汽车后座椅骨架行李冲击分析与结构优化

明宇

(奇瑞汽车股份有限公司汽车工程研发总院预研与基础技术研究院，安徽芜湖 241009)



汽车后座椅骨架行李冲击分析与结构优化

明宇

(奇瑞汽车股份有限公司汽车工程研发总院预研与基础技术研究院，安徽芜湖 241009)

摘要：为减少交通事故中行李块冲击引起的后排乘员伤亡，设计安全可靠的后排座椅骨架结构，使之通过ECE R17法规标准是当前后排座椅设计的基本要求。以某汽车后排座椅骨架为研究对象，建立其精确的CAD模型，按照ECE R17法规要求，运用非线性有限元方法对其进行仿真研究。计算结果表明座椅骨架及固定安装支架存在两个问题：(1)该分体式座椅骨架吸能和抗变形能力严重不足；(2)座椅骨架固定点连接支架不够牢固，在冲击工况下易脱落。根据试验及仿真结果，提出改变该分体式座椅骨架为整体式座椅骨架，提高座椅骨架的整体刚度，增强抗变形能力；中部安装支架采用整体式结构，其余安装支架结构不变，厚度增加0.5 mm。 通过对改进方案进行分析验证，表明改进后方案抗变形能力优于分体式结构，满足法规要求。

关键词：后排座椅；行李冲击；碰撞安全；仿真分析

0引言

在交通事故中，汽车后排座椅将会受到行李块的巨大冲击载荷，座椅骨架结构往往产生变形甚至断裂，增加后排乘员的伤亡事故。因此后排座椅作为降低乘员损伤的安全部件，首先要能够保证车辆在碰撞时后排乘员具有一定的生存空间，防止其他车载体(如行李等)进入到生存空间，且能确保乘员在碰撞事故发生时保持一定姿态，防止后排乘员向前排发生二次撞击。因此ECE R17法规明确规定后排座椅的行李冲击强度的要求，导致了用传统方法设计开发的座椅质量和成本的增加。关于汽车座椅的安全性，当前的研究方向主要有碰撞过程中座椅系统对乘员承受能量的分散作用、新型材料和新加工成型技术的应用对座椅性能的影响，以及质量、成本的节约问题等[1-3]。

文中以某汽车后排座椅为研究对象，建立该座椅骨架的精确三维CAD模型，按照ECE R17法规要求，进行非线性有限元分析，依据分析结果给出改进方案，并对改进方案进行分析验证，表明改进方案满足法规要求。

1汽车座椅CAD模型的建立

座椅由许多零件组装而成，建模前需要对座椅的整体结构进行分析，确定各个零件对强度特性的影响，根据影响程度的不同对零件进行筛选。座椅的坐垫与靠背属分开式结构，行李冲击只对座椅靠背有影响，与坐垫部分无关[4-7]，因此在进行强度分析时，只需对座椅靠背进行几何建模。座椅靠背承受外部载荷时，主要受力部件是靠背骨架，骨架表面的蒙皮及软垫等覆盖物对外部载荷贡献量很少，基本上不能承受外部载荷。软垫及蒙皮的形状往往复杂且不规则，如果对软垫及蒙皮结构进行几何建模，不仅增加无谓的工作量，而且对后续强度分析结果影响不大，因此几何建模时不考虑软垫和蒙皮。基于以上分析，建立的座椅骨架的三维CAD精确模型如图1所示，座椅骨架主要由靠背钢管、靠背钢丝、闭锁机构、外支架及中支架等组成。靠背钢管材料为Q235B,规格为φ25×1.5；靠背钢丝材料为Q235B,规格为φ5；座椅上闭锁机构支架材料为ST12，料厚为2.0 mm；车身上闭锁结构连接支架材料为B210P1,料厚为1.6 mm；下安装点支架材料为ST12，料厚1.5 mm；中心支撑架材料SPHE,料厚2.5 mm。

图1　座椅骨架CAD模型

2汽车座椅冲击强度分析

2.1计算工况与载荷

根据ECE R17法规，模拟条件如图2所示，将2个质量为18 kg的刚性行李块放置于行李舱的地板上。为确定纵向安放图2所示刚性行李块的位置，应先将行李块放置在座椅靠背后部，其前部与座椅靠背接触，然后沿平行于车辆的纵向中心方向往后移动，直至其移动200 mm的水平距离[8]。车辆纵向中性面与刚性模块内侧边缘的距离应为25 mm，以使两刚性模块之间有50 mm的距离。发生碰撞前，刚性模块以50 km/h的初速度作减速运动，减速度为20g。计算后得，发生碰撞时的冲击速度为10.84 km/h。

