某乘用车后排座椅静强度及碰撞仿真分析

2022-04-28杨啟梁

机械设计与制造 2022年4期

胡溧，陈顺，杨啟梁，黄涛

（1.武汉科技大学汽车与交通工程学院，湖北武汉 430081；2.东风安道拓汽车座椅有限公司，湖北武汉 430058）

1 前言

随着社会的不断进步，人们对汽车的要求也越来越高，座椅安全性因此也被广泛重视，在安全性方面的研究逐渐增多。研究方法主要有试验分析和有限元仿真分析，通过试验进行研究时间较长且费用较高，随着社会的进步，有限元仿真技术逐渐成熟起来，仿真分析越来越多的应用于座椅的安全性分析中，通过仿真分析可以节省研究时间和研究费用[1]。

国外学者进行了很多关于座椅的研究，有对安全带固定点强度的研究，骨架失效形式的研究和采用参数化方法对座椅进行设计开发和结构优化[2−5]。

国内学者大多以GB15083−2006和ECE R17中对座椅安全性要求的规定为基础，对座椅进行静强度分析、动强度分析、吸能性分析、假人响应分析等[6−9]。

根据有限元理论，应用有限元仿真分析软件Hyperworks、LS−DYNA，分别进行某乘用车后排座椅靠背骨架的模态分析、静强度分析、冲击强度分析。在模态分析中对焊缝进行详细的研究，调整焊缝的材料属性以及焊缝的尺寸和位置，使焊缝的模拟更精确，从而使有限元模型更精确，以保证静强度仿真和碰撞仿真的准确进行。

2 模态分析

2.1 后排座椅结构

分析对象为某款乘用车的后排座椅靠背，分析座椅主要承受载荷的部件以及建模的简便性，对座椅靠背进行适当简化，仅以座椅靠背骨架为分析对象。该座椅靠背骨架分为40%侧和60%侧，以60%侧靠背骨架为基础进行有限元建模，并进行模态分析验证有限元建模的准确性。

2.2 60%侧靠背骨架有限元模型建立

将60%侧靠背骨架几何模型导入Hypermesh 中，由于60%侧靠背骨架主要由钢丝及少量的钢板和钢管焊接而成，所以本次有限元建模分为两部分：首先进行各零件网格的划分，随后采用焊缝单元将各部件连接起来。

2.2.1 各零件网格划分

60%侧靠背骨架的零件构成主要是管、板、钢丝，其中管、板结构归为一类，钢丝归为一类。管、板类零件应用midsurface 抽取中面，对各零件中面进行几何清理，包括自由边、边倒角、其他一些影响网格质量的几何特征的清理，清理完成后划分2D单元，考虑各结构的尺寸以及后续计算要求，将弯管、扶手管2D单元尺寸定义为5mm，各支架2D单元尺寸定义为2mm。各钢丝则应用3D单元进行建模，首先也需要对钢丝实体进行几何清理，然后划分四面体实体单元，由于钢丝直径较小，各钢丝实体单元尺寸定义为1mm。

2.2.2 焊缝单元的建立

目标座椅骨架是由弧焊进行焊接，形成焊缝将各个零件连接起来，故有限元建模中要对焊缝进行模拟。当前的类似研究中，对焊缝的模拟大多采用简单的刚性连接，没有考虑焊缝的材料属性、尺寸、位置等参数。这里采取更符合实际焊缝的模拟方式对焊缝进行建模，以使整个有限元模型更加准确。首先通过企业提供的60%侧靠背骨架图纸中对焊缝尺寸以及位置的定义，确定各条焊缝的尺寸以及位置，随后应用hypermesh软件中的seam面板建立五面体实体焊缝单元将各零件连接起来。焊缝单元采用等边单元，即侧面为等腰三角形。完成所有焊缝单元的建立后，完整60%侧靠背骨架有限元模型，如图1所示，其中绿色部分即各个焊缝的位置，共40条五面体实体单元焊缝，2D单元总数26299个，四面体实体单元383950个。

图1 60%侧靠背骨架有限元模型Fig.1 60% Side Backrest Frame Finite Element Model

2.3 计算模态分析

60%侧靠背骨架有限元模型建立完成后，对各零件以及焊缝赋予材料属性。各零件的材料属性由企业提供，基本属性参数如下：密度7.85e−009t/mm3、弹性模量216800MPa、泊松比0.3。而焊缝是由各零件的材料和弧焊焊丝的材料共同组成，没有明确的材料属性，初步将焊缝的材料属性定义为与零件的材料属性相同。

完成有限元建模以及材料属性的赋予后，设置自由模态求解工况，提交optistruct求解得到其自由模态结果，并与试验模态进行比对，验证有限元模型的准确性。

基于零件的材料属性值采用控制变量法，分别改变焊缝的密度、弹性模量、泊松比的大小，然后进行求解计算模态，多次修改求解计算模态，并与初始值的模态结果进行比对，结果表明多次修改后的计算模态结果与初始计算模态结果相差较小，故焊缝的材料属性采用初始值即可，即焊缝采用与零件的材料属性相同。

