嚴(yán)莉

湖北航天技術(shù)研究院特種車輛技術(shù)中心 湖北武漢 430040

1 前言

汽車座椅不僅為司乘人員提供乘坐的舒適性，而且應(yīng)在發(fā)生汽車追尾事故時(shí)，保證座椅頭枕能夠?qū)Τ藛T頸椎起到保護(hù)作用。2008年歐洲NCAP對(duì)25款新車首次進(jìn)行了汽車座椅碰撞安全測試，結(jié)果表明只有少數(shù)汽車能夠保護(hù)好乘員的頭部及頸椎。從2009年開始，車輛后方碰撞引起的頭頸部傷害也已納入歐洲NCAP成人安全保護(hù)評(píng)價(jià)項(xiàng)目[1]。我國也出臺(tái)了汽車頭枕強(qiáng)度法規(guī)GB 11550－2009來代替舊版的GB 11550－ 1995，對(duì)汽車座椅頭枕的要求進(jìn)一步提高，因此，對(duì)汽車座椅頭枕及骨架的仿真分析在開發(fā)新車型時(shí)具有積極的指導(dǎo)作用。

本文以某款專用汽車座椅為研究對(duì)象，按照GB 11550－1995標(biāo)準(zhǔn)，通過有限元分析軟件Hypermesh建立有限元模型，用LS－ DYNA進(jìn)行計(jì)算求解，針對(duì)計(jì)算結(jié)果，用Hyperstudy對(duì)模型進(jìn)行全析因試驗(yàn)設(shè)計(jì)，最終得出最佳設(shè)計(jì)方案。

2 座椅頭枕強(qiáng)度試驗(yàn)及有限元模型

2.1 座椅頭枕靜強(qiáng)度試驗(yàn)方法及要求

GB 11550－ 2009《汽車座椅頭枕強(qiáng)度要求和試驗(yàn)方法》對(duì)座椅頭枕靜強(qiáng)度試驗(yàn)方法簡介如下：

a.將相對(duì)R點(diǎn)產(chǎn)生向后373 Nm力矩的初始作用力作用在假背上，以確定移動(dòng)后基準(zhǔn)線；

b.在頭枕頂部向下65 mm處，通過直徑為165 mm的頭型，施加一個(gè)相對(duì)于R點(diǎn)產(chǎn)生的向后373 Nm的力矩；c.將第二步中的載荷進(jìn)一步增加至890 N。具體加載方法如圖1所示。

GB 11550－ 2009對(duì)座椅頭枕靜強(qiáng)度試驗(yàn)一般要求為：a.頭型后移量必須小于102 mm，同時(shí)檢查頭枕有無破損；b.進(jìn)一步將載荷加載至890 N時(shí)，座椅不被破壞[2]。

2.2 汽車座椅有限元模型

將CATIA所建立的座椅集合模型導(dǎo)入到Hypermesh中的dyna模塊中進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，并且根據(jù)GB 11550－2009對(duì)座椅頭枕試驗(yàn)要求建立有限元仿真模型，模型殼單元尺寸控制在8 mm，三角形單元控制在5%以內(nèi)，并通過關(guān)鍵字“*CONTROL_HOURGLASS”增加單元附加剛度控制縮減積分單元的沙漏問題[3]。有限元模型如圖2所示。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 移動(dòng)后移量的確定

相對(duì)R點(diǎn)產(chǎn)生向后373 Nm力矩的初始作用力作用在假背上后，將模型導(dǎo)入Dyna，計(jì)算后結(jié)果如圖3所示。借助圖標(biāo)數(shù)字化軟件Getdata測出頭型后移量為76.2 mm，小于GB 11550－ 2009規(guī)定的102 mm，符合要求。

3.2 座椅頭枕及骨架強(qiáng)度

進(jìn)一步將作用于頭枕的載荷加載至890 N，待座椅變形穩(wěn)定后觀察座椅變形情況。從圖4中可以看出，頭枕彎管vonmiss最大應(yīng)力為291.1 MPa，超過了其材料Q235的屈服極限235 MPa，且座框彎管處變形較大，局部最大vonmiss應(yīng)力為221.6 MPa，也超過了其材料Q195的屈服極限195 MPa，座框彎管局部應(yīng)力圖如圖5所示，可見，座椅骨架強(qiáng)度達(dá)不到GB 11550－ 2009的要求。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

