汽車座椅頭枕強(qiáng)度及吸能性仿真分析

葉 芳，徐中明，翟喜成

汽車座椅頭枕強(qiáng)度及吸能性仿真分析

葉 芳1，徐中明2，翟喜成3

（1. 重慶工商職業(yè)學(xué)院 智能制造與汽車學(xué)院，重慶 401520；2. 重慶大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400030；3. 重慶市育才職業(yè)教育中心，重慶 401520）

對(duì)汽車座椅頭枕靜強(qiáng)度特性和碰撞吸能性進(jìn)行研究。首先采用Hypermes軟件創(chuàng)建了某車座椅骨架及頭枕的有限元模型。然后將座椅下壓剛度試驗(yàn)結(jié)果和有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)比，對(duì)模型進(jìn)行了有效性驗(yàn)證。最后，根據(jù)GB11550對(duì)座椅頭枕模型進(jìn)行靜強(qiáng)度仿真分析和碰撞吸能性仿真分析。仿真結(jié)果表明，該頭枕前部和后部具有較好的碰撞吸能性，但座椅骨架側(cè)板應(yīng)力最大值超過了材料的屈服極限。根據(jù)仿真結(jié)果提出了改進(jìn)措施，為此類轎車座椅頭枕的安全性設(shè)計(jì)提供方法案例。

汽車座椅頭枕；有限元法；靜強(qiáng)度分析；碰撞吸能性；仿真實(shí)驗(yàn)

汽車座椅頭枕是座椅上保護(hù)駕乘人員頭頸部安全的重要部件，其作用是支撐駕乘人員頭頸部避免揮鞭傷。當(dāng)汽車低速行駛時(shí)，若受到追尾碰撞，慣性會(huì)使乘員頭部急速后仰而傷害頸椎，而頭枕可以有效支撐頭部從而減輕對(duì)頸椎的損傷。筆者采用有限元和虛擬仿真技術(shù)，應(yīng)用Hypermesh、LS-DYNA、MSC.Nastran、Abaqus等多種CAE分析軟件對(duì)某轎車汽車座椅頭枕的靜強(qiáng)度和碰撞吸能性進(jìn)行分析和研究。

1 汽車座椅的有限元模型

以某車的主駕駛座椅為研究對(duì)象，座椅的建模包括頭枕、靠背及骨架、坐墊及骨架、靠背角度調(diào)節(jié)器、滑軌等零部件。座椅總成質(zhì)量為20.89 kg，其中坐墊軟墊質(zhì)量為1.48 kg，靠背軟墊質(zhì)量為1.78 kg，座椅骨架質(zhì)量為16.38 kg，頭枕質(zhì)量為0.78 kg。

1.1 座椅骨架有限元模型建立

首先利用三坐標(biāo)激光測(cè)量?jī)x對(duì)模型表面點(diǎn)陣數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)掃描獲得859 658個(gè)點(diǎn)。對(duì)點(diǎn)陣數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、三角化處理后，根據(jù)點(diǎn)陣的重要幾何特征創(chuàng)建模型曲線和曲面。將曲面模型導(dǎo)入CATIA后，對(duì)模型進(jìn)行曲面封閉處理，獲得座椅樣機(jī)的實(shí)體模型。再根據(jù)實(shí)體座椅幾何特征對(duì)座椅模型進(jìn)行修補(bǔ)，并對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比評(píng)估，進(jìn)一步完善構(gòu)建出座椅的三維幾何模型[1-2]。

將利用CATIA建立的三維幾何模型導(dǎo)入Hyper-mesh中，構(gòu)建座椅骨架的有限元模型，如圖1所示。該模型共包含24 962個(gè)節(jié)點(diǎn)；23 372個(gè)shell單元，其中22 811個(gè)quad4 單元，561個(gè)quad3單元；1737個(gè)六面體單元；147個(gè)MPC單元。

圖1 座椅骨架有限元模型圖

當(dāng)外載荷作用在座椅上時(shí)，主要由座盆骨架和靠背骨架承力，而坐墊及蒙皮、靠背芯子及蒙皮等覆蓋物主要起到提升舒適性的目的，對(duì)承受外載荷貢獻(xiàn)很少，對(duì)仿真結(jié)果的影響輕微。因而在建模時(shí)對(duì)座椅模型進(jìn)行了合理的簡(jiǎn)化，忽略了坐墊、背芯以及起支撐或調(diào)節(jié)作用的橫向鋼絲、彈簧和連接件等[3]。

