羅建國,鄒 平,付愛軍
(柳州五菱汽車工業(yè)有限公司技術(shù)中心,廣西柳州545007)
座椅的安全性,是指汽車座椅能有效地在事故發(fā)生時(shí),最大限度地減輕對(duì)駕駛員及成員造成傷害的能力。座椅結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度或功能失效,可能會(huì)嚴(yán)重危及汽車駕、乘人員的生命安全。因此,針對(duì)座椅的安全性能,國家實(shí)施了一系列汽車座椅品質(zhì)強(qiáng)制檢測法規(guī)。
某型號(hào)標(biāo)準(zhǔn)中排座椅在進(jìn)行安全帶安裝固定點(diǎn)試驗(yàn)(GB14167-2006)時(shí),出現(xiàn)了座椅鎖止裝置失效,導(dǎo)致座椅一側(cè)在拉力作用下產(chǎn)生了嚴(yán)重的扭曲變形,不能滿足國家法規(guī)規(guī)定的要求。
本文是基于該型號(hào)標(biāo)準(zhǔn)中排座椅改進(jìn)項(xiàng)目而展開的。在對(duì)原座椅結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析后,利用有限元方法,結(jié)合Hypermesh和Ls-dyna分析軟件,對(duì)整個(gè)座椅結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元仿真分析,模擬了座椅安全帶固定點(diǎn)試驗(yàn)全過程,仿真結(jié)果準(zhǔn)確地顯示出座椅結(jié)構(gòu)失效的部位。通過對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析,確定了座椅結(jié)構(gòu)失效的原因。經(jīng)過優(yōu)化后,仿真和試驗(yàn)均表明,新的座椅結(jié)構(gòu)能夠滿足國家法規(guī)的要求。
基于UG三維軟件構(gòu)建的座椅骨架幾何模型如圖1所示。利用Hypermesh軟件建立了座椅有限元分析模型如圖2所示。
建模的基本原則是準(zhǔn)確性,為了保證計(jì)算精度,模型必須能夠如實(shí)反映座椅的幾何特性和力學(xué)性能[1]。因此建模時(shí)考慮了座椅各個(gè)零件對(duì)強(qiáng)度特性的影響,并根據(jù)影響程度的不同對(duì)零件進(jìn)行篩選和簡化[2]:保留了座椅骨架中主要的受力部件,而對(duì)外部載荷分配很少的蒙皮、軟墊、頭枕和鋼絲等部件,在有限元建模時(shí)不予考慮。
圖1 座椅主要部件
圖2 座椅CAE模型
單元類型的選取、網(wǎng)格尺寸的大小等因素,會(huì)直接影響有限元仿真的計(jì)算精度和效率,故在建模時(shí)需對(duì)座椅各部件進(jìn)行了區(qū)分,根據(jù)不同的部件采用了不同的單元進(jìn)行模擬:
對(duì)薄壁件和管狀結(jié)構(gòu)件,采用了薄殼(shell)單元;
對(duì)上滑軌、下滑軌、解鎖手柄導(dǎo)桿和鎖鉤等部件,采用了體(solid)單元;
座椅骨架之間的焊接和螺栓連接,分別則采用了約束(weld)單元和剛性(rigid)單元;
而座椅中的鉸接,則采用了轉(zhuǎn)動(dòng)鉸(revolute)單元。
標(biāo)準(zhǔn)中排座椅總成中,存在滑動(dòng)和鎖止裝置,以方便乘員進(jìn)入或使座椅中的一部分保持在某一使用位置上,這些因?qū)嶋H需要而咬合在一起的部件在載荷作用下,都會(huì)有力的傳遞作用,因此它們之間不能簡單地用約束單元進(jìn)行連接,而是需要通過接觸來模擬它們之間的作用力關(guān)系。
座椅是多部件結(jié)構(gòu)總成,當(dāng)座椅受到外載荷作用時(shí),各部件可能會(huì)因變形或扭曲而相互接觸,產(chǎn)生接觸力。故在仿真分析時(shí)必須要考慮這一因素,否則各部件變形時(shí),可能會(huì)相互穿透,產(chǎn)生不真實(shí)的結(jié)構(gòu)位移,導(dǎo)致分析結(jié)果出現(xiàn)較大的偏差。仿真分析時(shí),需對(duì)座椅設(shè)置一個(gè)總體單面接觸,用于檢測座椅所有結(jié)構(gòu)可能發(fā)生的接觸。
