張泳華

(同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201805)

0 引言

針對(duì)項(xiàng)目開發(fā)過程中遇到的后排頭枕強(qiáng)度試驗(yàn)失效問題，采用LS-DYNA有限元方法對(duì)實(shí)驗(yàn)失敗原因進(jìn)行分析。通過在仿真環(huán)境中再現(xiàn)試驗(yàn)失效模式，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證物理實(shí)驗(yàn)順利通過，解決了項(xiàng)目開發(fā)過程中遇到的問題，完成了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1 試驗(yàn)設(shè)置

根據(jù)美國標(biāo)準(zhǔn)FMVSS 202A中對(duì)座椅頭枕強(qiáng)度的要求，作者對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了試驗(yàn)設(shè)置，具體試驗(yàn)設(shè)置如圖1、圖2所示。

圖1 頭枕強(qiáng)度試驗(yàn)加載過程

頭枕強(qiáng)度FMVSS 202A試驗(yàn)，加載過程(見圖1)描述如下：

第1步：在模擬人體靠背的假背上加載373 N·m的扭矩，此時(shí)假背和座椅靠背緊貼。

第2步：用一個(gè)直徑165 mm的半球模擬人的頭部，以垂直于假背軀干線的角度加載37 N·m的扭矩。

第3步：作用于假頭上的扭矩從37 N·m增大到373 N·m。

第4步：作用于假頭上的扭矩減小到0，然后再增大到37 N·m。

第5步：作用于假頭上的扭矩減小到0，最后再加載集中力890 N，試驗(yàn)結(jié)束。

圖2 頭枕強(qiáng)度物理試驗(yàn)(美標(biāo)FMVSS 202A法規(guī))

如圖3 所示，在頭枕強(qiáng)度試驗(yàn)(FMVSS 202A)測(cè)試中，后排座椅掛鉤鋼絲由于變形太大，在規(guī)定的載荷沒有達(dá)到的情況下，滑出了車身安裝支架限制區(qū)域，導(dǎo)致試驗(yàn)失敗。初步分析試驗(yàn)圖片，得出后排座椅骨架剛度不夠，導(dǎo)致掛鉤鋼絲變形過大。由于試驗(yàn)在國外試驗(yàn)室進(jìn)行，無法根據(jù)試驗(yàn)后的樣件作進(jìn)一步的分析，故而需要在仿真環(huán)境中先再現(xiàn)失敗的試驗(yàn)現(xiàn)象，然后對(duì)解鎖原因作進(jìn)一步分析，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終通過試驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果，完成結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)變更。

圖3 頭枕強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，發(fā)生后排座椅固定掛鉤滑脫區(qū)域

2 仿真分析

2.1 仿真模型的設(shè)置

使用有限元軟件LS-DYNA進(jìn)行求解，后處理用HyperWorks軟件進(jìn)行仿真結(jié)果分析。

模型設(shè)置如下(如圖4、圖5所示)：鈑金件采用殼單元模擬，座椅發(fā)泡采用四面體單元模擬，鋼絲采用一維的梁?jiǎn)卧M，加載用的假背和假頭使用剛體模擬。加載方法為強(qiáng)制運(yùn)動(dòng)緩慢加載，有限元求解方法為顯示算法。

圖4 頭枕強(qiáng)度試驗(yàn)仿真模型工況設(shè)置

圖5 仿真模型中掛鉤尺寸

2.2 仿真結(jié)果分析 (物理試驗(yàn)失效模式，仿真環(huán)境再現(xiàn))

根據(jù)仿真結(jié)果(后排座椅掛鉤區(qū)域)分析如表1所示。

表1 后排座椅掛鉤區(qū)域原始設(shè)計(jì)分步仿真結(jié)果分析

通過對(duì)座椅頭枕的有限元建模，成功復(fù)現(xiàn)了物理試驗(yàn)解鎖的結(jié)果(圖2)，出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域和現(xiàn)象完全一致，可以認(rèn)為當(dāng)前的有限元模型能夠比較完整地模擬這一試驗(yàn)。基于該有限元模型進(jìn)行的進(jìn)一步分析結(jié)果，可以用來分析此次試驗(yàn)失效的原因，并且可以作為進(jìn)一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)模型。

