基于行李移動(dòng)乘客防護(hù)的某車型座椅靠背車身安裝點(diǎn)優(yōu)化

杜書權(quán) 劉燁 張恒

【摘 要】基于國(guó)標(biāo)《汽車座椅、座椅固定裝置及頭枕強(qiáng)度要求和試驗(yàn)方式》（GB 15083—2006）中關(guān)于“乘客不因行李移動(dòng)沖擊而受到傷害”的規(guī)定，在某車型首次試驗(yàn)座椅靠背安裝點(diǎn)失效的背景下，采用LS-DYNA顯式求解方法，在白車身中對(duì)失效部位進(jìn)行分析并提出改進(jìn)方案，優(yōu)化方案的試驗(yàn)結(jié)果滿足法規(guī)要求，證明了方案和分析方法的合理性。

【關(guān)鍵詞】行李移動(dòng)沖擊；座椅靠背安裝點(diǎn)；LS-DYNA

【中圖分類號(hào)】U463.836 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2016）11-0027-04

0 前言

安全作為汽車設(shè)計(jì)中最重要的設(shè)計(jì)點(diǎn)，必須滿足所有法規(guī)項(xiàng)的要求。汽車座椅作為乘員的直接承載體對(duì)乘員的安全性保護(hù)有非常重要的作用，是汽車被動(dòng)安全的重要部分。座椅與車身的連接必須保證可靠不失效，特別對(duì)后排乘客，如果行李沖擊導(dǎo)致座椅或座椅靠背固定點(diǎn)失效，使乘員失去固定的支撐，將會(huì)對(duì)乘員造成嚴(yán)重傷害。重慶車輛檢測(cè)研究院國(guó)家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心汽車碰撞實(shí)驗(yàn)室的統(tǒng)計(jì)顯示，座椅安裝點(diǎn)失效在座椅移動(dòng)行李沖擊試驗(yàn)中所占失效比例最大，而且危害最大，靠背鎖失效次之，因此要極力避免以上2種失效[3-4]。作為本文分析對(duì)象的后排座椅，從產(chǎn)品定位和成本出發(fā)，采用3連體、頭枕不可調(diào)、靠背不可折疊的無(wú)骨架結(jié)構(gòu)，當(dāng)緊急制動(dòng)時(shí)，來(lái)自移動(dòng)行李慣性的沖擊先由座椅靠背后的撐桿直接承受，如果座椅安裝點(diǎn)失效，將會(huì)對(duì)乘客的安全構(gòu)成威脅。本文結(jié)合某車型的開發(fā)過(guò)程，結(jié)合首次移動(dòng)行李對(duì)后排座椅撞擊試驗(yàn)的失效形式，在仿真分析的基礎(chǔ)上，優(yōu)化座椅靠背安裝點(diǎn)的車身結(jié)構(gòu)。

1 試驗(yàn)方法[1]

依據(jù)《汽車座椅、座椅固定裝置及頭枕強(qiáng)度要求和試驗(yàn)方式》（GB 15083—2006）中行李位移乘客防護(hù)裝置的試驗(yàn)方法，通過(guò)試驗(yàn)樣塊移動(dòng)沖擊座椅靠背，試驗(yàn)過(guò)程要符合如下規(guī)定。試驗(yàn)樣塊為質(zhì)量18 kg慣性中心與幾何中心重合的剛性體，外觀尺寸為300 mm×300 mm×300 mm。兩樣塊平行放置在行李艙底部，與車輛縱向中心對(duì)稱分布，相距50 mm；與前端座椅接觸點(diǎn)保持200 mm的水平距離，在空間不允許的情況下盡量將樣塊向車后放置（如圖1所示）。

試驗(yàn)中保持座椅安裝點(diǎn)的設(shè)計(jì)狀態(tài)，將車身牢固地固定在試驗(yàn)臺(tái)上，按照?qǐng)D2中的波形對(duì)乘員車體進(jìn)行減速。減速前，乘員車體的自由速度應(yīng)為50■■ km。

結(jié)果判定：整個(gè)試驗(yàn)前后，座椅及其鎖止裝置仍保持在原來(lái)的位置，座椅頭枕不超出座椅R點(diǎn)前方150 mm、座椅靠背部分不超出座椅R點(diǎn)前方100 mm的垂直平面（如圖1所示）。

2 某車型試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

將符合設(shè)計(jì)狀態(tài)并包含座椅總成的車身，分別在前后懸安裝點(diǎn)附近、側(cè)圍裙邊等處固定在臺(tái)車上（以上固定點(diǎn)均不會(huì)對(duì)座椅靠背撐桿安裝點(diǎn)有加強(qiáng)作用），置于試驗(yàn)軌道，并完成座椅R點(diǎn)前方100 mm和150 mm平面的標(biāo)示（如圖3所示）。

