中排座椅鎖止裝置失效分析及優化

羅建國，鄒 平，付愛軍

（柳州五菱汽車工業有限公司技術中心，廣西柳州545007）

座椅的安全性，是指汽車座椅能有效地在事故發生時，最大限度地減輕對駕駛員及成員造成傷害的能力。座椅結構的強度或功能失效，可能會嚴重危及汽車駕、乘人員的生命安全。因此，針對座椅的安全性能，國家實施了一系列汽車座椅品質強制檢測法規。

某型號標準中排座椅在進行安全帶安裝固定點試驗（GB14167-2006）時，出現了座椅鎖止裝置失效，導致座椅一側在拉力作用下產生了嚴重的扭曲變形，不能滿足國家法規規定的要求。

本文是基于該型號標準中排座椅改進項目而展開的。在對原座椅結構進行分析后，利用有限元方法，結合Hypermesh和Ls-dyna分析軟件，對整個座椅結構進行了有限元仿真分析，模擬了座椅安全帶固定點試驗全過程，仿真結果準確地顯示出座椅結構失效的部位。通過對仿真結果進行分析，確定了座椅結構失效的原因。經過優化后，仿真和試驗均表明，新的座椅結構能夠滿足國家法規的要求。

1 模型的建立

1.1 座椅模型的建立

基于UG三維軟件構建的座椅骨架幾何模型如圖1所示。利用Hypermesh軟件建立了座椅有限元分析模型如圖2所示。

建模的基本原則是準確性，為了保證計算精度，模型必須能夠如實反映座椅的幾何特性和力學性能[1]。因此建模時考慮了座椅各個零件對強度特性的影響，并根據影響程度的不同對零件進行篩選和簡化[2]：保留了座椅骨架中主要的受力部件，而對外部載荷分配很少的蒙皮、軟墊、頭枕和鋼絲等部件，在有限元建模時不予考慮。

圖1 座椅主要部件

圖2 座椅CAE模型

單元類型的選取、網格尺寸的大小等因素，會直接影響有限元仿真的計算精度和效率，故在建模時需對座椅各部件進行了區分，根據不同的部件采用了不同的單元進行模擬：

對薄壁件和管狀結構件，采用了薄殼（shell）單元；

對上滑軌、下滑軌、解鎖手柄導桿和鎖鉤等部件，采用了體（solid）單元；

座椅骨架之間的焊接和螺栓連接，分別則采用了約束（weld）單元和剛性（rigid）單元；

而座椅中的鉸接，則采用了轉動鉸（revolute）單元。

1.2 接觸處理

標準中排座椅總成中，存在滑動和鎖止裝置，以方便乘員進入或使座椅中的一部分保持在某一使用位置上，這些因實際需要而咬合在一起的部件在載荷作用下，都會有力的傳遞作用，因此它們之間不能簡單地用約束單元進行連接，而是需要通過接觸來模擬它們之間的作用力關系。

座椅是多部件結構總成，當座椅受到外載荷作用時，各部件可能會因變形或扭曲而相互接觸，產生接觸力。故在仿真分析時必須要考慮這一因素，否則各部件變形時，可能會相互穿透，產生不真實的結構位移，導致分析結果出現較大的偏差。仿真分析時，需對座椅設置一個總體單面接觸，用于檢測座椅所有結構可能發生的接觸。

除此以外，系統總體接觸中有時可能會出現一些局部區域發生接觸失效，所以對這些區域需要單獨設置局部接觸類型[3]。由于座椅總成中的滑動和鎖止裝置在實現自身功能的情況下，還需傳遞載荷，是座椅系統中的主要傳載機構，也是座椅強度試驗時最易產生問題的結構區域，故本次仿真對座椅結構中的滑動和鎖止裝置，分別定義了局部雙面接觸。

2 仿真分析

2.1 邊界載荷處理

本次座椅有限元仿真分析，以汽車安全帶安裝固定點（GB14167-2006）試驗法規為依據，模擬座椅在載荷作用下的變化過程。為了盡可能模擬準確，加載時對座椅施加了法規規定的邊界載荷（如圖3所示）[4]，即對上、下人體模型塊同時施加13500 N的載荷，載荷沿平行于車輛縱向中心平面并與水平線成向上5°～15°的方向施加；同時考慮座椅施加向前20倍自身凈質量的載荷的影響；載荷持續0.2 s；座椅下端安裝孔施加全約束并使座椅處于最不利位置。

圖3 座椅載荷邊界

考慮到試驗所用的上、下人體模塊幾乎不變形，故建模時定義人體模塊為剛性體；基于簡化原則，安全帶采用一維安全帶單元（seatbelt）和二維安全帶單元（shell）結合來模擬，并賦予實際安全帶單位長度質量，以及用曲線定義織帶在加載和卸載條件下的受力與工程應變的關系，真實地模擬安全帶的性能[5]。同時對安全帶與人體模塊建立了主從雙面接觸。

