某乘用車后排座椅靜強度及碰撞仿真分析

胡 溧，陳 順，楊啟梁，黃 濤

（1.武漢科技大學汽車與交通工程學院，湖北 武漢 430081；2.東風安道拓汽車座椅有限公司，湖北 武漢 430058）

1 前言

隨著社會的不斷進步，人們對汽車的要求也越來越高，座椅安全性因此也被廣泛重視，在安全性方面的研究逐漸增多。研究方法主要有試驗分析和有限元仿真分析，通過試驗進行研究時間較長且費用較高，隨著社會的進步，有限元仿真技術逐漸成熟起來，仿真分析越來越多的應用于座椅的安全性分析中，通過仿真分析可以節省研究時間和研究費用[1]。

國外學者進行了很多關于座椅的研究，有對安全帶固定點強度的研究，骨架失效形式的研究和采用參數化方法對座椅進行設計開發和結構優化[2?5]。

國內學者大多以GB15083?2006和ECE R17中對座椅安全性要求的規定為基礎，對座椅進行靜強度分析、動強度分析、吸能性分析、假人響應分析等[6?9]。

根據有限元理論，應用有限元仿真分析軟件Hyperworks、LS?DYNA，分別進行某乘用車后排座椅靠背骨架的模態分析、靜強度分析、沖擊強度分析。在模態分析中對焊縫進行詳細的研究，調整焊縫的材料屬性以及焊縫的尺寸和位置，使焊縫的模擬更精確，從而使有限元模型更精確，以保證靜強度仿真和碰撞仿真的準確進行。

2 模態分析

2.1 后排座椅結構

分析對象為某款乘用車的后排座椅靠背，分析座椅主要承受載荷的部件以及建模的簡便性，對座椅靠背進行適當簡化，僅以座椅靠背骨架為分析對象。該座椅靠背骨架分為40%側和60%側，以60%側靠背骨架為基礎進行有限元建模，并進行模態分析驗證有限元建模的準確性。

2.2 60%側靠背骨架有限元模型建立

將60%側靠背骨架幾何模型導入Hypermesh 中，由于60%側靠背骨架主要由鋼絲及少量的鋼板和鋼管焊接而成，所以本次有限元建模分為兩部分：首先進行各零件網格的劃分，隨后采用焊縫單元將各部件連接起來。

2.2.1 各零件網格劃分

60%側靠背骨架的零件構成主要是管、板、鋼絲，其中管、板結構歸為一類，鋼絲歸為一類。管、板類零件應用midsurface 抽取中面，對各零件中面進行幾何清理，包括自由邊、邊倒角、其他一些影響網格質量的幾何特征的清理，清理完成后劃分2D單元，考慮各結構的尺寸以及后續計算要求，將彎管、扶手管2D單元尺寸定義為5mm，各支架2D單元尺寸定義為2mm。各鋼絲則應用3D單元進行建模，首先也需要對鋼絲實體進行幾何清理，然后劃分四面體實體單元，由于鋼絲直徑較小，各鋼絲實體單元尺寸定義為1mm。

2.2.2 焊縫單元的建立

目標座椅骨架是由弧焊進行焊接，形成焊縫將各個零件連接起來，故有限元建模中要對焊縫進行模擬。當前的類似研究中，對焊縫的模擬大多采用簡單的剛性連接，沒有考慮焊縫的材料屬性、尺寸、位置等參數。這里采取更符合實際焊縫的模擬方式對焊縫進行建模，以使整個有限元模型更加準確。首先通過企業提供的60%側靠背骨架圖紙中對焊縫尺寸以及位置的定義，確定各條焊縫的尺寸以及位置，隨后應用hypermesh軟件中的seam面板建立五面體實體焊縫單元將各零件連接起來。焊縫單元采用等邊單元，即側面為等腰三角形。完成所有焊縫單元的建立后，完整60%側靠背骨架有限元模型，如圖1所示，其中綠色部分即各個焊縫的位置，共40條五面體實體單元焊縫，2D單元總數26299個，四面體實體單元383950個。