該座椅具備六向調(diào)節(jié)功能：前后方向的移動(dòng)、上下方向高度的調(diào)整，以及通過調(diào)角手柄調(diào)節(jié)靠背角度。座椅零部件的連接方式為焊接、螺栓連接和銷連接，建模時(shí)要考慮約束模擬的方式。焊接和螺栓連接可以通過剛性連接來模擬，銷釘轉(zhuǎn)動(dòng)的約束方式同樣采用剛性連接的方法，這是因?yàn)樵谖覈?guó)強(qiáng)度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中，要求座椅所處位置保持在對(duì)座椅最不利的情況。

1.2 座椅骨架有限元模型的驗(yàn)證

根據(jù)QC/T55—1993設(shè)計(jì)座椅下壓剛度試驗(yàn)。坐墊加載板的質(zhì)量為51 kg，與試驗(yàn)機(jī)萬向接頭連接，萬向接頭的中心點(diǎn)要與加載板的中心點(diǎn)重合。安放加載板的位置為坐墊和靠背載荷中心位置的載荷方向線上，應(yīng)與加載板載荷中心點(diǎn)引出的鉛垂線重合。試驗(yàn)中座椅的安裝應(yīng)與實(shí)車安裝狀態(tài)一致，所以在試驗(yàn)臺(tái)上采用4個(gè)螺栓將座椅滑軌固定。將加載板的載荷中心作為施力點(diǎn)，以300 mm/min的速度向坐墊施加700 N載荷，至少加載、卸載2次，得到準(zhǔn)確試驗(yàn)結(jié)果。座椅下壓剛度試驗(yàn)及有限元仿真模型如圖2所示。

圖2 下壓剛度試驗(yàn)及有限元仿真

利用建好的座椅骨架有限元模型進(jìn)行座椅下壓剛度的有限元仿真分析。根據(jù)GB 15083—2006的試驗(yàn)要求設(shè)置仿真條件：座椅靠背位置調(diào)整為駕駛員模型軀干線相對(duì)于垂直方向后仰25°；安裝座椅時(shí)要注意鎖止裝置，要保證無外部因素導(dǎo)致其解鎖。具體安裝位置可以設(shè)置為制造廠規(guī)定的最后使用位置向前移動(dòng)10 mm處[4]；坐墊調(diào)節(jié)在最不利的位置，即最高位置；按照車身座椅實(shí)際的安裝狀態(tài)模擬約束，即施加全部連接處共6個(gè)自由度。通過Hypermesh建立加載板的有限元模型，定義為剛性體，厚度設(shè)置為5 cm。在LS-DYNA軟件中將加載板與座椅坐墊定義為“面對(duì)面”接觸，賦予加載板5 mm/s的速度對(duì)下壓剛度進(jìn)行仿真計(jì)算[5-6]。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和有限元計(jì)算結(jié)果，可以得到撓度-載荷曲線如圖3所示。

圖3 撓度-載荷曲線對(duì)比圖

分析試驗(yàn)結(jié)果可知：

（1）下壓試驗(yàn)結(jié)果為下壓位移75 mm，最大載荷為12.75 kN；仿真結(jié)果為下壓位移75 mm，最大載荷為10.4 kN，二者數(shù)值接近。仿真結(jié)果的座椅靜剛度比試驗(yàn)結(jié)果略低；

（2）試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果趨勢(shì)基本一致，且誤差較小，說明了仿真結(jié)果比較準(zhǔn)確，且驗(yàn)證了有限元模型的有效性；

（3）分析仿真結(jié)果剛度略低的原因，應(yīng)是忽略了坐墊芯子、背芯以及部分連接件的建模。

2 座椅頭枕靜強(qiáng)度仿真分析

按照GB 11550—2009 《汽車座椅頭枕性能要求和試驗(yàn)方法》[4]設(shè)計(jì)座椅頭枕靜強(qiáng)度的仿真分析[7]。加載方式按照3個(gè)步驟進(jìn)行：

第一步：對(duì)座椅靠背施加相對(duì)點(diǎn)產(chǎn)生向后530 N·m的初始作用力矩，根據(jù)座椅中部與點(diǎn)的垂直距離可計(jì)算出需施加1044 N的力，測(cè)量頭枕的變形位移量；

