某SUV行李箱冲击试验仿真分析及结构优化

2018-07-12张恒山王丽雪

汽车工程师 2018年4期

张恒山　王丽雪

（1.同济大学；2.中国第一汽车集团有限公司研发总院）

随着我国汽车工业的迅猛发展，道路上的汽车越来越多，交通事故造成了大量的人员伤亡及财产损失，因此汽车碰撞安全问题越来越引起人们的关注。在汽车碰撞事故以及急减速的过程中，行李箱中的行李由于惯性的原因会对后排座椅产生巨大的冲击，如果后排座椅骨架或固定点强度不足，行李移动的冲击力会给后排乘员带来严重伤害，因此，国家制定了强制性标准。GB 15083—2006《汽车座椅、座椅固定装置及头枕强度要求和试验方法》对后排座椅安全性能提出了明确的要求，用来防止行李移动危及后排乘员的生命安全[1]。文章通过对某SUV进行了行李箱冲击仿真分析，针对分析中出现的问题提出了多个方案进行对比，并对最优方案进行了实车验证，最终使该车型满足了法规要求。

1　行李箱冲击试验要求

根据GB 15083—2006中关于防止移动行李对乘员伤害的特殊规定，M1类车型需根据附录F进行行李箱冲击试验：将车体牢固地固定在试验台车上（将车体装在台车上的连接方式不应对座椅靠背有所加强）；座椅后方200 mm处放置2个试验样块，各试验样块内侧边缘距汽车纵向中心面25 mm，以使2个试验样块之间有50 mm的距离（如图1所示）；其中，试验样块尺寸为：300 mm×300 mm×300 mm；一切边棱倒圆角均为20 mm；质量为18 kg。台车的初始自由速度为50 km/h，给台车一个水平X向的减速度，减速度通道，如图2所示。

图1　行李箱冲击试验样块布置位置示意图

图2　台车减速度通道时间函数

试验过程中及试验后，如果座椅及其锁止装置仍保持在原位置，则认为满足要求。但在试验期间，允许座椅靠背及其紧固件变形，条件是座椅靠背和头枕[绍尔（A）硬度大于50]部分的前轮廓不能向前方移出一横向垂面，此平面经过2个点[2]：1）座椅R点前方150 mm处的点（对头枕部分）；2）座椅R点前方100 mm处的点（对座椅靠背部分）。试验限定横向垂面示意图，如图3所示。

图3　行李箱冲击试验限定横向垂面示意图

2　某SUV行李箱冲击试验仿真分析

将车体约束在试验台车上，台车以50 km/h的初速度沿X负方向移动；约束台车下部除X向之外的其他自由度；对台车施加特定波形减速度，如图4所示。仿真试验过程中头枕部分超出座椅R点154 mm，超出标准允许范围150 mm；靠背部分超出座椅R点81 mm，未超出标准规定100 mm。行李箱冲击试验仿真结果示意图，如图5所示。

图4　仿真试验台车减速度曲线位置示意图

图5　行李箱冲击试验仿真结果示意图

初始结构仿真结果：

1）行李箱冲击过程中靠背上部锁钩局部最大应力达到484 MPa，最大应变为45%，均超出材料的破坏极限，存在失效风险。

2）座椅靠背下部中间转轴支架局部应力达到553 MPa，应变为16%，均超过材料破坏极限，存在失效风险。重点考察零部件应力应变仿真结果，如表1所示。

表1　某SUV重点考察零部件应力应变仿真结果

3）座椅靠背骨架主要由Q235的管梁和方钢经CO2气体保护焊焊接而成，具体座椅骨架材料分布，如图6所示；座椅骨架整体变形严重，且骨架局部最大应变达到81%（如图7所示），远远超出材料应变极限44%，存在失效风险。