圖1 60%側靠背骨架有限元模型Fig.1 60% Side Backrest Frame Finite Element Model

2.3 計算模態分析

60%側靠背骨架有限元模型建立完成后，對各零件以及焊縫賦予材料屬性。各零件的材料屬性由企業提供，基本屬性參數如下：密度7.85e?009t/mm3、彈性模量216800MPa、泊松比0.3。而焊縫是由各零件的材料和弧焊焊絲的材料共同組成，沒有明確的材料屬性，初步將焊縫的材料屬性定義為與零件的材料屬性相同。

完成有限元建模以及材料屬性的賦予后，設置自由模態求解工況，提交optistruct求解得到其自由模態結果，并與試驗模態進行比對，驗證有限元模型的準確性。

基于零件的材料屬性值采用控制變量法，分別改變焊縫的密度、彈性模量、泊松比的大小，然后進行求解計算模態，多次修改求解計算模態，并與初始值的模態結果進行比對，結果表明多次修改后的計算模態結果與初始計算模態結果相差較小，故焊縫的材料屬性采用初始值即可，即焊縫采用與零件的材料屬性相同。

2.4 試驗模態

利用LMS振動測試軟件及硬件設備通過錘擊法測試60%側靠背骨架的自由模態。首先通過橡皮筋將骨架懸吊起來，并用膠水粘上兩個三向加速度傳感器，如圖2所示。①表示骨架、②表示1號傳感器、③表示2號傳感器、④表示橡皮筋、⑤表示臺架。然后通過力錘激勵60%側靠背骨架，逐步完成58個測點的激勵，經過LMS.Test.lab采集數據并進行處理得頻率響應函數，最終通過Polymax算法對頻率響應函數處理，得到試驗模態。

圖2 模態試驗示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Modal Test

2.5 模態分析及修正

將前面有限元仿真得到的計算自由模態與模態試驗測試得到的試驗自由模態進行比對，計算出計算模態頻率相對于試驗模態頻率的誤差，驗證前五階模態的誤差是否小于5%，若小于5%則表明有限元仿真模型的準確性足夠高，滿足后續的仿真計算要求；若大于5%則需修正有限元仿真模型，例如修改各零件的網格尺寸、焊縫尺寸、位置等。初次仿真得到的計算模態與試驗模態進行比對，結果表明二者模態吻合度不高，相對誤差大多大于5%，故需要對有限元模型進行修正。由于對焊縫的模擬缺乏經驗，故對焊縫單元進行多次修正。焊縫的初次模擬僅僅只是根據60%側靠背骨架圖紙中對焊縫的標注進行模擬的，焊縫的長度以及位置與實際存在一定的偏差。因此通過測量60%側靠背骨架實物上每條焊縫的長度和位置，并根據企業工程意見，去掉焊縫首尾的起弧收弧，即焊縫的實際長度減去焊縫的起弧收弧得到焊縫的有效長度，根據焊縫的有效長度以及實測位置重新模擬每條焊縫。修正完所有焊縫后，再次對60%側靠背骨架進行自由模態計算，并將計算模態與試驗模態對比，結果表明二者吻合度有所提高，僅有少數階次頻率相對誤差低于5%。

再次對焊縫的長度進行修改，將實際焊縫的起弧收弧段也考慮到焊縫的總長度中，即根據測量的實際焊縫的總長度來模擬焊縫，對所有焊縫進行修正，計算修正后的60%側靠背骨架有限元模型的自由模態，將計算模態與試驗模態對比，可以看出二者吻合度提高了很多。將計算頻率與試驗頻率比對，結果如表1 所示。相對誤差百分比均小于5%，因此對于焊縫修正是正確的，焊縫的模擬方法是合理的，有限元建模方法是正確的，有限元模型滿足計算要求。

表1 計算頻率與試驗頻率Tab.1 Calculation Frequency and Test Frequency

3 靠背骨架靜強度分析

3.1 有限元建模

基于模態分析中有限元建模方法，建立完整的有限元模。完整的座椅骨架模型包括40%側和60%側，其中60%側骨架有限元模型已完成，只需按照60%側骨架的建模方法完成40%側骨架有限元模型，并對座椅骨架的腳支架進行建模。座椅骨架是采用螺柱與腳支架進行連接的，骨架可以繞腳支架旋轉。有限元建模中進行簡化，去掉螺柱，采用旋轉鉸的形式將二者連接起來，使骨架可以繞軸線旋轉。靜強度仿真有限元模型，如圖3所示，單元總數152085個，其中2D單元70795個，3D單元81290個，49條焊縫單元。

