梅一丹　嚴(yán)杰　劉盼　夏湯忠　李世澤

摘 要：依據(jù)法規(guī)GB 15083-2019《汽車座椅、座椅固定裝置及頭枕強度要求和試驗方法》，對帶座椅背板結(jié)構(gòu)車身進行行李動態(tài)沖擊仿真分析，并對仿真分析與試驗結(jié)果進行相關(guān)性分析。針對座椅背板結(jié)構(gòu)失效，在有限元仿真模型中引入Johnson Cook失效模型，來提高CAE分析結(jié)果與試驗的相關(guān)性。在對標(biāo)相關(guān)性良好的有限元模型基礎(chǔ)上，引入DOE 正交試驗矩陣，進行座椅背板結(jié)構(gòu)及連接螺栓等級的綜合優(yōu)化設(shè)計，確保車身結(jié)構(gòu)及座椅總成滿足行李動態(tài)沖擊法規(guī)試驗的要求。關(guān)鍵詞：座椅背板;行李動態(tài)沖擊;Johnson Cook失效分析;DOE正交試驗中圖分類號：U463.83+9.2 ?文獻標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）08-143-04

Abstract： According to the regulation GB 15083-2019 "Strength Requirements and Test method?of automobile seats，?their anchorages and any head restraints "， the dynamic impact simulation analysis of luggage on the body with seat backplane structure is carried out， and the correlation between simulation analysis and test results is analyzed. In order to improve the correlation between CAE analysis results and test results， Johnson Cook failure model is introduced into the finite element simulation model for seat backplane structure failure. On the basis of the finite element model with good standard correla?-tion， DOE orthogonal test matrix is introduced to carry out the comprehensive optimization design of seat backplane structure and connecting bolt grade， so as to ensure that the body structure and seat assembly meet the requirements of dynamic impact test of luggage.Keywords： Seat backplane; Luggage retention; Johnson Cook failure analysis; Doe orthogonal testCLC NO.： U463.83+9.2 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）08-143-04

1 引言

汽車被動安全性是汽車最為重要的一項整車性能指標(biāo)，座椅作為汽車的重要組成部分，其能在汽車碰撞過程中能給乘員提供決定性的保護作用。為防止在急剎車時因行李移動而傷害乘客，國家市場監(jiān)督管理總局推出強制法規(guī)GB 15083- 2019，該標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)內(nèi)容參考了歐洲經(jīng)濟委員會ECE?R?17《機動車座椅、座椅固定裝置及頭枕認(rèn)證的統(tǒng)一規(guī)定》。因車輛在高速行駛時突然急剎車，行李廂中的行李由于受到慣性力的作用會對后排座椅產(chǎn)生巨大的沖擊，如果后座椅靠背及安裝點強度不夠，行李移動的沖擊力會直接作用到后排座椅上，給后排乘客帶來嚴(yán)重的傷害[1]，所以后排座椅及頭枕系統(tǒng)的強度在一定程度上決定后排乘客的生命安全。

國外研究機構(gòu)開展了許多深入的研究工作，其中包括研究座椅安全帶固定點的強度，預(yù)測座椅骨架失效形式和采用參數(shù)化方法對座椅進行設(shè)計開發(fā)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化[2]。國內(nèi)的研究主要依據(jù)GB15083—2019《汽車座椅、座椅固定裝置及頭枕強度要求和試驗方法》法規(guī)要求，分析座椅骨架和頭枕的靜強度、頭枕吸能性和座椅靠背行李艙的沖擊強度，以及采用鋁鎂合金對座椅骨架進行輕量化設(shè)計[3]，但針對帶背板結(jié)構(gòu)的座椅的行李沖擊性能的研究參考論文并不多見。

本文根據(jù)行李位移乘客防護裝置的試驗方法，建立有限元模型，對某款帶座椅背板結(jié)構(gòu)的中級轎車進行行李沖擊碰撞仿真分析，并對CAE分析結(jié)果與試驗結(jié)果進行相關(guān)性分析，通過引入Johnson Cook材料失效模型，提高CAE分析結(jié)果與試驗結(jié)果的一致性。在基礎(chǔ)模型上，采用DOE正交設(shè)計試驗矩陣進行優(yōu)化方案迭代分析，給出了座椅背板結(jié)構(gòu)改進方案，解決了原方案因座椅背板強度偏弱，不滿足法規(guī)要求的問題。