第二步：在頭枕頂部向下65 mm處施加相對(duì)于點(diǎn)的力矩為373 N·m，計(jì)算得出需施加492.5 N的力，測(cè)量頭枕的變形位移量；

第三步：進(jìn)一步將載荷提高到890 N，分析應(yīng)力變化及分布，檢查頭枕是否破裂或掉落。

仿真完成后，通過有限元后處理軟件Hyper View分析結(jié)果，如圖4、圖5所示。

圖4 座椅頭枕位移量仿真圖

圖5 座椅頭枕靜強(qiáng)度仿真分析

（1）對(duì)座椅靠背施加相對(duì)點(diǎn)產(chǎn)生向后530 N·m的力矩的初始作用力時(shí)，頭枕的移動(dòng)量是10.33 mm。在頭枕頂部向下65 mm處加載相對(duì)于點(diǎn)的大小為373 N·m力矩時(shí)，頭枕的移動(dòng)量是31.33 mm。遠(yuǎn)小于最大后移量102 mm，因此該汽車座椅頭枕的后移量滿足要求。

（2）應(yīng)力集中在靠背角度調(diào)節(jié)器與坐墊側(cè)板，最大值出現(xiàn)在二者連接部位，大小為361.4 MPa。座椅側(cè)板采用材料為St12，屈服極限為275 MPa，抗拉強(qiáng)度為410 MPa，分析可知，座椅側(cè)板最大應(yīng)力雖然超過了屈服極限，但沒有超過強(qiáng)度極限，座椅頭枕及其他部位結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值均符合要求，所以，座椅此時(shí)并未破壞。

綜上，該座椅骨架及頭枕強(qiáng)度滿足GB 11550—2009的規(guī)定，但相應(yīng)工況下最大應(yīng)力值超過了屈服極限，所以應(yīng)更換材料，使座椅總成產(chǎn)生最大應(yīng)力時(shí)保證在材料的彈性變形內(nèi)，有利于提高座椅的安全性。

3 座椅頭枕碰撞吸能性仿真分析

根據(jù)GB 11550—2009[4]的規(guī)定來設(shè)計(jì)座椅頭枕吸能性的仿真分析[8-9]。

試驗(yàn)要求：人體頭部模型為165 mm的球狀剛性模型，有效質(zhì)量為6.8 kg。座椅靠背位置調(diào)整為駕駛員模型軀干線相對(duì)于垂直方向后仰25°位置；安裝座椅時(shí)要注意鎖止裝置，保證無外部因素導(dǎo)致其解鎖。安裝位置可以設(shè)置為制造廠規(guī)定的最后使用位置向前移動(dòng)10 mm處[4]；頭枕調(diào)到最不利的位置（最高點(diǎn)）[10-11]。

如圖6所示，當(dāng)受到前方撞擊時(shí)，頭型以24.1 km/h的速度水平撞擊在座椅參考面距頭枕頂端65 mm處。當(dāng)后方撞擊時(shí)，頭型以24.1 km/h的速度撞擊在座椅頭枕后面與水平面成45°的直線的切點(diǎn)上。

圖6 頭部吸能性加載示意圖

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在測(cè)定過程中，頭型減速度大于80的持續(xù)作用時(shí)間應(yīng)≤3 ms，即可認(rèn)為該頭枕能提供有效保護(hù)，吸能性滿足要求。

3.1 頭枕有限元模型

利用軟件Hypermesh建立座椅頭枕和頭型的有限元模型，見圖7。頭枕采用1737個(gè)六面體實(shí)體網(wǎng)格單元來離散頭枕結(jié)構(gòu)，與座椅的約束設(shè)定為剛性連接。頭型采用殼單元構(gòu)建，共有4123個(gè)殼單元。頭型壁厚1 mm，設(shè)定為剛體。定義頭型在質(zhì)心處以24.1 km/h（6.694 m/s）的速度運(yùn)動(dòng)并進(jìn)行撞擊，撞擊時(shí)與頭枕為“面對(duì)面”接觸，以保證頭枕能夠充分吸能。