圖3 靜強度有限元模型Fig.3 Static Strength Finite Element Model

3.2 加載方式

根據GB15083?2006的規定，在靠背40%側和60%側骨架的質心沿水平向后施加相當于各自重量20倍的載荷。40%側靠背骨架質量為3.777kg、60%側靠背骨架質量為5.917kg，即在40%側靠背骨架質心處施加740N的載荷、在60%側靠背骨架質心處施加1160N 的載荷。通過hypermesh 確定質心的功能找到40%側靠背骨架和60%側靠背骨架的質心，將質心通過柔性連接與靠背鋼絲骨架進行連接，使骨架受力分布均勻。

3.3 約束方式

根據該座椅在車身上的實際安裝方式定義靜強度仿真中約束，分別在該座椅骨架的4個腳支架以及2個安裝鎖支架上施加6個自由度全約束。

3.4 靜強度仿真分析

根據加載和約束定義靜力工況，提交optistruct 求解。仿真分析應力云圖，如圖4 所示。從應力云圖可知最大應力為904.9MPa，超過了各個材料的屈服極限420MPa 和抗拉極限500MPa。查看應力水平較大的位置，發現應力較大的位置均位于彎管與支架焊接的焊縫單元的邊緣，圖4（b）示意其中一條焊縫，屬于局部應力集中現象，而其他位置應力分布較均勻，且未超過材料的屈服極限，根據工程經驗，可以認為該座椅骨架靜強度滿足國標靜態特性要求。

圖4 靜強度應力云圖Fig.4 Static Strength Stress Contour Plot

4 后排座椅骨架行李箱碰撞仿真

4.1 碰撞法規要求

4.1.1 試驗樣塊

GB15083?2006 中關于汽車后排座椅沖擊強度試驗對試驗樣塊的要求如下：尺寸（mm）為（300×300×300），棱邊倒角為20mm，質量為18kg，金屬薄壁殼體，自由放在地板上，試驗樣塊與靠背之間的距離為200mm，兩試驗樣塊分布在豎直縱向零平面兩側，相距50mm[10]。

4.1.2 加速度

國標GB15083?2006中對行李箱沖擊試驗的加速度以及速度要求如下：賦予整個碰撞仿真模型50km/h左右的初始速度，同時給座椅骨架施加一個滿足國標要求的減速度曲線。減速度曲線要求，最大減速度不小于20g，持續時間不低于30ms[10]。

4.2 碰撞仿真建模

首先基于前文的有限元建模方法，并根據座椅骨架主要承受沖擊的部位進行適當的簡化后，在hypermesh軟件建立的后排座椅靠背骨架行李箱沖擊仿真有限元模型，并在hypermesh軟件的LS?dyna模塊下進行碰撞仿真相關的參數設定。

4.2.1 試驗樣塊建模

根據國標要求建立兩個試驗樣塊模型，尺寸（mm）為（300×300×300），棱邊倒角為20mm，質量為18kg，金屬薄壁殼體，樣塊的x、y向坐標根據國標要求設定，自由放在地板上，試驗樣塊與靠背之間的距離為200mm，兩試驗樣塊分布在豎直縱向零平面兩側，相距50mm[10]。z向高度由該座椅生產公司提供的數據設定，424mm。

4.2.2 接觸關系定義

應用Hypermesh 軟件LS?dyna 模塊下接觸定義面板surface to surface接觸，將座椅靠背與剛性樣塊的接觸定義為“面對面”接觸。同時也將樣塊與地板、骨架自身零件之間的接觸定義為“面對面”接觸。

4.2.3 約束定義

根據該座椅在車身上的實際安裝方式確定碰撞仿真中的約束，靠背軀干角度27°，分別在該座椅骨架的4個腳支架以及2個安裝鎖支架上施加5個自由度約束，釋放x向的平動自由度。