2 行李艙動態(tài)沖擊試驗分析

2.1 行李動態(tài)沖擊試驗要求

根據(jù) GB 15083-2019 法規(guī)中的要求，將座椅固定在試驗臺車上， 同時確保將車體裝在臺車上的連接方式不對座椅靠背和隔離系統(tǒng)有所加強。并在行李艙地板上按圖1所示的位置擺放兩個撞擊塊，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的類型1撞擊塊參數(shù)要求：尺寸為 300mm ×300mm×300mm，所有邊棱倒圓角均為20mm，每個撞擊塊的質(zhì)量為18kg。試驗時將車體固定在試驗臺車上，臺車以一定的初速度（km/h）撞擊吸能器，試驗過程中吸能器提供給臺車的減速度參照圖2，加速度要求滿足法規(guī)規(guī)定的20g加速度持續(xù)至少30ms的要求。當(dāng)座椅在規(guī)定的使用位置時，構(gòu)成行李艙的座椅靠背或頭枕應(yīng)具有足夠的強度，以保護乘員正面碰撞中不因行李的前移而受到傷害。在試驗過程中及試驗后，若座椅靠背及其鎖止裝置仍保持在原位置，則認(rèn)為滿足要求。但在試驗期間，允許座椅靠背及其緊固件變形，條件是試驗靠背和/或頭枕部分的前輪廓不能向前移出一橫向垂面，此平面經(jīng)過：對頭枕部分，座椅R點前方150mm處的點;對座椅靠背部分，座椅R點前方100mm處的點[4]。

2.2 行李艙動態(tài)沖擊試驗結(jié)果分析

某中級轎車，在行李動態(tài)沖擊試驗后，座椅背板中間的兩個支架斷裂，同時對行李艙沖擊碰撞后的試驗結(jié)果進行分析，座椅靠背部分的位移已超出座椅R點100mm的平面，頭枕部分的位移也超出座椅R點150mm的平面，不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。初步分析，因沖擊塊在沖擊加速度的作用下直接沖擊后座椅背板中間的兩個支架，支架強度偏弱導(dǎo)致在試驗中支架結(jié)構(gòu)直接被撕裂拉脫，由于支架的撕裂導(dǎo)致座椅背板總成在沖擊能量的作用下的變形量增大，而導(dǎo)致鈑金焊點撕裂和左下螺栓脫出。本次試驗不滿足行李沖擊動態(tài)法規(guī)試驗的要求，為保證行李動態(tài)沖擊性能，需要對座椅及座椅背板進行系統(tǒng)性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化計。

3 行李沖擊有限元仿真分析

3.1 有限元模型

按照GB 15083-2019《汽車座椅、座椅固定裝置及頭枕強度要求和試驗方法》的要求，并基于非線性求解器建立行李沖擊CAE計算分析的有限元模型，如圖3。有限元模型包括白車身、座椅背板、座椅總成模型以及試驗沖擊塊總成。

3.2 CAE 仿真分析結(jié)果解析

首先不考慮材料及焊點失效，進行行李動態(tài)沖擊 CAE 計算分析。從CAE結(jié)果分析可以看出，座椅背板的最大應(yīng)力527MPa，最大應(yīng)變達到 12%，如圖4。根據(jù)失效判斷準(zhǔn)則，在該應(yīng)變狀態(tài)下，背板支架會出現(xiàn)斷裂失效問題。從能量角度分析，因座椅背板系統(tǒng)首先與沖擊塊接觸且在碰撞中為主要的吸能總成件，該子系統(tǒng)吸能占整個車身吸能的 30%。但因未考慮材料及焊點失效，CAE分析車身結(jié)構(gòu)的變形模式與試驗存在差異。

3.3 試驗結(jié)果與 CAE 結(jié)果相關(guān)性分析

對CAE結(jié)果及試驗結(jié)果進行相關(guān)性分析，根據(jù)碰撞分析的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，當(dāng)材料的應(yīng)變達到材料斷裂延伸率的20%時，相應(yīng)位置根據(jù)經(jīng)驗被判定為斷裂失效，根據(jù)原始模型的 CAE分析的應(yīng)變結(jié)果可以看出座椅背板支架已失效，與試驗的結(jié)果相符，但是無法直觀的給出支架斷裂，且支架斷裂是否對后續(xù)的沖擊結(jié)果有很大影響，在仿真分析中，未能模擬出焊點撕裂及螺栓斷裂的現(xiàn)象。因此基礎(chǔ)模型 CAE 分析結(jié)果與試驗的相關(guān)性無法接受。根據(jù)相關(guān)性分析要求，對有限元模型進行了修正，針對失效區(qū)域結(jié)構(gòu)的材料引入 Johnson Cook 失效模型。

3.4 引入 Johnson Cook 失效模型相關(guān)性分析

在有限元分析中，材料的失效參量是材料的行為描述的一個重要方面，材料的失效是一種具有復(fù)雜物理力學(xué)機制的現(xiàn)象，很多試驗研究表明材料的失效參量顯著的依賴于應(yīng)力狀態(tài)的三軸性、應(yīng)變率和溫度效應(yīng)等因素。Johnson Cook失效模型[5]?由于考慮因素比較全面，而且參數(shù)較容易獲得，因而在有限元中得到廣泛應(yīng)用。Johnson Cook 失效模型的基本理論方程為：