此案例中后排座椅靠背掛鉤鋼絲滑出支架限制區(qū)域，是由于座椅骨架剛度不夠引起的。但是具體是哪個(gè)區(qū)域剛度不夠引起最終的變形過大，并導(dǎo)致鋼絲滑出，需要作進(jìn)一步的分析，并找到解決方案。仔細(xì)分析有限元仿真結(jié)果，作者發(fā)現(xiàn)此案例中的座椅骨架主要為鋼絲結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)可以有效降低整個(gè)座椅的質(zhì)量，但卻存在局部剛度不夠的缺陷。分析整個(gè)力的傳遞過程，發(fā)現(xiàn)中央鋼絲的大變形使得在掛鉤鋼絲區(qū)域產(chǎn)生了一個(gè)向上的合力，最終使得掛鉤鋼絲滑出支架限制區(qū)域(如圖6所示) 。

圖6 原始設(shè)計(jì)方案力的傳遞路徑圖

因而設(shè)想，通過變更掛鉤鋼絲形狀，使得由座椅骨架傳遞過來的作用力產(chǎn)生向下的分力，初步的設(shè)計(jì)變更方案如圖7所示。

圖7 變更前后掛鉤鋼絲形狀

對(duì)基礎(chǔ)有限元模型變更掛鉤鋼絲設(shè)計(jì)后，重新計(jì)算得出如表2所示的結(jié)果。

表2 變更掛鉤鋼絲設(shè)計(jì)后有限元分析結(jié)果

續(xù)表2

經(jīng)過初步驗(yàn)證，初步設(shè)計(jì)變更方案可以滿足美國法規(guī)FMVSS 202A中對(duì)于后排座椅頭枕的強(qiáng)度要求。

由于采用了顯示算法來對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)的加載過程進(jìn)行有限元求解，計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)于快速優(yōu)化結(jié)構(gòu)不太有利。為了進(jìn)行快速迭代計(jì)算，作者選擇工況更加惡劣、但是計(jì)算時(shí)間較短的后空碰工況，對(duì)座椅骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。詳細(xì)設(shè)置及仿真結(jié)果詳見下一節(jié)。

2.3 仿真工況簡(jiǎn)化：快速迭代計(jì)算

2.3.1 后空碰工況

加載曲線為圖8所示的峰值超過25g的加速度曲線，有限元模型為座椅靠背骨架總成，包含靠背發(fā)泡、座椅頭枕及模擬車身安裝環(huán)境的夾具。加載曲線作用于用于模擬車身環(huán)境的夾具上，方向?yàn)檐囕v前進(jìn)方向(-X方向)。座椅靠背和夾具的連接方式為螺栓連接加掛鉤鋼絲掛于支架限制區(qū)域處。

經(jīng)過計(jì)算，仿真結(jié)果分析如表3所示。

經(jīng)過對(duì)比頭枕強(qiáng)度工況和后空碰工況仿真結(jié)果，發(fā)現(xiàn)初步設(shè)計(jì)變更方案可以滿足頭枕強(qiáng)度要求，卻無法滿足后空碰工況要求。出于對(duì)整個(gè)產(chǎn)品可靠性的考慮，該初步設(shè)計(jì)變更方案無法滿足設(shè)計(jì)要求，需在此基礎(chǔ)上做進(jìn)一步的優(yōu)化，以滿足所有工況要求。

后排座椅掛鉤區(qū)域變形圖(初步設(shè)計(jì)變更方案)后空碰仿真結(jié)果分析加載起始階段，掛鉤鋼絲處于支架限制區(qū)域底端，沒有滑出風(fēng)險(xiǎn)隨著加載慢慢進(jìn)行，掛鉤鋼絲開始沿著支架限制區(qū)域向上滑動(dòng)當(dāng)加載達(dá)到加速度峰值區(qū)域時(shí)，掛鉤鋼絲已經(jīng)向上滑動(dòng)到支架限制區(qū)域的上部頂端。說明在后空碰工況下，初步設(shè)計(jì)變更方案依然發(fā)生掛鉤鋼絲滑出支架限制區(qū)域情況，存在后空碰試驗(yàn)失敗風(fēng)險(xiǎn)