除此以外,系統(tǒng)總體接觸中有時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)一些局部區(qū)域發(fā)生接觸失效,所以對(duì)這些區(qū)域需要單獨(dú)設(shè)置局部接觸類型[3]。由于座椅總成中的滑動(dòng)和鎖止裝置在實(shí)現(xiàn)自身功能的情況下,還需傳遞載荷,是座椅系統(tǒng)中的主要傳載機(jī)構(gòu),也是座椅強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)最易產(chǎn)生問題的結(jié)構(gòu)區(qū)域,故本次仿真對(duì)座椅結(jié)構(gòu)中的滑動(dòng)和鎖止裝置,分別定義了局部雙面接觸。
本次座椅有限元仿真分析,以汽車安全帶安裝固定點(diǎn)(GB14167-2006)試驗(yàn)法規(guī)為依據(jù),模擬座椅在載荷作用下的變化過程。為了盡可能模擬準(zhǔn)確,加載時(shí)對(duì)座椅施加了法規(guī)規(guī)定的邊界載荷(如圖3所示)[4],即對(duì)上、下人體模型塊同時(shí)施加13500 N的載荷,載荷沿平行于車輛縱向中心平面并與水平線成向上5°~15°的方向施加;同時(shí)考慮座椅施加向前20倍自身凈質(zhì)量的載荷的影響;載荷持續(xù)0.2 s;座椅下端安裝孔施加全約束并使座椅處于最不利位置。
圖3 座椅載荷邊界
考慮到試驗(yàn)所用的上、下人體模塊幾乎不變形,故建模時(shí)定義人體模塊為剛性體;基于簡化原則,安全帶采用一維安全帶單元(seatbelt)和二維安全帶單元(shell)結(jié)合來模擬,并賦予實(shí)際安全帶單位長度質(zhì)量,以及用曲線定義織帶在加載和卸載條件下的受力與工程應(yīng)變的關(guān)系,真實(shí)地模擬安全帶的性能[5]。同時(shí)對(duì)安全帶與人體模塊建立了主從雙面接觸。
安全帶固定點(diǎn)試驗(yàn)是緩慢加載,屬于準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn),仿真分析時(shí)可采用顯式方法和隱式方法進(jìn)行求解。但是隱式求解對(duì)于靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)問題,涉及到接觸不穩(wěn)定和極其復(fù)雜的接觸問題時(shí),很難保證迭代穩(wěn)定收斂,而顯式方法則非常適用于求解各種復(fù)雜的接觸問題,比較容易收斂。只要積分時(shí)間步長小于所要求的臨界時(shí)間步長,就可以用于準(zhǔn)靜態(tài)分析。故本次仿真采用LS-DYNA顯式求解器進(jìn)行計(jì)算。
根據(jù)文獻(xiàn)[6],當(dāng)加載速度低于40 km/h時(shí),顯式計(jì)算值跟準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)很接近。因此本文采用的分析時(shí)間是250 ms,前100 ms線性增加負(fù)荷,之后的150 ms保持規(guī)定負(fù)荷。
有限元仿真分析結(jié)果表明,原座椅總成中的鎖止裝置在加載至規(guī)定負(fù)荷后發(fā)生失效。從動(dòng)態(tài)圖4所示可以看出,加載后,鎖鉤有向后逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)解鎖的趨勢;套管嚴(yán)重塑性變形;解鎖手柄導(dǎo)桿彎曲變形,并最終從套管內(nèi)直接滑出,導(dǎo)致鎖止裝置功能失效。
圖4 鎖止裝置失效過程
故從仿真計(jì)算結(jié)果可以看出原座椅結(jié)構(gòu)存在以下問題:
首先是解鎖手柄導(dǎo)桿約束端的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足,從圖5仿真結(jié)果塑性變形圖可以看出,套筒與鉸接孔焊接區(qū)塑性應(yīng)變達(dá)到0.304,套筒焊接端會(huì)嚴(yán)重變形或出現(xiàn)裂縫,這也與原座椅試驗(yàn)結(jié)果相吻合(如圖6所示);