采用 Johnson Cook 失效模型進行行李沖擊座椅動態(tài)仿真分析，從模型的變形模式可以看出座椅背板支架在沖擊塊的沖擊能量的作用下，產(chǎn)生較大的沖擊變形，隨著沖擊能量的增加，支架上端在螺栓的剪切作用下撕裂失效。對行李沖擊的動態(tài)過程進行分析，在 57.5ms沖擊塊開始接觸座椅背板，隨著沖擊能量的增加，在 70 ms 座椅背板中間支架上端開始出現(xiàn)撕裂，因支架撕裂失去承載能力，座椅背板中間鈑金的變形不斷變大，在 80ms 中間背板與側(cè)邊兩鈑金的焊點開始出現(xiàn)撕裂。將仿真分析結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比分析，可以得出引入材料的Johnson Cook失效模型，計算分析得到的變形模式與試驗的相關(guān)性較好，如圖5。

4 優(yōu)化方案及試驗結(jié)果

4.1 優(yōu)化方案

針對座椅背板及車身結(jié)構(gòu)在行李動態(tài)沖擊試驗中出現(xiàn)的失效及有限元仿真分析的相對定量結(jié)果，進行座椅背板結(jié)構(gòu)及緊固件的綜合優(yōu)化改進。在對標(biāo)相關(guān)性良好的模型基礎(chǔ)上，通過各部件在動態(tài)沖擊中吸能及螺栓受力分析，首先對背板支架結(jié)構(gòu)進行局部優(yōu)化設(shè)計，引入DOE 正交試驗矩陣方法，進行背板總成零件材料、料厚及螺栓等級的綜合優(yōu)化分析。選擇背板中支架材料、厚度以及螺栓等級為分析的3個因素，每個因素定義2個水平，構(gòu)造出L4（23）正交表，見表1。根據(jù)正交表開展 CAE 仿真分析。

針對試驗中座椅背板中支架上端撕裂的問題，首先在螺栓位置不變的情況下，延長支架鈑金，增加支架抗剪強度。如圖6在結(jié)構(gòu)更改的基礎(chǔ)上，根據(jù)正交試驗矩陣進行材料和厚度的優(yōu)化迭代。優(yōu)化后，支架材料為E335D，厚度為 1.47mm。

（2）根據(jù)對行李沖擊過程中背板及座椅安全螺栓受力的提取及分析，并考慮生產(chǎn)總裝線方便性及效率，座椅背板與車身件的安裝螺栓采用 8.8 級M10，如圖 7。

4.2 優(yōu)化后白車身試驗驗證

依據(jù)優(yōu)化建議，準(zhǔn)備行李沖擊試驗白車身，根據(jù)螺栓等級要求打緊螺栓并確保擰緊力矩的符合性，在中汽研汽車零部件寧波實驗室進行行李沖擊試驗。新的車身結(jié)構(gòu)滿足行李動態(tài)沖擊試驗要求。

5 結(jié)論

本文針對某車型行李動態(tài)法規(guī)試驗不合格問題，展開了仿真分析，并對仿真分析結(jié)果與試驗結(jié)果進行了相關(guān)性分析，通過引入 Johnson Cook 失效模型，獲得仿真與試驗結(jié)果的良好相關(guān)性。在對標(biāo)良好的有限元模型基礎(chǔ)上，建立 DOE 試驗矩陣方案，根據(jù)試驗矩陣完成優(yōu)化方案的迭代計算，給出背板結(jié)構(gòu)及緊固件的優(yōu)化改進方案，并進行試驗驗證，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)滿足GB 15083-2019法規(guī)中對行李動態(tài)沖擊性能的要求。

參考文獻

[1] 張科峰，劉剛，顏長征.乘用車移動行李對后排座椅撞擊試驗研究.機械研究與應(yīng)用，2011?第2期.

[2] 符大興，李海，譚園芳.汽車座椅動態(tài)試驗CAE分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，汽車實用技術(shù)開發(fā)研究，2011（7）.

[3] 張君媛，黃炫，田迪斯.汽車正撞時后排座椅安全性的CAE分析與改進設(shè)計，汽車工程，2011（9）.

[4] GB15083—2019《汽車座椅、座椅固定裝置及頭枕強度要求和試驗方法》.

[5] 陳剛，陳忠富，陶俊林等.45鋼的Johnson-Cook失效參量.中國力學(xué)學(xué)會學(xué)術(shù)大會，2005.