汽車后排座椅行李箱沖擊的仿真分析及結構優化

戰楠，吳迪，卜曉兵，耿動梁

(中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300)

0 引言

座椅系統是汽車上保護車內乘員安全的關鍵部件之一，不但要承受乘員的質量，還要承受車輛啟動、制動及加速等常規工況以及碰撞事故中的沖擊載荷。特別是在交通事故中，汽車后排座椅會受到行李箱內物體的巨大沖擊載荷，座椅骨架如剛強度設計不足將會產生嚴重的變形甚至斷裂，對后排乘員造成嚴重的傷害。因此，2009年國家頒布強制檢驗法規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》，對汽車在發生碰撞時行李箱后排座椅的侵入量提出了明確要求[1-4]。該法規對座椅背部的支撐結構及座椅骨架的強度都提出了更高的要求。本文作者通過對某型后座椅行李箱沖擊進行CAE仿真，對后排座椅背部支撐梁在仿真中出現的問題進行分析，并對背部支撐梁結構進行了優化改進，使改進后的方案可以滿足法規要求。

1 汽車座椅安全系統法規簡介

1.1 我國汽車座椅安全性法規

20世紀80年代中后期，我國開始研究汽車座椅被動安全，并相繼頒布了GB 15083-2006、GB 11550-2009，2013年增加了GB 14167-2013《汽車安全帶固定點、ISOFIX固定點系統及上拉帶固定點》。其中于2007年2月開始執行的GB 15083-2006新標準中，增加了對移動行李乘員防護的特殊規定[5]。該規定的制定主要參照了ECE R17 的相關內容，具體法規及試驗要求如下。

1.2 移動行李箱及乘員防護相關規定

GB 15083-2006法規中附錄F明確規定：需將2個體積為300 mm×300 mm×300 mm、質量為18 kg的試驗樣塊并排放置在后行李艙地板上，如圖1所示，試驗樣塊前邊緣距離座椅靠背的最近距離為200 mm，2個試驗樣塊內側邊緣距離車輛縱向中心面均為25 mm，以使2個試驗樣塊之間有50 mm的距離，如圖2所示。

圖1 座椅靠背及試驗樣塊的位置[5]

圖2 試驗樣塊的位置

將車體固定在試驗臺車上，試驗時對乘員及車體進行減速，波形如圖3所示。進行減速前，乘員車體的自由速度為50 km/h。

圖3 臺車減速通道時間函數

當座椅處于設計狀態規定的正常使用位置時，構成行李艙的頭枕和座椅靠背應具有足夠的剛度及強度以保護乘員不因行李的前移受到傷害，在發生行李箱沖擊時，座椅與車身需保持連接狀態，不能脫開。同時要求座椅靠背骨架不能發生斷裂。上述過程中，允許座椅靠背及其緊固件發生變形，但試驗靠背及頭枕邵氏硬度大于50的前輪廓不能向前移出一橫向垂面(對靠背部分)，此橫向垂面經過座椅R點前方100 mm處的點和(對頭枕部分)座椅R點前方150 mm處的點。

2 某車型座椅模型建立

2.1 某車型座椅CAD模型

座椅由許多零件組裝而成，建模前首先需要對座椅的整體結構進行分析，確定各個零件對座椅剛度、強度特性的影響，并根據影響程度對零件進行篩選。座椅的坐墊與靠背為分開式結構，行李沖擊時主要對座椅靠背有影響，與坐墊部分相關性較小，因此在進行強度分析時，只需建立座椅靠背的幾何模型。座椅靠背承受外部載荷時，主要承載部件是靠背骨架，骨架表面的蒙皮、軟墊等覆蓋物對外部載荷貢獻量很小，且軟墊及蒙皮形狀復雜且不規則，如果對軟墊及蒙皮結構進行建模，對后續剛強度分析結果影響不大，卻增加了很多工作量和計算量，因此幾何建模時不考慮蒙皮和軟墊?；谝陨戏治觯喂羌苤饕锌勘充摴?、靠背鋼絲、閉鎖機構及支架等組成，如圖4所示?？勘充摴懿牧霞颁摻z材料為Q235，座椅上閉鎖機構支架材料為SPCC。