按照試驗(yàn)規(guī)范要求，放置好指定規(guī)格的試驗(yàn)樣塊（如圖4所示），檢查無(wú)誤后開始試驗(yàn)。

圖5為焊接螺母處鈑金撕裂情況，按照法規(guī)GB 15083—2006中“4.15.4”的規(guī)定，雖然座椅靠背前輪廓沒有超出規(guī)定平面，但是座椅靠背安裝點(diǎn)脫出導(dǎo)致座椅未保持在原位置，因此認(rèn)為不滿足試驗(yàn)要求。

3 有限元模型建立

有限元分析方法作為快速和低成本的有效分析方式，廣泛地應(yīng)用在實(shí)車驗(yàn)證前的各階段的分析中。本文的主要驗(yàn)證對(duì)象為包含靠背撐桿的白車身后部，利用HYPERMESH進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并賦予不同零件材料屬性和邊界約束后，按照要求即可用求解器進(jìn)行求解。

特別對(duì)焊點(diǎn)及螺栓安裝點(diǎn)區(qū)域的邊界和屬性做如下說(shuō)明：由于不同材料和厚度的板材在焊接時(shí)的焊點(diǎn)抗剝離撕裂的強(qiáng)度值有很大差別，目前還沒有完整的一一對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值結(jié)果，且焊點(diǎn)易受到制造因素的影響，造成焊點(diǎn)大小、焊點(diǎn)位置等在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)變化，因此結(jié)合局部結(jié)構(gòu)可能的失效形式，直接使用剛性焊點(diǎn)連接，不設(shè)置焊點(diǎn)失效剝離的安全值，只要求讀取出焊點(diǎn)的抗軸向剝離應(yīng)力值，并控制在允許的范圍內(nèi)[5-6]。焊接螺母和螺栓的組合也直接以Beam單元模擬，設(shè)置為剛性連接。

賦予整體模型50 km/h的初速度后，按照?qǐng)D6中的曲線進(jìn)行減速。求解時(shí)根據(jù)顯式/隱式分析方法的優(yōu)缺點(diǎn)和沖擊的非線性過(guò)程，使用基于LS-DYNA的顯式積分方法進(jìn)行快速收斂的求解。

4 仿真結(jié)果分析

分析結(jié)果的準(zhǔn)確性對(duì)數(shù)據(jù)虛擬判定有決定性的影響。針對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析，為保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，快速加載后的動(dòng)能與內(nèi)能之比應(yīng)盡量小，一般控制在2%以內(nèi)[7]。求解完成后，左側(cè)沖擊塊能量由1 706 J變?yōu)?9 J，動(dòng)能與內(nèi)能比值為2.3%；右側(cè)沖擊塊能量由1 706 J變?yōu)?2 J，動(dòng)能與內(nèi)能比值為2.5%，說(shuō)明仿真分析的結(jié)果基本正確。

應(yīng)力和應(yīng)變都是判定安裝點(diǎn)強(qiáng)度是否滿足要求的指標(biāo)。但是根據(jù)參考文獻(xiàn)可知，在動(dòng)態(tài)沖擊的試驗(yàn)中，一般認(rèn)為把應(yīng)力作為參考標(biāo)準(zhǔn)會(huì)低估動(dòng)態(tài)沖擊造成的突然斷裂，因此讀取安裝點(diǎn)周圍的塑性變形來(lái)判斷是否滿足更加合理[7]。原方案安裝螺母板局部塑性應(yīng)變和位移見表1。

安裝螺母板的最大有效塑性應(yīng)變?yōu)?.5%，雖然低于材料斷后延伸率28%（B280VK，厚度為1.2 mm），但是高于公司設(shè)定的控制目標(biāo)值，有失效風(fēng)險(xiǎn)。

5 安裝點(diǎn)結(jié)構(gòu)分析

圖7為座椅靠背撐桿安裝狀態(tài)，整車中左右2個(gè)20#鋼的靠背撐桿各有上下2個(gè)安裝點(diǎn)，分別是上端壓平后與衣帽板連接、下端增加安裝板與后部下車體連接，連接螺栓均為M8。

兩側(cè)的座椅安裝點(diǎn)失效形式均是下端螺母脫出，上端安裝結(jié)構(gòu)完好。分析后認(rèn)為失效原因如下。

（1）試驗(yàn)樣塊撞擊位置偏上，沖擊力和慣性沿?fù)螚U的軸向和法向分解后，軸向力使上端的安裝點(diǎn)承受剪切力，下端的安裝點(diǎn)受拉拔力，同樣力的大小下，拉拔力更容易引起失效；而沿?fù)螚U法向的力，由于下端力矩較大，下端的安裝點(diǎn)承受的扭矩大約是上端的2倍，所以下端安裝點(diǎn)是薄弱點(diǎn)。