2.4 试验模态

利用LMS振动测试软件及硬件设备通过锤击法测试60%侧靠背骨架的自由模态。首先通过橡皮筋将骨架悬吊起来，并用胶水粘上两个三向加速度传感器，如图2所示。①表示骨架、②表示1号传感器、③表示2号传感器、④表示橡皮筋、⑤表示台架。然后通过力锤激励60%侧靠背骨架，逐步完成58个测点的激励，经过LMS.Test.lab采集数据并进行处理得频率响应函数，最终通过Polymax算法对频率响应函数处理，得到试验模态。

图2 模态试验示意图Fig.2 Schematic Diagram of Modal Test

2.5 模态分析及修正

将前面有限元仿真得到的计算自由模态与模态试验测试得到的试验自由模态进行比对，计算出计算模态频率相对于试验模态频率的误差，验证前五阶模态的误差是否小于5%，若小于5%则表明有限元仿真模型的准确性足够高，满足后续的仿真计算要求；若大于5%则需修正有限元仿真模型，例如修改各零件的网格尺寸、焊缝尺寸、位置等。初次仿真得到的计算模态与试验模态进行比对，结果表明二者模态吻合度不高，相对误差大多大于5%，故需要对有限元模型进行修正。由于对焊缝的模拟缺乏经验，故对焊缝单元进行多次修正。焊缝的初次模拟仅仅只是根据60%侧靠背骨架图纸中对焊缝的标注进行模拟的，焊缝的长度以及位置与实际存在一定的偏差。因此通过测量60%侧靠背骨架实物上每条焊缝的长度和位置，并根据企业工程意见，去掉焊缝首尾的起弧收弧，即焊缝的实际长度减去焊缝的起弧收弧得到焊缝的有效长度，根据焊缝的有效长度以及实测位置重新模拟每条焊缝。修正完所有焊缝后，再次对60%侧靠背骨架进行自由模态计算，并将计算模态与试验模态对比，结果表明二者吻合度有所提高，仅有少数阶次频率相对误差低于5%。

再次对焊缝的长度进行修改，将实际焊缝的起弧收弧段也考虑到焊缝的总长度中，即根据测量的实际焊缝的总长度来模拟焊缝，对所有焊缝进行修正，计算修正后的60%侧靠背骨架有限元模型的自由模态，将计算模态与试验模态对比，可以看出二者吻合度提高了很多。将计算频率与试验频率比对，结果如表1 所示。相对误差百分比均小于5%，因此对于焊缝修正是正确的，焊缝的模拟方法是合理的，有限元建模方法是正确的，有限元模型满足计算要求。

表1 计算频率与试验频率Tab.1 Calculation Frequency and Test Frequency

3 靠背骨架静强度分析

3.1 有限元建模

基于模态分析中有限元建模方法，建立完整的有限元模。完整的座椅骨架模型包括40%侧和60%侧，其中60%侧骨架有限元模型已完成，只需按照60%侧骨架的建模方法完成40%侧骨架有限元模型，并对座椅骨架的脚支架进行建模。座椅骨架是采用螺柱与脚支架进行连接的，骨架可以绕脚支架旋转。有限元建模中进行简化，去掉螺柱，采用旋转铰的形式将二者连接起来，使骨架可以绕轴线旋转。静强度仿真有限元模型，如图3所示，单元总数152085个，其中2D单元70795个，3D单元81290个，49条焊缝单元。

图3 静强度有限元模型Fig.3 Static Strength Finite Element Model

3.2 加载方式

根据GB15083−2006的规定，在靠背40%侧和60%侧骨架的质心沿水平向后施加相当于各自重量20倍的载荷。40%侧靠背骨架质量为3.777kg、60%侧靠背骨架质量为5.917kg，即在40%侧靠背骨架质心处施加740N的载荷、在60%侧靠背骨架质心处施加1160N 的载荷。通过hypermesh 确定质心的功能找到40%侧靠背骨架和60%侧靠背骨架的质心，将质心通过柔性连接与靠背钢丝骨架进行连接，使骨架受力分布均匀。

3.3 约束方式

根据该座椅在车身上的实际安装方式定义静强度仿真中约束，分别在该座椅骨架的4个脚支架以及2个安装锁支架上施加6个自由度全约束。

3.4 静强度仿真分析

根据加载和约束定义静力工况，提交optistruct 求解。仿真分析应力云图，如图4 所示。从应力云图可知最大应力为904.9MPa，超过了各个材料的屈服极限420MPa 和抗拉极限500MPa。查看应力水平较大的位置，发现应力较大的位置均位于弯管与支架焊接的焊缝单元的边缘，图4（b）示意其中一条焊缝，属于局部应力集中现象，而其他位置应力分布较均匀，且未超过材料的屈服极限，根据工程经验，可以认为该座椅骨架静强度满足国标静态特性要求。