图2　行李块摆放位置

试验过程中及试验后，如果座椅以及闭锁装置仍保持在原位置，则认为满足试验结果要求。在试验期间允许座椅靠背及其紧固件变形，条件是试验靠背和头枕部分的前轮廓不能向前方超出一横向垂面(如图3所示)，此平面经过座椅R点前方150 mm处的点(对头枕部分)与座椅R点前方100 mm处的点(对座椅靠背部分)。

图3座椅R点前方横向平面

2.2座椅冲击强度有限元模型建立

将座椅骨架CAD三维精确模型通过有限元软件的接口无缝导入有限元软件中，有效避免模型在导入过程中特征丢失问题。ECE R17法规对后排座椅行李块冲击试验是大变形、破坏性试验，因此与之对应的碰撞有限元强度分析需要消耗大量的计算机资源，故有必要对座椅模型做适当简化。座椅骨架主要由钢管和钢丝焊接而成，这种结构适合建立梁单元和壳单元组合的有限元模型，采用B31单元模拟靠背钢丝，采用S4板壳单元模拟靠背钢管。在有限元计算中对焊接的模拟主要有刚性杆单元连接法、公用节点法和公用单元连接法。文中采用刚性杆单元连接法，即在焊点位置采用无质量的刚性杆单元将对应位置的2个节点连接起来，刚性的杆单元约束所连接的节点，使其具有相同的自由度，以模拟实际焊点的焊接功能。闭锁机构与车身连接支架间的螺栓连接，采取C3D81单元进行实体建模。靠背钢管下部与车身支架连接的螺栓同样采取C3D81单元的实体建模。

根据ECE R17法规，将座椅冲击有限元模型中的行李块定义为300 mm×300 mm×300 mm、一切边棱倒圆角为20 mm的薄壁金属壳体，在实际碰撞过程中，行李块以刚体形式存在, 因此将行李块定义为刚性体, 其惯性中心与几何中心重合。有限元碰撞模拟计算中模型间接触关系的定义很重要。在碰撞时, 由于接触边界的不断变化，必须不断地对接触面进行搜索。座椅靠背与刚性模块的接触采用面对面接触方式, 即利用软件提供的surface to surface 接触, 对靠背后部表面和刚性模块侧面之间的接触做定义。为了更好地模拟实际情况，将座椅行李块冲击模型放到白车身内进行模拟仿真分析。图4为座椅行李块冲击有限元模型。

图4　座椅行李块冲击试验有限元模型

2.3计算结果分析

图5　座椅骨架及头枕最大位移图

由仿真结果可以发现：座椅骨架60%部分变形最大，其最大变形位移超过标准规定的R点100 mm处的横向平面，与冲击试验过程中座椅骨架受冲击载荷而产生的严重变形吻合，不满足ECE R17法规要求。图5为座椅骨架及头枕在碰撞变形最大时的位移图。

座椅骨架中心支撑架的仿真结果最大应力值为545.2 MPa，超出SPHE材料的屈服极限462.7 MPa，最大应力集中区域主要分布在支架与车身的焊点连接处，与实际试验时该处固定点撕裂相似，如图6(a)所示。与60%靠背骨架连接的上安装支架的最大应力值为536.5 MPa，超出ST12材料的屈服极限428.5 MPa，最大应力区域分布在闭锁机构的螺栓连接处，与实际试验该点拉脱吻合，如图6(b)所示。60%靠背骨架的下闭锁机构与车身连接支架的仿真结果与上支架相似，最大应力区域出现在螺栓及焊点连接区域，最大应力值为517.7 MPa，超出支架材料ST12的屈服极限428.5 MPa,如图6(c)所示。与40%靠背骨架连接的车身上下安装支架没有出现最大应力超过屈服极限现象。

3结构改进及仿真验证

3.1改进方案

根据试验及仿真结果，座椅骨架60%与40%两部分中60%部分承受较大的冲击载荷，而40%部分对载荷的贡献量较小。为了让40%部分也能起到分担载荷作用，改变分体式座椅骨架为整体式座椅骨架，提高座椅骨架的整体刚度，增强抗变形能力。改进方案如图7所示。为适应新的座椅骨架，中部安装支架采用整体式结构，如图8所示，其他安装支架结构不变，厚度均增加0.5 mm。