图6　某SUV座椅骨架材料分布示意图

图7　某SUV座椅骨架应变仿真结果

总结冲击试验仿真分析结果，主要存在4点问题：1）座椅头枕部分超出座椅R点前方150 mm的横向垂面；2）座椅靠背上部锁钩应力和应变超过材料的破坏极限，试验中存在失效的风险；3）座椅靠背下部中间转轴支架应力和应变超过材料的破坏极限，试验中存在失效的风险；4）座椅骨架变形剧烈，多位置应力和应变超过材料的破坏极限，试验中存在失效风险。

3　原因分析

该SUV后排座椅的座垫与靠背是分开式结构，靠背上部与固定在车身上的锁钩相连，下部与固定在车身上的转轴支架相连，当座椅靠背受到试验样块冲击时，冲击的能量由1）座椅靠背锁钩及其周边结构；2）座椅转轴支架及其周边结构；3）座椅靠背骨架三部分共同分担，与座垫部分无关[3]。

这些零件既要有足够的强度保证自身在试验过程中不失效，又要有足够的刚度保证座椅靠背及头枕向前的位移量满足法规要求；因此需对这三部分结构进行详细地分析，探究试验仿真结果不合格的原因。

3.1　座椅靠背锁钩及其周边结构

后排座椅靠背的锁止结构主要有2类：1）部分车型座椅转轴安装自锁装置无需靠背锁钩结构（如福特翼博等），这种结构会对座椅转轴有更高的要求且自锁装置成本较高；2）部分车型有靠背锁钩，锁钩是直接固定到侧围或是通过刚度较大的支撑件固定在轮罩上。例如：奔腾X80和长安CS35等座椅锁钩通过螺栓连接固定在侧围内板上；又如：高尔夫、传祺GS4及POLO等车型座椅锁钩焊接到轮罩加强件上。竞品车型锁钩与车身连接结构对比，如图8所示。

图8　竞品车型锁钩与车身连接结构对比图

该SUV座椅靠背锁钩与座椅靠背骨架上端相连，左右侧各一个，焊接在后排座椅安全带卷轴器支架上，安全带卷轴支架通过点焊连接到侧围内板上，形成类似悬臂梁的结构，如图9所示。

图9　某SUV锁钩与车身连接结构示意图

竞品车型座椅靠背锁钩结构大致分为2类，一类结构刚度强，结构简单，棒料直径较大（一般为8 mm或10 mm），试验过程中和正常使用时不允许变形或变形量小；另一类结构刚度较弱，结构多处弯折，棒料直径较小（一般为6 mm），试验过程中和使用时允许一定程度的变形，起到一定的吸能作用。竞品车型锁钩结构对比，如图10所示。

图10　竞品车型锁钩结构对比图

该SUV座椅靠背锁钩结构为简单的“U”型，但棒料直径仅为6 mm。与竞品车型对比分析，座椅靠背锁钩及其周边结构试验仿真中应力应变超标的主要原因有以下3点。

1）座椅靠背锁钩固定结构近似为悬臂梁，悬臂梁结构刚度弱、易变形，这种结构上的缺陷是引起座椅头枕部分超出座椅R点前方150 mm横向垂面的原因之一；

2）后排座椅安全带卷轴器支架焊接到侧围内板上，侧围内板钣金料厚仅为0.75 mm，使得座椅靠背锁钩固定结构安全带卷轴器支架根部的刚度弱，受力时易产生变形；而安全带卷轴器支架材料为St280，料厚为2.0 mm，薄厚差距较大的两钣金焊接，在应力集中的焊点处，薄板开裂风险较大；

3）座椅靠背锁钩与竞品车型中的锁钩相比，直径略小，仿真分析结果表明局部应力应变超标，存在失效风险。

3.2　座椅转轴支架及其周边结构

该SUV座椅转轴支架与座椅靠背骨架下端相连，共有3个连接点（见图11），左右座椅转轴支架仿真分析中不存在问题，仅中间转轴支架存在应力和应变超标的问题。中间座椅转轴支架材料为P250，料厚3 mm，转轴支架与地板上座椅横梁共3个固定点，转轴支架的右侧仅一个固定点，结构不对称。当中间转轴支架受到向前冲击力时会有向右侧倾斜的趋势，使得中间转轴支架右侧和座椅横梁固定点附近易出现应力集中现象；同时转轴支架折弯处倒角为R2.5，倒角小结构变化急剧，抗弯能力差，易产生应力集中。如图12所示。

