復(fù)合材料座椅前、后極限強度仿真分析

王迪，鄭欲鋒，張健

（上海汽車集團股份有限公司前瞻技術(shù)研究部，上海 201804）

引言

復(fù)合材料的應(yīng)用是汽車輕量化的一種重要途徑，座椅是汽車的安全部件，盡管座椅重量占車身總重量的比例較小（僅為1.5%-2%），但作為乘員艙內(nèi)最重要、質(zhì)量較大的部件之一，座椅為整車輕量化所做的貢獻不容忽視。所以，考慮采用復(fù)合材料應(yīng)用于靠背骨架和座盆、結(jié)合包膠注塑工藝，實現(xiàn)復(fù)合材料座椅的輕量化目的。

在復(fù)合材料座椅靠背和座盆結(jié)構(gòu)開發(fā)時，需要進行一系列性能分析，其中包括前、后極限強度性能分析。因此，本文通過定義復(fù)合材料座椅結(jié)構(gòu)力學(xué)分析流程、有限元建模方法，對前、后極限強度性能進行評價。

1 復(fù)合材料座椅結(jié)構(gòu)

復(fù)合材料座椅結(jié)構(gòu)包括靠背發(fā)泡總成、座墊發(fā)泡總成、頭枕總成、靠背骨架、座墊滑道總成、座盆、旁側(cè)板，其中，復(fù)合材料座椅靠背和座盆選用了一種熱塑性連續(xù)纖維板材（預(yù)浸料編織板材）和短纖維塑料粒子（注塑于熱壓后的連續(xù)纖維板材上，起增強及塑形的作用）為原材料（材料參數(shù)見表1、表2），座墊骨架等部件仍為金屬件，如圖1所示。

表1 短纖維粒子參數(shù)

表2 連續(xù)纖維板材參數(shù)

圖1 復(fù)合材料座椅爆炸圖

2 結(jié)構(gòu)力學(xué)分析流程

復(fù)合材料座椅靠背、座盆結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析流程如圖 2所示。

圖2 分析流程圖

3 有限元建模方法

3.1 有限元模型組成

有限元基礎(chǔ)模型包含以下內(nèi)容：

a）靠背骨架、座盆、頭枕

b）連接鈑金、下橫梁

c）靠背和座墊彈簧

d）靠背和座墊泡棉

e）地板

材料和屬性信息：

a）復(fù)合材料參數(shù)

b）鋪層角度、厚度等

3.2 軟件要求

分析過程所需軟件，如表3所示。

表3 軟件列表

3.3 建模要求

3.3.1 統(tǒng)一單位

模型單位統(tǒng)一如表4所示。

表4 單位制

3.3.2 坐標(biāo)系

由于需要定義材料的方向，分析時需要同時使用全局坐標(biāo)系和局部坐標(biāo)系。

全局坐標(biāo)系X軸正方向是從車頭指向車尾，Y軸的正方向按照駕駛員的角度，從左指向右，Y=0位于車輛的中心線處，Z軸的正方向是從地面指向車頂。

局部坐標(biāo)系用于定義材料的方向，X軸一般情況下平行于復(fù)合材料中增強相材料的鋪設(shè)方向。

短纖維區(qū)域不需要定義局部坐標(biāo)系。

3.3.3 網(wǎng)格劃分與尺寸定義

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的網(wǎng)格只能使用殼單元模擬，并根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點，將結(jié)構(gòu)網(wǎng)格分為不同的區(qū)域，便于定義局部坐標(biāo)系。

靠背和座盆網(wǎng)格尺寸3mm。

3.3.4 連接方式

a）靠背骨架與連接鈑金的連接模擬

靠背骨架與連接鈑金單邊采用兩組 M10螺栓螺母進行固定連接，內(nèi)嵌螺母用殼單元模擬，螺栓采用BEAM單元，內(nèi)嵌螺母與靠背骨架間采用Tied連接模擬，如圖3所示。

圖3 靠背骨架與連接鈑金的連接

b）短纖維區(qū)域與連續(xù)纖維區(qū)域連接模擬

靠背骨架和座盆采用包膠注塑工藝，連續(xù)纖維區(qū)域包裹在短纖維區(qū)域中，從而提高靠背和座盆整體的剛度和強度。在處理靠背骨架網(wǎng)格時，在短纖維區(qū)域中偏移出同連續(xù)纖維區(qū)域?qū)?yīng)的面積相等的區(qū)域。短纖維區(qū)域與連續(xù)纖維區(qū)域連接通過Tied連接進行模擬。

c）加強筋和本體的連接采用Tied連接模擬。

d）頭枕與靠背連接采用Rigidbody剛性單元模擬。

e）靠背、座盆面套掛鉤和面套之間的連接通過關(guān)鍵字*CONSTRAINED_NODE_SET模擬。

f）靠背彈簧與掛鉤固定點的連接方式通過Rigidbody剛性單元模擬。

g）座盆與座墊骨架連接模擬。

座盆與座墊骨架采用螺栓螺母連接，座盆內(nèi)置嵌件用殼單元模擬，嵌件同座盆通過 Tied連接模擬，螺栓用 BEAM單元模擬，如圖4所示。

圖4 座盆與座墊骨架連接

h）復(fù)合材料座盆與座墊彈簧采用掛鉤連接，座墊彈簧與掛鉤通過Tied連接模擬，如圖5所示。

圖5 座盆與座墊彈簧連接

3.4 控制卡片說明

為了提高座椅復(fù)合材料分析精度，要減小分析時間步長，經(jīng)驗值為 3×10-7。

4 材料測試及力學(xué)參數(shù)