圖5 原結(jié)構(gòu)10%塑性變形圖
圖6 原結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果
其次,座椅鎖止裝置的布局存在缺陷,即鎖鉤的旋轉(zhuǎn)中心與鎖止桿的相對(duì)位置布局不合理。由圖1座椅結(jié)構(gòu)顯示可知,鎖鉤與解鎖手柄導(dǎo)桿固連,手柄導(dǎo)桿可在套筒內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)、套筒與邊框孔焊接,鎖止桿鎖住鎖鉤,初始狀態(tài)如圖7所示。
圖7 原鎖鉤受力示意圖
當(dāng)載荷通過鎖鉤與鎖止桿的咬合,向下端固定位置傳遞載荷時(shí)的同時(shí),鎖鉤也會(huì)受到鎖止桿的反力F,從而使鎖鉤產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)力矩M,帶動(dòng)鎖鉤和手柄導(dǎo)桿在套筒內(nèi)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)解鎖,因此當(dāng)套筒與邊框鉸接孔的焊接剛度足夠時(shí),鎖鉤解鎖也會(huì)導(dǎo)致鎖止裝置功能失效。
因此,對(duì)座椅的改進(jìn),主要集中在提高套筒焊接端的強(qiáng)度,優(yōu)化鎖鉤受力狀態(tài),保證座椅在受到載荷時(shí),產(chǎn)生鎖鉤向前順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)鎖緊的趨勢。
通過對(duì)結(jié)構(gòu)失效部位進(jìn)行仔細(xì)分析和一系列仿真計(jì)算,調(diào)整鎖止結(jié)構(gòu)的布局,采用的優(yōu)化措施如圖8所示,即在鉸接孔外端增加圓環(huán),以防止解鎖手柄導(dǎo)桿脫出;在邊框內(nèi)置加強(qiáng)板,提高鉸接孔周邊的剛度;通過延長套筒,增加手柄導(dǎo)桿回轉(zhuǎn)接觸,減少導(dǎo)桿彎曲變形;優(yōu)化鎖鉤初始受力狀態(tài)和鎖鉤形式。
圖8 優(yōu)化結(jié)構(gòu)
對(duì)座椅鎖止裝置進(jìn)行優(yōu)化后,再經(jīng)過有限元仿真計(jì)算,表明優(yōu)化后的座椅結(jié)構(gòu)在安全帶固定點(diǎn)試驗(yàn)過程中不會(huì)失效。鎖止桿能有效地鎖住鎖鉤,鉸接孔周邊變形明顯改善,最大應(yīng)變僅有0.091,解鎖手柄導(dǎo)桿彎曲變形減少如圖9所示。
圖9 10%塑性變形圖
圖10 改進(jìn)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果
圖10所示的試驗(yàn)結(jié)果,同樣證明了優(yōu)化后的座椅結(jié)構(gòu)能夠滿足汽車安全帶安裝固定點(diǎn)(GB14167-2006)的試驗(yàn)法規(guī)要求。
通過對(duì)座椅試驗(yàn)的模擬仿真,明確了座椅結(jié)構(gòu)失效的原因,實(shí)現(xiàn)了對(duì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與改進(jìn),達(dá)到了座椅項(xiàng)目改進(jìn)的目的。有限元仿真技術(shù)不僅可用于指導(dǎo)座椅后期的結(jié)構(gòu)改進(jìn),也可以在座椅前期設(shè)計(jì)發(fā)揮更重要作用。在座椅概念設(shè)計(jì)階段,可以通過仿真手段有效地預(yù)測座椅結(jié)構(gòu)的相關(guān)性能狀態(tài),并快速地對(duì)各種方案進(jìn)行評(píng)估,選擇最優(yōu)結(jié)構(gòu),這樣可以縮短座椅開發(fā)的時(shí)間,降低開發(fā)試驗(yàn)的次數(shù)和成本。
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