（2）安裝點(diǎn)的焊接螺母處共有3層鈑金搭接，總厚度達(dá)到了3.3 mm（分別為圖8中的零件3、4和5）。從工藝考慮，設(shè)計(jì)初為了避免備胎艙加強(qiáng)板和后座椅下板的4層焊，在備胎艙加強(qiáng)板與后座椅下板的搭接重合區(qū)域分別做了不合理的鋸齒形避讓缺口。導(dǎo)致在安裝點(diǎn)正前方備胎艙加強(qiáng)板伸出長(zhǎng)度過(guò)短，同時(shí)在安裝點(diǎn)左右兩側(cè)只能形成1個(gè)有效的2層焊點(diǎn)，從而大大減弱了加強(qiáng)作用（如圖8和圖9所示）。

（3）鈑金的過(guò)孔設(shè)計(jì)也不合理。通常多層鈑金搭接時(shí)，默認(rèn)逐層孔徑增大2 mm，而原設(shè)計(jì)中為了使生產(chǎn)時(shí)擋孔率更低，在零件5孔徑為φ9 mm的情況下，零件4的過(guò)孔卻為φ13 mm，尺寸偏大，導(dǎo)致四角方螺母僅與零件5貼合，多層板的疊加并沒有提升螺母與鈑金貼合面處的局部剛度（如圖8所示）。

綜合以上3點(diǎn)，試驗(yàn)樣塊使靠背安裝點(diǎn)處受到較大沖擊時(shí)，焊接螺母處鈑金撕裂造成試驗(yàn)失敗。

6 優(yōu)化方案

結(jié)合CAE仿真變形和以上的失效原因分析，主要從更改座椅撐桿安裝板彎曲方向、增加安裝點(diǎn)、增加板厚、優(yōu)化鈑金搭接等方向提供方案，但是由于項(xiàng)目處于樣車驗(yàn)證基本結(jié)束的階段，關(guān)聯(lián)到座椅、車身、行李艙布置的大范圍優(yōu)化更改無(wú)法實(shí)現(xiàn)，撐桿的結(jié)構(gòu)已經(jīng)定型，改進(jìn)的重點(diǎn)在提升安裝點(diǎn)區(qū)域的局部剛度。在兼顧項(xiàng)目時(shí)間和整車成本的前提下，本文最終選擇如下方案進(jìn)行再次驗(yàn)證。

圖10和圖11為對(duì)照原方案圖8和圖9的優(yōu)化方案示意圖。在優(yōu)化方案中零件1、2和3保持不動(dòng)；左/右安裝點(diǎn)底部各新增厚度為1.5 mm的螺母板7（材料B280VK）；零件4（備胎艙加強(qiáng)板）和6（后座椅下板）同時(shí)優(yōu)化搭接缺口位置，使備胎艙加強(qiáng)板延伸到新增螺母板左/右側(cè)焊點(diǎn)外部，滿足焊點(diǎn)需求；對(duì)應(yīng)零件4的切口進(jìn)行更改，修改零件5的翻邊；優(yōu)化零件4的安裝點(diǎn)過(guò)孔大小為11 mm，為焊接螺母提供更多的支撐面。

優(yōu)化方案的局部塑性應(yīng)變和位移見表2。

優(yōu)化方案與原狀態(tài)局部塑性應(yīng)變值降低了約40%，為5.8%，符合仿真分析設(shè)定的目標(biāo)值。優(yōu)化方案實(shí)施后，進(jìn)行與原方案同等條件下的實(shí)車試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果為座椅靠背安裝點(diǎn)未失效，座椅的頭枕和靠背均未超過(guò)規(guī)定位移量，滿足法規(guī)要求，試驗(yàn)通過(guò)。試驗(yàn)后座椅靠背安裝點(diǎn)情況如圖12所示。

7 結(jié)論

（1）本文根據(jù)移動(dòng)行李對(duì)后排座椅撞擊試驗(yàn)和法規(guī)要求，結(jié)合某車型移動(dòng)行李沖擊的座椅靠背安裝點(diǎn)失效問(wèn)題，在LS-DYNA顯性分析方法的基礎(chǔ)上，以較小的改動(dòng)提升了安裝點(diǎn)區(qū)域的局部剛度，經(jīng)過(guò)分析和試驗(yàn)證明了方案的有效性。

（2）在項(xiàng)目前期開發(fā)的過(guò)程中，要嚴(yán)格控制承受動(dòng)態(tài)沖擊各安裝點(diǎn)處車身零件的塑性應(yīng)變值，以提升試驗(yàn)成功率，節(jié)約開發(fā)成本。但是，由于本文僅是在座椅靠背失效的條件下進(jìn)行的分析和計(jì)算，以解決實(shí)際問(wèn)題為導(dǎo)向，其他因素如動(dòng)態(tài)沖擊作用時(shí)間短、座椅撐桿、車身變形復(fù)雜、撞擊點(diǎn)有一定隨機(jī)性等考慮相對(duì)較少，后續(xù)還有待深入分析，得出更準(zhǔn)確和有理論依據(jù)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

參 考 文 獻(xiàn)

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[責(zé)任編輯：鐘聲賢]