4.1 材料測試

連續(xù)纖維增強材料測試包括：準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)測試，如果只進行準(zhǔn)靜態(tài)虛擬分析，則不需要進行動態(tài)測試。

a）沿纖維方向和垂直纖維方向的拉伸力學(xué)性能測試；

b）沿纖維方向和垂直纖維方向的壓縮力學(xué)性能測試；

c）面內(nèi)和面外剪切力學(xué)性能測試。

盡可能的獲得多個鋪層方向上的力學(xué)性能，如30°、45°，用于標(biāo)定材料模型。

短纖維增強材料測試包括：任意方向切割試樣，進行拉伸、壓縮和剪切力學(xué)性能測試。

4.2 仿真所需的材料參數(shù)

材料參數(shù)主要包括強度參數(shù)和剛度參數(shù)等，具體的材料參數(shù)見表5。

表5 材料參數(shù)

4.3 材料卡片

定義的連續(xù)纖維增強材料為正交各向異性材料，用MAT58號材料卡片模擬，材料局部坐標(biāo)通過AOPT定義，關(guān)鍵字信息如圖6所示。

圖6 MAT58材料卡片定義

短纖維增強材料近似為各向同性材料，用 MAT24號材料卡片模擬。

材料卡片說明：

a）采用經(jīng)典層合板理論解析復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)行為；

b）不考慮層合板的分層失效；

c）可考慮材料的拉壓不對稱特性。

4.4 鋪層卡片

鋪層通過殼單元屬性定義，積分點個數(shù)代表層數(shù)，ICOMP選1，同時定義鋪層方向。如圖7所示為總厚為1mm的方向均為0°的2層鋪層結(jié)構(gòu)。

圖7 鋪層卡片定義

4.5 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)失效評價

通過以下判斷材料失效：

a）連續(xù)纖維區(qū)域：當(dāng)所有層均達到最大有效應(yīng)變值，單元失效。最大有效應(yīng)變值由擬合得到。

b）短纖維區(qū)域：超出失效應(yīng)力，單元失效。

當(dāng)材料不允許出現(xiàn)破壞時，連續(xù)纖維區(qū)域材料主方向應(yīng)力和剪切應(yīng)力應(yīng)小于許用強度。

5 前、后極限強度仿真分析

5.1 要求

復(fù)合材料靠背骨架和座盆取代原座椅靠背骨架和座盆，相關(guān)零部件進行適應(yīng)性設(shè)計；復(fù)合材料座椅結(jié)構(gòu)性能要求不低于原座椅。骨架的永久變形都不得超過 20°，骨架不能有任何裂縫或者損壞的緊固件。靠背調(diào)節(jié)機構(gòu)不需要可操作，但需要能夠解鎖。

5.2 工況介紹

5.2.1 前向極限強度

在靠背骨架上施加向前的1500 Nm的力矩，并沿施加力的方向測量骨架的變形量，在500 Nm時施力點變形量不得超過130 mm，如圖8所示。

圖8 前向極限工況示意圖

5.2.2 后向極限強度

在靠背骨架上施加向后的2500 Nm的力矩，并測量骨架在施力點的變形量，在500 Nm時變形量不得超過80 mm，在1500 Nm時不得超過150 mm，如圖9所示。

圖9 前向極限工況示意圖

5.3 分析結(jié)果

5.3.1 前向極限強度

當(dāng)施加力達500 Nm時，施力點變形量為6 mm；當(dāng)施加力達1500 Nm時，骨架未出現(xiàn)失效現(xiàn)象。綜上所述，靠背骨架滿足前向極限強度要求。相關(guān)結(jié)果數(shù)據(jù)見圖10所示。

圖10 前向極限后處理

5.3.2 后向極限強度

當(dāng)施加力達500 Nm時，施力點變形量為1 mm；當(dāng)施加力達1500 Nm時，施力點變形量為44 mm；當(dāng)施加力達2500 Nm時，骨架未出現(xiàn)失效現(xiàn)象。綜上所述，靠背骨架滿足后向極限強度要求。相關(guān)結(jié)果數(shù)據(jù)見圖11所示。

圖11 后向極限后處理

6 總結(jié)

本文提出了復(fù)合材料座椅結(jié)構(gòu)力學(xué)分析流程、有限元建模方法，通過仿真方法對前、后極限強度性能進行評價。

[1] 沈觀林,胡更開,劉彬.復(fù)合材料力學(xué)（第2版）[M].北京:清華大學(xué)出版社,2013.

[2] 趙麗濱,徐吉峰.先進復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)分析方法[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2015.