圖4 后排座椅骨架結構示意圖

2.2 汽車座椅有限元模型建立

2.2.1 網格劃分

如第2.1節中所述，首先整理分析座椅的結構、零部件之間的連接關系和運動關系、材料屬性等。座椅骨架多為沖壓鈑金件，在對薄壁件進行網格劃分時，通常先抽取中面，而后用shell單元進行網格劃分。在網格劃分前需進行幾何清理，去掉一些不必要的孔洞、倒角等，并保證幾何面的完整。單元平均尺寸5 mm，保證如表1所示質量要求。為保留零件特征，允許有三角形單元，但要控制三角形的比例，一般在5%以下，并防止局部三角形過多出現應力集中的現象。焊縫結構需控制單元質量，并保證有兩排網格單元。安裝孔受到較大的沖擊力，需要建立washer避免單元穿透。

表1 單元質量要求

2.2.2 材料屬性設置

為滿足計算過程中參數一致，需對座椅模型中的物理參數單位制進行統一。常用的單位制體系有兩種，文中的座椅模型統一采用Ton-mm-s單位制。

同時需對材料參數，包括：彈性模量、泊松比、應力-應變關系曲線、密度等進行正確設定，如表2所示。

表2 靜力分析材料參數

2.2.3 邊界條件定義

建立行李塊模型，質量為18 kg，邊長300 mm，棱邊倒圓角均為20 mm，網格尺寸10 mm。兩行李塊距離座椅200 mm，中心面為車縱向平面，間距50 mm對稱放置于行李箱地板上。

為便于計算完成后查看輸出結果，在座椅前方距離R點100 mm和150 mm處分別建立剛性板。同時，由于座椅系統零部件較多，結構相對復雜，整體模型選擇自接觸。

座椅及行李箱模型建立完成后，對整個模型施加重力場，加速度為9.8 m/s2。根據試驗要求對模型施加一個50 km/h的初速度，再對座椅和地板施加一個如圖5所示的加速度波形。

整個模型采用顯示算法，計算時間設置為0.2 s，通過LS-DYNA進行計算[6-7]。

2.3 座椅沖擊強度結構分析

圖6為行李沖擊為102 mm時位移結果云圖，此時后排座椅骨架位移達到最大，后排行李骨架變形較大，座椅縱管發生了明顯的彎折失穩。

圖6 行李沖擊位移結果云圖

同時，圖7所示兩管梁焊接部位有明顯的應變力集中，在試驗中易發生失效。需要對上述問題進行優化。

圖7 行李沖擊應變結果

3 汽車座椅結構優化

3.1 改進方案

針對該款座椅即將量產、時間緊迫的情況，要求改進方案滿足短時間內可實施完成變更，更改量要相對較小但要求保證實施有效的方案。充分考慮上述因素，采取了以下改進方案并進行了驗證：

(1)在沖擊時發生彎折處，增加一根橫管，如圖8所示。

(2)調整了靠背鎖與橫管之間縱向距離。

圖8 增加橫向管梁并調整間距

3.2 改進結果驗證

按照與原方案一致的邊界條件對改進后的模型進行仿真計算，結果如圖9所示。優化后分析結果顯示：支撐梁的變形程度有了明顯改善，行李箱沖擊過程中，增加的橫向管梁提高了結構整體的剛度，且吸收了大量的沖擊能量，縱管沒有發生彎折失穩。

如圖10所示：兩管梁焊接部位的應力集中也有了明顯的改善，改進后的后排座椅可以滿足該項試驗的強制法規要求，有效地保障了后排乘員的安全。

圖9 改進后行李沖擊位移結果

圖10 改進后行李沖擊應變結果

4 結論

以某款汽車后排座椅骨架為例，具體闡述了行李箱沖擊試驗方法；在對行李箱沖擊試驗失效分析的基礎上，基于HyperMesh、LS-DYNA、HyperView等平臺對后排座椅進行了有限元仿真分析，對該款座椅在強制工況行李箱沖擊試驗中的表現和安全性進行了預測，并針對存在的問題提出了改進方案。結果表明：改進后的座椅能滿足國家強制法規GB 15083-2006附錄F條例的要求。座椅支撐橫梁的結構不僅提高了座椅骨架的剛度，更能為后排成員提供良好的保護。同時，應用CAE仿真分析和優化設計技術可以有效提高研發效率，減少實車試驗的次數，降低研發成本。