图11　某SUV座椅转轴支架布置图

图12　某SUV座椅中间转轴支架结构示意图

3.3　座椅靠背骨架

座椅靠背骨架支撑整个座椅靠背，也是行李箱冲击试验中的受力主体，试验过程中试验样块直接冲击座椅靠背后部。试验样块的动能在冲击过程中一部分转换为试验样块反向翻滚的动能，其余大部分能量将转换为座椅系统的变形，而根据众多学者的经验估计大约65%的动能将被座椅系统吸收，座椅靠背骨架的强弱直接影响试验的结果。试验仿真结果中座椅靠背骨架变形较大，骨架局部应变超标，座椅骨架刚度和局部强度不足。

4　优化方案

4.1　座椅靠背锁钩及其周边结构优化方案（方案1）

方案1采用增强座椅锁钩固定结构安全带卷轴器支架根部的刚度和强度，减小源于侧围方面的位移，增加左右后座椅支撑加强板，结构形式，如图13所示。材料采用St280，厚度为1.5 mm，左右后座椅支撑加强板加到左右后侧围加强板总成当中。调整焊点，增加3层焊焊点数目，从而提高座椅锁钩固定结构整体刚度，如表2所示。座椅靠背锁钩材料不变，考虑增大直径，基于锁钩直径为7.5 mm（方案1.1）和8 mm（方案1.2）2种情况对比分析，效果如表3所示。

图13　某SUV后座椅支撑加强板示意图

表2　某SUV侧围内板焊接总成优化方案与原方案结构对比

从表3可以看出，增加左右后座椅支撑加强板能够减小座椅头枕部分和靠背部分的前移量，有效地解决了头枕前移量超标的问题；增加锁钩直径能够减小锁钩的最大应力和应变，直径越大，应力及应变越小。虽然锁钩应力仍略超出材料的抗拉极限，但动态分析主要关注应变值，当锁钩直径增加到7.5 mm时，应变已经低于材料应变极限，能够有效降低锁钩失效风险，且锁钩直径为8 mm相对于直径7.5 mm对试验结果并没有明显的改善。综上所述，选取方案1.1（增加左右后座椅支撑加强板，锁钩直径增大为7.5 mm）能够有效减小头枕和靠背前移量，但对于座椅靠背骨架整体变形和座椅中间转轴支架受力情况的改善很小。

4.2　座椅中转轴支架优化方案（方案2）

座椅靠背锁钩及其周边结构的优化对于座椅中转轴支架处的问题改善很小，所以需要优化座椅中转轴支架结构，制定方案2。为消除中转轴支架在冲击过程中出现失效的风险，通过以下3种方案优化支架结构。

1）方案2.1：转轴支架增加1个固定点，材料不变，如图14b所示；2）方案2.2：在方案2.1的基础上，材料由 P250改为 St280；3）方案 2.3：在方案 2.2的基础上优化支架结构，将折弯处圆角由R2.5增大到R6，加大过渡，减小应力集中，如图14c所示。3种优化方案仿真分析对比结果，如表4所示。

图14　某SUV座椅中转轴支架优化示意图

表4　某SUV座椅中转轴支架结构优化方案仿真对比结果列表

方案2.1中转轴支架增加1个固定点，支架应力和应变增大，这是由于结构变化后，在支架前端位置产生了应力集中，但对于支架整体的刚度和强度有利，能够减小座椅靠背和头枕的前移量；方案2.2将转轴支架材料改为St280有利于降低应力和应变；方案2.3继续增大圆角，能够继续降低应力和应变；转轴支架的优化方案对于上部靠背锁钩的受力情况几乎无影响。综上所述，选取方案2.3。