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汽車(chē)正撞時(shí)后排座椅安全性的CAE分析與改進(jìn)設計
作者：
時(shí)間：2016-12-19
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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前言
在汽車(chē)碰撞中汽車(chē)座椅起著(zhù)保持乘員生存空間，使其它約束裝置實(shí)現保護效能的作用。汽車(chē)座椅安全性研究始于20世紀50年代，早期研究主要采用試驗手段，研究汽車(chē)尾部碰撞的乘員保護。隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展，CAE分析在汽車(chē)座椅系統開(kāi)發(fā)和研究中起著(zhù)越來(lái)越重要的作用，國外研究機構開(kāi)展了許多更加深入的研究工作，其中包括研究座椅安全帶固定點(diǎn)的強度，預測座椅骨架失效形式和采用參數化方法對座椅進(jìn)行設計開(kāi)發(fā)和結構優(yōu)化。國內研究主要依據GB15083-2006《汽車(chē)座椅固定裝置及頭枕強度要求和試驗方法》法規要求，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箱的沖擊強度，以及采用鋁鎂合金對座椅骨架進(jìn)行輕量化設計。關(guān)于在汽車(chē)承受沖擊載荷時(shí)座椅對乘員保護作用和乘員動(dòng)態(tài)響應的研究還不夠深入。為使座椅在整車(chē)碰撞過(guò)程中起到較好的保護乘員的作用，很多座椅企業(yè)都提出高于目前座椅法規的產(chǎn)品性能要求。
本文中針對某中級轎車(chē)后排座椅正撞時(shí)的負載安全性，根據ECER17法規和該車(chē)生產(chǎn)企業(yè)關(guān)于座椅沖擊強度的要求，采用多剛體動(dòng)力學(xué)法和瞬態(tài)大變形有限元法混合建模和耦合計算，實(shí)現了在帶假人的情況下該座椅正撞時(shí)負載安全性的CAE分析，并對改進(jìn)方案實(shí)施后的性能進(jìn)行預測。
1 后排座椅正撞負載法規試驗
ECER17中關(guān)于汽車(chē)后排座椅沖擊強度的認證規定采用臺車(chē)試驗臺進(jìn)行正撞工況下的座椅沖擊試驗。試驗樣塊尺寸(mm)為300×300×300，棱邊倒角為20mm，質(zhì)量為18kg。試驗樣塊的安放位置如圖1所示，放置于行李艙的地板上，縱向與靠背有200mm的水平距離；兩試驗樣塊之間有50mm的橫向距離。 
圖1 試驗樣塊質(zhì)量及其布置圖
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/201612/331485.htm試驗過(guò)程中及試驗后，如果座椅和靠背鎖仍保持原來(lái)位置，則認為滿(mǎn)足要求。在試驗期間，允許座椅靠背及其緊固件變形，但試驗靠背和頭枕部分的前輪廓不能向前方超出一定的位置：頭枕(座椅靠背)不得超過(guò)座椅R點(diǎn)前方距R點(diǎn)150mm(100mm)的橫向垂直平面。
2 后排座椅安全性的CAE分析
2.1 后排座椅靠背結構
本文中研究的座椅靠背采用分體式結構，如圖2所示。由40%和60%靠背兩部分組成。進(jìn)行座椅沖擊強度試驗時(shí)，靠背骨架以實(shí)際機構的連接方式固定在白車(chē)身上，白車(chē)身固定在臺車(chē)上。座椅靠背兩側的鎖支架連接靠背鎖，車(chē)身鎖鉤與靠背鎖處于鎖止狀態(tài)，以固定靠背上部，靠背下部的邊支架和中支架分別通過(guò)螺栓固定在車(chē)身上，與車(chē)身形成鉸鏈連接。中間位置的安全帶與座椅集成一體，肩帶的上固定點(diǎn)在60%靠背上，左右位置的安全帶固定點(diǎn)均在車(chē)身上。座椅沖擊強度試驗主要是考察座椅結構件和連接件的強度和剛度。
圖2 后排座椅結構圖
碰撞試驗成本昂貴而且難以得到內部關(guān)鍵部件的變形情況，給汽車(chē)座椅的設計帶來(lái)許多不便。計算機仿真在精度滿(mǎn)足工程要求的前提下能很好地解決上述問(wèn)題。采用模擬計算的方法可在設計初期對座椅安全性作出預測，進(jìn)行各種工況的碰撞模擬。通過(guò)分析其內部零件變形和能量分布情況，提出改進(jìn)方案和快捷的修改模型，而不必等待模具加工和樣品制造后再進(jìn)行試驗，降低了開(kāi)發(fā)成本，縮短了開(kāi)發(fā)周期。
2.2 ECER17正撞負載試驗CAE分析
按照ECER17中《行李位移乘客防護裝置的試驗方法》的要求，基于LS-DYNA3D顯式有限元軟件建立座椅沖擊試驗的有限元仿真模型(圖3)，包括座椅靠背骨架及其同定裝置和試驗樣塊。有限元模型的網(wǎng)格基準尺寸為6mm，模型包括49574個(gè)單元，721個(gè)剛體單元。
圖3 正撞負載試驗有限元模型
在該工況下進(jìn)行試驗時(shí)，車(chē)身固定點(diǎn)和鎖鉤一般不發(fā)生破壞，仿真建模時(shí)采用剛性材料模擬；座椅兩側靠背鎖容易出現失效導致結果不滿(mǎn)足要求，但靠背鎖內部機構復雜、建模困難，因此采用梁?jiǎn)卧M，并考查其受力情況；靠背底部的中支架、邊支架與白車(chē)身連接用旋轉鉸模擬。此摸型的控制時(shí)間步長(cháng)為2.95×10-4ms，所要分析的碰撞過(guò)程的總時(shí)間設為120ms。給臺車(chē)以最大24g的沖擊力加速度波形(圖4)，模擬相當于50km/h速度差的正面碰撞沖擊速度區域。
圖4 ECER17規定的臺車(chē)加速度波形
計算發(fā)現在87ms左右，座椅60%靠背出現最大變形量432.8mm，沒(méi)有超過(guò)座椅R點(diǎn)前方100mm參考面，如圖5所示。模擬靠背鎖的梁?jiǎn)卧芰η€(xiàn)見(jiàn)圖6，由于要承受兩個(gè)試驗樣塊沖擊的拉力，60%側的靠背鎖受力峰值接近22kN，遠高于40%靠背鎖。法規要求試驗過(guò)程中靠背鎖不能失效，因此可依據該分析結果適當提高靠背鎖強度以滿(mǎn)足實(shí)際試驗。
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