2.3.2 后空碰工況下多種假設(shè)方案驗(yàn)證

基于對(duì)后排靠背骨架變形過程中力的傳遞路徑判斷，雖然初步設(shè)計(jì)變更方案中在力的傳遞末端，通過掛鉤鋼絲的本身變形，產(chǎn)生了一定的向下作用力，可以順利通過頭枕強(qiáng)度試驗(yàn)，但在更加惡劣的后空碰工況下，掛鉤鋼絲本身變形已經(jīng)不足以產(chǎn)生足夠的向下作用力來平衡向上的作用力，故該設(shè)計(jì)方案無法通過后空碰工況。因此，下面的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，應(yīng)把方向放在如何直接將骨架鋼絲變形傳遞過來的作用力直接轉(zhuǎn)化為合力向下的作用力上，防止掛鉤鋼絲滑出支架限制區(qū)域，保證掛鉤鋼絲區(qū)域不發(fā)生解鎖現(xiàn)象，順利完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)和優(yōu)化。

經(jīng)過有限元仿真計(jì)算得到如下分析結(jié)果，并將結(jié)果對(duì)比如表4所示。

2.4 多工況仿真后小結(jié)

綜上所述，經(jīng)過多輪仿真分析，基于力傳遞路徑推算出設(shè)計(jì)薄弱區(qū)域，通過仿真假設(shè)的方案進(jìn)行矩陣求解，同時(shí)考慮工藝和生產(chǎn)成本及減重等因素，通過LS-DYNA有限元仿真軟件成功再現(xiàn)了失效試驗(yàn)，并提出多種仿真假設(shè)，成功得到了最終設(shè)計(jì)方案。在仿真的環(huán)境中，滿足了多種工況要求。經(jīng)過仿真優(yōu)化的最終方案的力傳遞路徑如圖9所示。下一步需要進(jìn)行物理試驗(yàn)驗(yàn)證該方案的可行性。

表4 幾種方案的比對(duì)

續(xù)表4

圖9 仿真優(yōu)化的最終方案的力傳遞路徑

3 物理試驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果

通過基于LS-DYNA的有限元仿真，成功優(yōu)化出了最終狀態(tài)的結(jié)構(gòu)，并制造出樣件進(jìn)行了后空碰和頭枕強(qiáng)度工況的試驗(yàn)校核。最終狀態(tài)的掛鉤鋼絲結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 最終狀態(tài)的掛鉤鋼絲結(jié)構(gòu)

經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，最終試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果相一致(如圖11所示)。通過有限元仿真分析，成功找到了導(dǎo)致頭枕強(qiáng)度試驗(yàn)失效的原因，并通過仿真分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了減少物理實(shí)驗(yàn)次數(shù)、降低開發(fā)成本、加快開發(fā)進(jìn)度的目標(biāo)。

圖11 最終試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

通過此案例中對(duì)后排頭枕強(qiáng)度的試驗(yàn)，進(jìn)行失效模式的仿真再現(xiàn)，成功利用LS-DYNA對(duì)掛鉤鋼絲的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。仿真過程中兼顧了多種工況快速迭代計(jì)算，綜合考慮了多種工況對(duì)于同一結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)影響。最終通過仿真優(yōu)化出最優(yōu)方案，并順利通過物理試驗(yàn)，并優(yōu)化了鋼絲焊接工藝，成功解決了物理試驗(yàn)中后排座椅掛鉤解鎖的工程問題。減少了多次重復(fù)試驗(yàn)的次數(shù)，實(shí)現(xiàn)了減重的設(shè)計(jì)目標(biāo)，加快了項(xiàng)目開發(fā)進(jìn)度。實(shí)現(xiàn)了仿真再現(xiàn)物理試驗(yàn)失效模式，進(jìn)而運(yùn)用仿真模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化并制造出物理樣件，最終成功運(yùn)用物理試驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果的閉環(huán)工程開發(fā)流程，是一次成功運(yùn)用有限元仿真技術(shù)解決實(shí)際工程問題的案例。

參考文獻(xiàn):

[1]趙海鷗.LS-DYNA動(dòng)力分析指南[M].北京：兵器工業(yè)出版社，2003.