座椅彎管以及頭枕彎管強(qiáng)度不夠，有可能是其自身強(qiáng)度不夠，但也不排除是受座椅其他受力較大部件影響而導(dǎo)致，故選取座椅骨架上述敏感部件進(jìn)行DOE分析，找出影響最大部件并改進(jìn)。

4.1 靜力分析有限元建模

本文采用Hyperstudy作為優(yōu)化軟件，由于用動(dòng)力分析做優(yōu)化過于耗時(shí)（即用LS_dyna作為Hyperstudy優(yōu)化的求解器），故考慮采取靜力分析，即用Radioss作為求解器。建模時(shí)，僅在座椅頭枕彎管中心處加載垂直于頭枕彎管的大小為890 N的力，用于模擬試驗(yàn)最后階段，建立完成的有限元模型如圖6所示。

由于靜力分析計(jì)算時(shí)不包括頭枕泡沫及頭型，僅直接將力施加在頭枕彎管上，且根據(jù)以往計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，靜力分析結(jié)果中的vonmiss應(yīng)力值比實(shí)際情況偏大，故靜力分析結(jié)果的應(yīng)力值會(huì)明顯偏大。

4.2 DOE分析

通過觀察座椅骨架應(yīng)力分布，發(fā)現(xiàn)在頭枕彎管、座框大彎管、靠背邊板以及調(diào)角器上板處的應(yīng)力較大，故將它們的厚度作為試驗(yàn)設(shè)計(jì)變量，以座框彎管應(yīng)力最大單元的應(yīng)力值與頭枕彎管應(yīng)力最大單元的應(yīng)力值之和最小為優(yōu)化目標(biāo)，并對(duì)其做精度較高的全析因試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以找到對(duì)目標(biāo)優(yōu)化影響最大的變量[4]。為提高效率，同時(shí)保證精度，每個(gè)因素選取2個(gè)水平。各個(gè)變量對(duì)目標(biāo)的影響結(jié)果如圖7所示，圖中直線斜率代表影響程度，斜率越大，則影響程度越大。

從圖7可以看出，頭枕彎管（圖中綠色線條）、座框大彎管（圖中紫色線條）對(duì)目標(biāo)的影響最大，且厚度越大，目標(biāo)值越小?？勘尺叞搴穸龋▓D中藍(lán)色線條）以及調(diào)角器上板厚度（圖中紅色線條）對(duì)目標(biāo)幾乎沒有影響。因此增加頭枕彎管和座框大彎管厚度可最大程度地增加座標(biāo)的強(qiáng)度。

4.3 動(dòng)力分析計(jì)算及分析

將座框大彎管厚度設(shè)為2.5 mm，并將頭枕彎管厚度由2 mm改為3 mm，再次進(jìn)行動(dòng)力分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖8所示。頭枕彎管處最大vonmiss應(yīng)力為222 MPa，座框彎管最大vonmiss應(yīng)力為195 MPa，均在屈服強(qiáng)度以內(nèi)，可見改進(jìn)后的座椅強(qiáng)度能夠達(dá)到國標(biāo)要求。

5 結(jié)束語

通過有限元軟件Hypermesh建立了座椅頭枕及骨架靜強(qiáng)度分析模型，并用Ls_dyna進(jìn)行求解，從結(jié)果可以看出，該座椅設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足。針對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了DOE分析，發(fā)現(xiàn)座椅頭枕彎管和座框大彎管的厚度對(duì)其強(qiáng)度的影響大于座椅其他部件，并針對(duì)試驗(yàn)結(jié)果提出改進(jìn)方案，通過對(duì)改進(jìn)方案的計(jì)算分析結(jié)果表明，改進(jìn)后的座椅結(jié)構(gòu)能滿足座椅頭枕強(qiáng)度試驗(yàn)的國標(biāo)要求。

[1] 霍慶澤.歐洲NCAP將汽車座椅及頭枕碰撞結(jié)果納入新標(biāo)準(zhǔn)[J].汽車世界.2009(2):42-43.

[2] GB 11550－ 2009.汽車座椅頭枕強(qiáng)度要求和試驗(yàn)方法[S].

[3] 趙 海鷗.L S-DYNA動(dòng) 力分析指南 [M ].北 京:兵 器工業(yè)出版社,2003.

[4] 侯 淑娟.薄 壁構(gòu)件的抗撞性優(yōu)化設(shè)計(jì) [D ].湖 南大學(xué),2007.