图4 静强度应力云图Fig.4 Static Strength Stress Contour Plot

4 后排座椅骨架行李箱碰撞仿真

4.1 碰撞法规要求

4.1.1 试验样块

GB15083−2006 中关于汽车后排座椅冲击强度试验对试验样块的要求如下：尺寸（mm）为（300×300×300），棱边倒角为20mm，质量为18kg，金属薄壁壳体，自由放在地板上，试验样块与靠背之间的距离为200mm，两试验样块分布在竖直纵向零平面两侧，相距50mm[10]。

4.1.2 加速度

国标GB15083−2006中对行李箱冲击试验的加速度以及速度要求如下：赋予整个碰撞仿真模型50km/h左右的初始速度，同时给座椅骨架施加一个满足国标要求的减速度曲线。减速度曲线要求，最大减速度不小于20g，持续时间不低于30ms[10]。

4.2 碰撞仿真建模

首先基于前文的有限元建模方法，并根据座椅骨架主要承受冲击的部位进行适当的简化后，在hypermesh软件建立的后排座椅靠背骨架行李箱冲击仿真有限元模型，并在hypermesh软件的LS−dyna模块下进行碰撞仿真相关的参数设定。

4.2.1 试验样块建模

根据国标要求建立两个试验样块模型，尺寸（mm）为（300×300×300），棱边倒角为20mm，质量为18kg，金属薄壁壳体，样块的x、y向坐标根据国标要求设定，自由放在地板上，试验样块与靠背之间的距离为200mm，两试验样块分布在竖直纵向零平面两侧，相距50mm[10]。z向高度由该座椅生产公司提供的数据设定，424mm。

4.2.2 接触关系定义

应用Hypermesh 软件LS−dyna 模块下接触定义面板surface to surface接触，将座椅靠背与刚性样块的接触定义为“面对面”接触。同时也将样块与地板、骨架自身零件之间的接触定义为“面对面”接触。

4.2.3 约束定义

根据该座椅在车身上的实际安装方式确定碰撞仿真中的约束，靠背躯干角度27°，分别在该座椅骨架的4个脚支架以及2个安装锁支架上施加5个自由度约束，释放x向的平动自由度。

4.2.4 加速度定义

中国新车评价规程（China−New Car Assessment Program）C−NCAP将在市场上购买的新车型按照比中国现有强制性标准更严格和更全面的要求进行碰撞安全性能测试，促进企业按照更高的安全标准开发和生产，使得产品的碰撞安全性更高。汽车企业普遍将C−NCAP作为企业产品开发的重要依据，而国家强制性标准是政府部门对汽车产品安全性的最低要求，因此企业的碰撞安全性标准大多比国家强制性标准更严格。应用企业标准研究座椅的碰撞安全性，对座椅的碰撞安全性要求更高，有利于提高其碰撞安全性。

按照企业标准进行行李箱碰撞仿真分析，结合国标要求，并基于企业的行李箱碰撞试验工程经验—给座椅施加加速度撞击试验样块，对碰撞的边界条件进行一定的修改，只赋予座椅骨架一个满足国标要求的加速度曲线，即让座椅由静止开始加速然后撞击样块，加速度曲线，如图5所示。一条曲线之间为国标加速度规定区域，另一条曲线为实际赋予的加速度曲线。

图5 加速度曲线Fig.5 Acceleration Curve

4.3 碰撞仿真计算

在hypermesh软件LS−dyna模块下完成座椅靠背骨架行李箱碰撞仿真的所有设置后，碰撞仿真有限元模型，如图6所示。包括座椅靠背骨架、样块、地板、R点前方100mm参考平面。碰撞仿真计算模型导出.k文件，提交到碰撞仿真软件LS−DYNA中进行碰撞仿真计算。

图6 碰撞仿真模型Fig.6 Impact Simulation Model

4.4 仿真结果分析

在LS−DYNA 中进行碰撞仿真计算可以得到座椅骨架撞击刚性样块位移云图、速度曲线以及位移曲线，如图7所示。其中曲线A表示座椅骨架40%侧变形量最大的一个节点的信息，曲线B表示座椅骨架60%侧变形量最大的一个节点的信息，曲线C表示座椅骨架脚支架上的一个节点的信息。整个碰撞仿真过程时长120ms，最大速度14.2mm/ms，即51.12km/h，符合国标要求速度；在60ms时骨架与样块相撞，此时二者相对速度7.68mm/ms，即27.65km/h；105ms时骨架变形量最大，此时40%侧骨架最大变形位置与R点前方100mm相距86mm，60%侧骨架最大变形位置与R点前方100mm相距23mm，结果表明靠背骨架的最大变形量均未超过R点前方100mm参考平面，且靠背锁仍保持原来位置，即靠背冲击强度满足国标动态特性要求。