圖7 頭枕和頭型的有限元模型

3.2 前方碰撞吸能性仿真分析

利用LS-DYNA軟件對(duì)前方撞擊時(shí)吸能性進(jìn)行有限元仿真（見圖8(a)）計(jì)算，得到圖8（b）所示的座椅頭枕前方碰撞的加速度曲線[11-12]。從圖8看出：座椅頭枕前方碰撞加速度峰值約在5 ms處，加速度為0.44 mm/ms2。經(jīng)計(jì)算，頭型最大加速度為44.8，持續(xù)時(shí)間65 ms。根據(jù)GB 11550—2009關(guān)于頭型的加速度最大值小于80的規(guī)定，說明此座椅頭枕在正面撞擊中具有較好的吸能性。

3.3 后方碰撞吸能性仿真分析

利用LS-DYNA軟件對(duì)后方撞擊時(shí)吸能性進(jìn)行有限元仿真（見圖9(a)）計(jì)算，得到圖9（b）所示的座椅頭枕后方碰撞加速度曲線[13]。

圖8 座椅頭枕前方碰撞仿真分析

圖9 座椅頭枕后方碰撞仿真分析

圖9中，座椅頭枕后方碰撞加速度峰值約在4 ms處，加速度為0.7 mm/ms2。經(jīng)計(jì)算，頭型最大加速度為71.42，持續(xù)時(shí)間50 ms，符合GB 11550—2009，說明此座椅頭枕在后方碰撞中具有較好的吸能性。

綜上所述，從碰撞吸能性來看，假頭型在后方的碰撞對(duì)座椅頭枕有更大的破壞作用，加速度上升和回落比前方更迅速。前方、后方碰撞吸能性均符合相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語

仿真實(shí)驗(yàn)證明某車主駕駛座椅頭枕的安全性能符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。為更加安全，建議采取如下改進(jìn)措施：

（1）座椅側(cè)板可以更換屈服極限更好的材料。當(dāng)頭枕載荷增加到890 N時(shí)，座椅骨架側(cè)板處應(yīng)力最大值為361.4 MPa，超過了所用材料St12的屈服極限275 MPa。更換材料，使座椅總成產(chǎn)生最大應(yīng)力時(shí)保證在材料的塑性變形內(nèi)，可以提高座椅的安全性。

（2）座椅骨架各部件的連接處應(yīng)增加緩沖元件，例如靠背角度調(diào)節(jié)器與兩側(cè)的連接板之間使用具有足夠強(qiáng)度的扭轉(zhuǎn)彈簧等作為連接件。這不僅可以對(duì)頭型的沖擊起到緩沖作用，也可以有效減小連接處的應(yīng)力，有利于提高頭枕的吸能性和座椅骨架的強(qiáng)度。

（3）采用性能更好的頭枕泡沫材料。雖然仿真結(jié)果得到的加速度-時(shí)間曲線符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，但采用相對(duì)更軟的材料可以起到更好的緩沖作用，有效降低加速度的峰值，有利于提高座椅頭枕的吸能性。

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Simulation analysis of strength and energy absorption of automobile seat headrest

YE Fang1, XU Zhongming2, ZHAI Xicheng3

(1. College of Intelligent Manufacturing and Automobile, Chongqing Technology and Business Institute, Chongqing 401520, China; 2. School of Mechanical Engineering, Chongqing University, Chongqing 400030, China; 3. Chongqing Yucai Vocational Education Center, Chongqing 401520, China)

The static strength characteristics and collision energy absorption of the automobile seat headrest are studied. Firstly, the finite element model of a car seat frame and headrest is created by using the Hypermes software. Then the model is validated by comparing the stiffness test results with the finite element results. Finally, according to GB11550, the static strength simulation analysis and collision energy absorption simulation analysis of the seat headrest model are carried out. The simulation results show that the front and rear parts of the pillow have good impact energy absorption, but the maximum stress of the side plate of the seat skeleton exceeds the yield limit of the material. According to the simulation results, the improvement measures are put forward, which provides a method case for the safety design of this kind of the automobile seat headrest.

automobile seat headrest; finite element method; analysis of static strength; collision energy absorption; simulation experiment

U483

A

1002-4956(2019)12-0102-05

10.16791/j.cnki.sjg.2019.12.024

2019-06-04

2019-08-12

重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（KJQN201804004）資助

葉芳（1981—），女，甘肅文縣，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)槠噭?dòng)力學(xué)及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。E-mail: yef1024@163.com