對(duì)不同的有限元計(jì)算方式對(duì)不同的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，找出產(chǎn)品中潛在的模式。針對(duì)汽車座椅有限元模型構(gòu)建的安全性仿真試驗(yàn)，需要保證靜強(qiáng)度分析，通過對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際情況能夠獲取到主要的汽車座椅有限元模型結(jié)構(gòu)安全參數(shù)。

3 結(jié)構(gòu)安全性試驗(yàn)驗(yàn)證

汽車座椅裝置壓桿穩(wěn)定性要保證結(jié)構(gòu)簡單，能夠及時(shí)的對(duì)汽車座椅進(jìn)行調(diào)整。建立完善的校正模型，根據(jù)汽車座椅標(biāo)識(shí)進(jìn)行三維空間測(cè)量。利用旋轉(zhuǎn)矩陣實(shí)現(xiàn)座椅參數(shù)構(gòu)建約束關(guān)系，同時(shí)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)優(yōu)化計(jì)算方式，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的最優(yōu)解。建立有限元模型，運(yùn)行最優(yōu)求解方式獲取到座椅的測(cè)量空間，進(jìn)一步的驗(yàn)證空間三維坐標(biāo)。模型的正確性將會(huì)使做起的標(biāo)識(shí)更加的明確，中心坐標(biāo)提取法會(huì)使汽車座椅實(shí)用性進(jìn)一步的確認(rèn)。快速的識(shí)別圖像背景，在汽車座椅標(biāo)識(shí)基礎(chǔ)上二值化圖像，設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)學(xué)形態(tài)，降低干擾同時(shí)開展圖像處理工作。在中心基點(diǎn)上進(jìn)行像素定位，準(zhǔn)確的獲取到汽車座椅的標(biāo)識(shí)，在中心圖像中進(jìn)行圖像測(cè)量，完成系統(tǒng)軟件的優(yōu)化。利用回放進(jìn)行視頻文件的格式轉(zhuǎn)換，處理圖像模塊。在圖像測(cè)量模塊的主程序中對(duì)汽車座椅的承受沖擊進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求調(diào)整參數(shù)。同一制動(dòng)距離下對(duì)汽車座椅承受沖擊情況進(jìn)行衡量，保證制動(dòng)性能主要參數(shù)，并且在車輛行駛的過程中在完成靜止?fàn)顟B(tài)下路程會(huì)隨著汽車的完全停下計(jì)算所用的時(shí)間，制動(dòng)減速能夠反映制動(dòng)力的大小，同時(shí)根據(jù)制動(dòng)力的實(shí)際狀況對(duì)汽車座椅的效能避免溫度的提升。在恒定狀態(tài)下的制動(dòng)效能主要反映了汽車座椅的抗熱衰性。

4 結(jié)構(gòu)安全性影響因素

汽車座椅結(jié)構(gòu)在承受沖擊的時(shí)候安全性不產(chǎn)生不同的表現(xiàn)，這種表現(xiàn)影響因素較多。在汽車受到碰撞產(chǎn)生變形的時(shí)候，根據(jù)擠壓程度，汽車座椅的安全區(qū)變形越小越好，遮掩更能夠使緩沖的總體剛度持續(xù)增大更好地保護(hù)人們的安全。同時(shí)緩沖區(qū)域剛性與沖擊力產(chǎn)生的矛盾關(guān)系將會(huì)發(fā)揮汽車座椅的功能。汽車主動(dòng)安全裝置能夠降低交通事故發(fā)生的可能性，使汽車在承受沖擊的時(shí)候座椅能夠及時(shí)的反映并發(fā)揮作用。汽車的安全主要依靠主體性能結(jié)構(gòu)進(jìn)行保障。汽車在承受碰撞的時(shí)候產(chǎn)生的力將會(huì)作用到人們的身上。這時(shí)候要通過汽車座椅將人身上的承受的力轉(zhuǎn)移到其他的地方。汽車座椅中的棉性物質(zhì)會(huì)將一定的承受力吸收掉。同時(shí)影響汽車結(jié)構(gòu)安全其他的因素還有前后保險(xiǎn)杠無非是兩個(gè)車身外觀件，首先是美觀，其次就是保障行人安全和自我外觀保護(hù)。比如，如果車的前后碰到行人，低強(qiáng)度的碰撞下，保險(xiǎn)杠會(huì)有個(gè)自然的回彈，盡量降低對(duì)行人的傷害，如果是碰到一般的障礙物，自然回彈一下，保證保險(xiǎn)杠不至子一下子變形破損。試想，如果保險(xiǎn)杠里面不是兩塊泡沫，而是兩塊剛性非常好的支撐，碰撞的時(shí)候硬碰硬。

5 結(jié)束語

汽車承受沖擊時(shí)座椅結(jié)構(gòu)安全性分析主要根據(jù)動(dòng)態(tài)特點(diǎn)構(gòu)建仿真模型。座椅動(dòng)態(tài)特點(diǎn)分析之后在剛度一定的情況下，座椅材料變硬，這時(shí)候的加速度曲線峰值會(huì)逐漸的增大，不利于人們的乘車安全。利用模擬計(jì)算出施加的荷載壓力，根據(jù)承受沖擊的實(shí)際情況，在固定點(diǎn)中負(fù)荷壓力進(jìn)行加載，保證加載力區(qū)域中心進(jìn)行連接。針對(duì)這種情況，對(duì)于汽車座椅結(jié)構(gòu)安全要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，具體計(jì)算性能影響會(huì)通過不同的幾何參數(shù)變化進(jìn)行表達(dá)，通過計(jì)算分析設(shè)計(jì)值。在優(yōu)化數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上強(qiáng)化性能增加理論實(shí)踐分析，使汽車座椅承受到?jīng)_擊之后能夠更加的保證人們的安全。

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