4.2.4 加速度定義

中國新車評價規程（China?New Car Assessment Program）C?NCAP將在市場上購買的新車型按照比中國現有強制性標準更嚴格和更全面的要求進行碰撞安全性能測試，促進企業按照更高的安全標準開發和生產，使得產品的碰撞安全性更高。汽車企業普遍將C?NCAP作為企業產品開發的重要依據，而國家強制性標準是政府部門對汽車產品安全性的最低要求，因此企業的碰撞安全性標準大多比國家強制性標準更嚴格。應用企業標準研究座椅的碰撞安全性，對座椅的碰撞安全性要求更高，有利于提高其碰撞安全性。

按照企業標準進行行李箱碰撞仿真分析，結合國標要求，并基于企業的行李箱碰撞試驗工程經驗—給座椅施加加速度撞擊試驗樣塊，對碰撞的邊界條件進行一定的修改，只賦予座椅骨架一個滿足國標要求的加速度曲線，即讓座椅由靜止開始加速然后撞擊樣塊，加速度曲線，如圖5所示。一條曲線之間為國標加速度規定區域，另一條曲線為實際賦予的加速度曲線。

圖5 加速度曲線Fig.5 Acceleration Curve

4.3 碰撞仿真計算

在hypermesh軟件LS?dyna模塊下完成座椅靠背骨架行李箱碰撞仿真的所有設置后，碰撞仿真有限元模型，如圖6所示。包括座椅靠背骨架、樣塊、地板、R點前方100mm參考平面。碰撞仿真計算模型導出.k文件，提交到碰撞仿真軟件LS?DYNA中進行碰撞仿真計算。

圖6 碰撞仿真模型Fig.6 Impact Simulation Model

4.4 仿真結果分析

在LS?DYNA 中進行碰撞仿真計算可以得到座椅骨架撞擊剛性樣塊位移云圖、速度曲線以及位移曲線，如圖7所示。其中曲線A表示座椅骨架40%側變形量最大的一個節點的信息，曲線B表示座椅骨架60%側變形量最大的一個節點的信息，曲線C表示座椅骨架腳支架上的一個節點的信息。整個碰撞仿真過程時長120ms，最大速度14.2mm/ms，即51.12km/h，符合國標要求速度；在60ms時骨架與樣塊相撞，此時二者相對速度7.68mm/ms，即27.65km/h；105ms時骨架變形量最大，此時40%側骨架最大變形位置與R點前方100mm相距86mm，60%側骨架最大變形位置與R點前方100mm相距23mm，結果表明靠背骨架的最大變形量均未超過R點前方100mm參考平面，且靠背鎖仍保持原來位置，即靠背沖擊強度滿足國標動態特性要求。

圖7 碰撞仿真結果Fig.7 Impact Simulation Results

5 結束語

通過對某乘用車后排座椅靠背骨架進行模態分析、靜強度仿真分析、沖擊強度仿真分析，可以得出如下結論：

（1）相對于采用簡單的剛性連接模擬焊縫，采用五面體實體單元模擬座椅的焊縫更加合理，可以提高有限元模型的精度；研究焊縫的屬性以及尺寸可以準確的模擬焊縫，焊縫的準確模擬應用于有限元仿真中可以進一步提高模型的精度；

（2）進行座椅骨架模態分析驗證并修正有限元模型，使得模態對比誤差低于5%，提高了模型的精度，可以保證其他仿真的準確進行；

（3）依據國標要求進行靜強度仿真，可以分析靜載時座椅的應力分布，總體應力較小，靜強度滿足國標要求；

（4）依據國標要求，結合企業工程經驗，按照企業標準進行行李箱碰撞仿真，對座椅骨架的沖擊強度進行分析，結果表明骨架最大變形位置與R點前方100mm 相距23mm，未超過R點前方100mm參考平面，即靠背沖擊強度滿足國標要求；采用企業標準研究座椅的安全性，相對于國家標準來說可以提高座椅的安全性；

（5）以上有限元仿真方法同樣適用于其他類似座椅的仿真分析，其仿真分析結果可以指導工程實踐應用，應用仿真分析進行座椅研究可以節省研究成本。