汽車駕駛員座椅強度及安全性分析

王萬偉

摘要：座椅對汽車安全性來說非常關鍵，對汽車座椅進行安全性設計，就是為了提高座椅的安全功能。因此，本文先是闡述汽車座椅強度設計的具體內容，對座椅安全性設計中有限元法的應用進行分析，舉例說明利用有限元法對座椅進行安全性設計的過程，希望為提高汽車座椅的安全性能帶來幫助。

關健詞：汽車座椅;安全性設計;有限元法

1、前言

汽車量現在越來越多，交通事故發生得越來越頻繁。在發生危險時，安全的座椅能夠保護乘車人員。危險來臨時，座椅將人保護在一個有限的安全空間，阻止其他諸如汽車配件、物品等打破安全空間。另外，乘車人員在安全的座椅上能夠維持安全的狀態，之后其他的安全保障措施再發揮作用。為汽車設計安全的座椅就是為了減少事故發生時人員的傷亡情況。從安全作用出發，座椅的組成部分主要有靠背、座墊、頭枕、座椅整體與車身相連的部分等。

2、座椅強度的設計

汽車座椅安全性設計的重中之重便是它的強度。使用汽車時，座椅承載的負荷是復雜的。因此，如果汽車座椅強度不夠，座椅上的人會受到額外傷害;座椅的使用壽命如果不夠長，更換頻繁還麻煩;受到巨大撞擊時，安全座椅不會發生斷開、變形等問題。因此，安全的汽車座椅對強度要求非常高，但同時也要控制成本，節約材料，滿足最高的強度要求。

2.1 座椅結構型式的設計

關于整體座椅的安全性結構設計需要考慮到對車內其他系統作用的影響及與其他位置之間如何連接等問題。

2.2 靠背的設計

設計安全靠背時需要結合靠背的強度、角度、一般大小及形狀。當車輛發生追尾或者測碰等交通事故時，靠背的強度應該很好地保護到乘車人員的安全。上文提到的靠背強度、角度、一般大小及形狀等都極大影響到被撞擊時的嚴重程度。

2.3 座墊的設計

正常來說，座墊不會給乘車人員帶來直接沖擊，但其結構對乘坐人員的運動過程、到他身上的作用力及加速度、力等外部負重大小都有很深的影響。設計深度座墊應堅持對靠背的充分利用，合理支撐臀部重量。座墊深度應該短于我們大腿長度。

2.4 頭枕的設計

頭枕是一種彈性裝置，起到不讓乘坐人員頭部跟軀干相比往后移動的作用。當車輛受到撞擊時，盡可能降低頸椎的傷害。特別是車輛追尾時，防止我們頭部向后靠，減少頸部的進一步損傷。

3、有限元法在座椅安全性設計中的應用

傳統設計安全的汽車座椅時，主要通過試驗來研究，不過試驗成本過高、所需要的時間也很長。現在計算機發展迅速，計算方法也得到了加強，目前比較常將模擬計算與試驗驗證結合起來進行研究，優點是可以重復、能夠存儲更多信息、不用花很長時間開發且經濟損耗小。汽車座椅骨架結構是空間板系與空間桿系的組合，因為需要兼顧到各個調節機構，因此不是完全對稱的;另外，使用汽車時，，座椅承載量很大，各零件在結構中時不時彎曲或扭轉。由于結構的復雜性，建議采取有限元法仿真座椅系統，優點還是挺明顯的，既不用耗費過多人力、物力、財力，最后取得的效果還很好。在這之前，一般都是用簡單的鋼管結構組成汽車座椅骨架，傳統分析強度用的是空間梁單元。但當時硬件設施與軟件質量不高，座椅有限元模型相對簡單，沒有復雜的節點和單元。現在，出現了各種各樣的座椅結構形式，已經不需要簡單的空間梁單元方法了，其他建模如空間板殼單元、實體單元等反而越發受到重視。