图7　整体式座椅骨架

图8　中心支撑架

3.2改进方案仿真验证

将改进后的整体式座椅骨架方案CAD模型导入有限元软件重新建模和加载分析，分析结果表明：在行李块冲击载荷作用下，座椅骨架的最大变形没有超出R点规定的横向平面，满足ECE R17法规对座椅冲击的试验要求，如图9(a)所示。座椅骨架及安装支架的最大应力值为289.3 MPa，符合材料屈服极限要求，如图9(b)所示。

图9　整体式座椅骨架最大变形时的应力云图

4结论

以某汽车后排座椅骨架为例，建立其精确的CAD模型，按照ECE R17法规要求，运用非线性有限元方法对其进行仿真研究。实际冲击试验与仿真结果表明该分体式座椅骨架的40%部分对冲击载荷的贡献量较小。为了让40%的部分座椅骨架起到分担载荷作用，改变分体式座椅骨架为整体式座椅骨架，以提高座椅骨架的整体刚度，增强座椅骨架的抗变形能力。通过对改进方案的分析验证，表明改进后方案抗变形能力优于分体式结构，满足法规要求。座椅骨架及安装支架的最大应力值都低于材料的屈服极限，符合结构件强度要求。

参考文献:

【1】徐中明,郝炜雅,张志飞,等.汽车座椅强度及碰撞仿真分析[J].重庆大学学报，2009(5)：512-515.

【2】贺亮,史庆春,朱思洪,等.拖拉机安全驾驶室强度非线性有限元分析[J].农业工程学报，2009(9)：100-104.

【3】王宏雁,张丹.汽车座椅有限元建模与计算[J].同济大学学报,2004,32(7):947-951.

【4】张道林,杨维平.基于人机工程学的轻卡驾驶室座椅设计方法[J].重庆工学院学报：自然科学版,2008,22(9):20-24.

【5】MOZAFFARIN A,PANKOKES,WOLFELHP.An Active Dummy for Determing Three-directional Transfer Functions of Vehicle Seats and Vibration Exposure Ratings for the Seated Occupant[J].International Journal of Iindustrial Eergonomics,2008(5):471-482.

【6】郭西雅,孟翔.基于ADAMS的汽车座椅冲击强度的仿真研究[J].陕西科技大学学报,2007,25(2):100-104.

【7】SCHMID S M.Deaths Among Drivers and Right-front Passengers in Frontal Collision[J].Traffic Injury Prevention,2008,9(1):48-58.

【8】ECE REG.17-Rev.4-Uniform Provisions Concerning the Approval of Vehicles with Regard to the Seats,Their Anchorages and Any Head Restrains[S].

Luggage Impact and Structure Optimization for Rear Seat Frame of Automobile

MING Yu

(CAE Department Fatigue Simulation Section,AERI of Chery Automobile Co.,Ltd., Wuhu Anhui 241009,China)

Abstract:To reduce the rear occupant casualities in traffic accidents caused by the impact of luggage block, it is necessary to design a safe and reliable rear seat frame structure and meet regulations and standards by ECE R17. Taking a car rear seat frame as study object, its precise CAD model was established. According to ECE R17 regulations, the nonlinear finite element method was used to simulate and study the object.The finite elements results show that there are two problems: firstly, energy absorption and resistance to deformation of the split seat frame is serious short; secondly, fixed-point connection bracket of the seat frame is not strong enough and easy to fall off in shock conditions. In order to improve the overall stiffness and resistance to deformation of the seat frame, an overall split seat frame instead of the split seat frame was proposed. Center support bracket was the overall structure and the rest mounting bracket structure was unchanged, but the thickness was all increased 0.5 mm. Through the analysis of the improvement program, the results demonstrate that deformation resistance of improved scheme is superior to the split structure and meet regulation requirements.

Keywords:Rear seats；Luggage impact；Crash safety; Simulation analysis

收稿日期：2015-10-17

作者简介：明宇(1983—)，男，硕士，工程师，主要从事汽车底盘CAE方面的研究。E-mail:mingyu@mychery.com。

中图分类号:U463.83+6

文献标志码：A

文章编号：1674-1986(2016)01-012-04