安全帶固定點試驗是緩慢加載，屬于準靜態試驗，仿真分析時可采用顯式方法和隱式方法進行求解。但是隱式求解對于靜態和準靜態問題，涉及到接觸不穩定和極其復雜的接觸問題時，很難保證迭代穩定收斂，而顯式方法則非常適用于求解各種復雜的接觸問題，比較容易收斂。只要積分時間步長小于所要求的臨界時間步長，就可以用于準靜態分析。故本次仿真采用LS-DYNA顯式求解器進行計算。

2.2 CAE分析和結構優化

根據文獻[6]，當加載速度低于40 km/h時，顯式計算值跟準靜態試驗很接近。因此本文采用的分析時間是250 ms，前100 ms線性增加負荷,之后的150 ms保持規定負荷。

有限元仿真分析結果表明，原座椅總成中的鎖止裝置在加載至規定負荷后發生失效。從動態圖4所示可以看出，加載后，鎖鉤有向后逆時針轉動解鎖的趨勢；套管嚴重塑性變形；解鎖手柄導桿彎曲變形，并最終從套管內直接滑出，導致鎖止裝置功能失效。

圖4 鎖止裝置失效過程

故從仿真計算結果可以看出原座椅結構存在以下問題：

首先是解鎖手柄導桿約束端的結構強度不足，從圖5仿真結果塑性變形圖可以看出，套筒與鉸接孔焊接區塑性應變達到0.304，套筒焊接端會嚴重變形或出現裂縫，這也與原座椅試驗結果相吻合（如圖6所示）；

圖5 原結構10%塑性變形圖

圖6 原結構試驗結果

其次，座椅鎖止裝置的布局存在缺陷，即鎖鉤的旋轉中心與鎖止桿的相對位置布局不合理。由圖1座椅結構顯示可知，鎖鉤與解鎖手柄導桿固連，手柄導桿可在套筒內轉動、套筒與邊框孔焊接，鎖止桿鎖住鎖鉤，初始狀態如圖7所示。

圖7 原鎖鉤受力示意圖

當載荷通過鎖鉤與鎖止桿的咬合，向下端固定位置傳遞載荷時的同時，鎖鉤也會受到鎖止桿的反力F，從而使鎖鉤產生轉動力矩M，帶動鎖鉤和手柄導桿在套筒內逆時針轉動解鎖，因此當套筒與邊框鉸接孔的焊接剛度足夠時，鎖鉤解鎖也會導致鎖止裝置功能失效。

因此，對座椅的改進，主要集中在提高套筒焊接端的強度，優化鎖鉤受力狀態，保證座椅在受到載荷時，產生鎖鉤向前順時針轉動鎖緊的趨勢。

通過對結構失效部位進行仔細分析和一系列仿真計算，調整鎖止結構的布局，采用的優化措施如圖8所示，即在鉸接孔外端增加圓環，以防止解鎖手柄導桿脫出；在邊框內置加強板，提高鉸接孔周邊的剛度；通過延長套筒，增加手柄導桿回轉接觸，減少導桿彎曲變形；優化鎖鉤初始受力狀態和鎖鉤形式。

圖8 優化結構

2.3 結構優化仿真與試驗

對座椅鎖止裝置進行優化后，再經過有限元仿真計算，表明優化后的座椅結構在安全帶固定點試驗過程中不會失效。鎖止桿能有效地鎖住鎖鉤，鉸接孔周邊變形明顯改善，最大應變僅有0.091，解鎖手柄導桿彎曲變形減少如圖9所示。

圖9 10%塑性變形圖

圖10 改進結構試驗結果

圖10所示的試驗結果，同樣證明了優化后的座椅結構能夠滿足汽車安全帶安裝固定點（GB14167-2006）的試驗法規要求。

3 結束語

通過對座椅試驗的模擬仿真，明確了座椅結構失效的原因，實現了對結構的優化與改進，達到了座椅項目改進的目的。有限元仿真技術不僅可用于指導座椅后期的結構改進，也可以在座椅前期設計發揮更重要作用。在座椅概念設計階段，可以通過仿真手段有效地預測座椅結構的相關性能狀態，并快速地對各種方案進行評估，選擇最優結構，這樣可以縮短座椅開發的時間，降低開發試驗的次數和成本。

[1]王宏彥，張 丹.汽車座椅有限元建模與計算[J].同濟大學學報（自然科學版），2004，32(7)：947-948.

[2]徐中明，郝煒雅，張志飛.汽車座椅強度及碰撞仿真分析[J].重慶大學學報，2009，32(5)：513-514.

[3]趙海歐.LS-DYNA動力分析指南[M].北京：兵器工業出版社，2003.

[4]GB14167-2006，汽車安全帶安裝固定點試驗[S].

[5]HallquisTJO.LS-DYNA Keyword User’Manual[M].CA:Livermore Software Technology Corporaton，2007.

[6]王青春，范子杰.利用LS-DYNA計算結構準靜態壓潰的改進方法[J].力學與實踐，2003，25（3）：20-23.