4、座椅安全性設計實例分析

拿有限元方法來說，下面進行具體分析，說明用有限元方法設計安全汽車座椅的一般過程。

4.1 建立座椅幾何模型

座椅的零件高達上百個，建模前必須分析座椅的整體結構，根據各零件對強度的不同需求和不同程度進行篩選。主要支撐座椅的關鍵部位，建模必須精確，最大可能保障正確的模型建成;而有些零件與靜強度特性無關緊要，那么就可以只針對其關鍵形狀建模;剩下的零件幾乎與強度無關，甚至可以不建模。座椅有負重時，骨架承載的重量最大，但其表面的座椅無法替它分擔重量，基本上沒有承重作用。同時，座椅覆蓋物的形狀不盡相同，也無規律可循，因此對它們的建模則很沒有必要，工作量加大不說，也不會使結果更加精確。所以，有限元建模時基本不考慮軟墊和蒙皮等座椅覆蓋物。綜上，分析座椅強度特性時，重點放在座椅骨架總成上。幾何建模采用的軟件應已廣泛用在航天、航空、國防、造船、汽車等各大領域。

4.2 建立座椅總成強度有限元計算模型

幾何模型建立起來之后，要劃分有限元網格、定義邊界條件和增加負重量，做好有限元計算建模。按照座椅骨架總成的特點，將薄板件定義為SHELL單元，其中包括靠背側梁、盆形底座、橫梁、橫梁加強板、頭枕靠面及調角器總成等，其他部件承受的是彎曲力及剪切力，比如管框、橫管、頭枕梁、滑軌之類的，選擇定義為BEAM單元。確定邊界條件時，需要按照座椅實際上的裝置地方、裝置方式和試驗時的裝夾方式。由國家標準GB15083 -1994來確定載荷。規定在座椅總成質心處水平前后，載荷是座椅總成質量的二十倍，需要座椅承擔;承擔過程中，車體和座椅之間必須牢固。試驗過程中，在座椅軟墊表面上固定夾具，不直接接觸座椅骨架，現有的有限元模型中不存在座椅覆蓋物。這里可以選擇MPC的多點約束法定義負重。

4.3 有限元計算分析座椅總成強度

作為目前較先進的大型通用非線性有限元力學分析軟件，在選擇了MSC.PATRAN建立座椅總成強度的有限元計算模型后，打包生成了分析文件，由ABAQUS進行計算。有限元計算分析座椅總成強度包括水平向前向后兩種。加載水平向前后時，座椅總成沒有怎么改變形狀，最大應力在座椅調角器與座椅底面外側板連接處和鎖柄位置，外側板連接處這個位置需要選擇耐腐蝕的鐵制材料，要求非常抗壓。而鎖柄處的位置應該選擇剛性材料，這樣座椅骨架總成的性能就可符合國際標準，保障與車身穩固連接。

5、結束語

現階段，我國汽車發展喜人，道路也越來越復雜，我們需要越來越安全的汽車座椅。汽車的安全性越發受到關注，我國汽車工業的發展還有很大的進步空間。有必要重視安全座椅的開發，沒有最安全，只有更安全。

參考文獻：

[1] 王暄.現代汽車安全[M].北京：人民交通出版社，2018：45-50.

[2] 陳志平.大型工程有限元分析軟件及其應用[J].電子機械工程，2017，（05）：31-33.

[3] 姚為民，孫丹丹.汽車座持系統安全性綜述[J].汽車技術，2017，（08）：134-135.

[4] 李攻關，田棚.汽車駕駛員座椅強度及安全性分析[J].工程技術（引文版），2016，（08）：21.

[5] 林祖勝，蘭靛靛，鄧兵.商用車司機座椅骨架有限元建模與優化[J].廈門理工學院學報，2016（05）：63.

[6] 馮需，楊宏剛，王燕.汽車駕駛座椅人-機系統安全性設計[J].汽車與安全，2016（06）：86.

（作者單位：洛陽市動物疫病預防控制中心）