淺析汽車前撞時后排座椅的安全性

摘 要：本文著重介紹了汽車前撞時后排座椅需滿足的碰撞要求，以及通過使用CAE模擬對座椅的安全性進行分析并提出相應的改進。

關鍵詞：后排座椅 CAE分析 設計改進

中圖分類號：U46文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2012）09（b）-0221-02

1 CAE概述

所謂CAE，是計算機輔助工程（Computer Aided Engineering）的英文縮寫。在工程設計中，它主要指通過使用計算機對產品進行全面而系統的分析，并通過模擬出未來的工作狀態和運行行為，發現產品設計中存在的缺陷；同時也可以對產品功能的可用性和可靠性進行確認。在CAE分析中以有限元分析為主體，其基本工作原理就是將產品模型劃分為若干個單元格，通過這些單元格的簡單變形模擬出整個產品的復雜變化；每個單元格之間以有限個節點相互聯系，并通過邊界條件的設置來達到綜合求解的目的。因為設置的單元格和節點個數是有限的，所以將其稱之為有限元分析法。通過單元格個數的改變能使求解答案的精確度提高，通常單元格劃分越細，與真實情況之間的誤差就越小，更接近實際值，但求解過程也越長。所以有限元分析法的核心思想就是將產品的結構離散化。

CAE分析一般包含三個步驟：（1）建立產品的模型；（2）對模型進行單元格劃分，材料添加以及邊界條件的設定；（3）對模型進行求解運算，輸出直觀的圖形和精確的數據，使設計人員能對結果進行檢查，并幫助工程師判別設計方案的可行性和合理性。

2 座椅的前撞試驗

在模擬汽車正撞試驗中，對后排座椅的考核是通過座椅的變形程度來衡量的。在后座椅行李箱試驗中使用的試驗樣塊尺寸為300mm×300mm×300mm的立方體，立方體棱角倒圓R20mm，每個樣塊的質量為18kg。將兩個試驗樣塊放置在后排行李箱的地板上，樣塊與后排座椅靠背之間的水平距離為200mm，兩個樣塊之間的橫向距離是50mm，如圖1所示。

試驗時試驗臺以規定的速度和加速度向前碰撞，由于慣性作用使2個樣塊產生的向前運動動能作用在了后排靠背上，使靠背發生變形；如果在試驗過程中以及試驗后，座椅靠背上邵爾（A）硬度大于50的零件，例如靠背骨架，頭枕，緊固件等發生變形，但零件前輪廓向前變形的范圍沒有超出規定的平面，那么就可認為座椅的碰撞強度滿足要求。

平面定義如圖2所示：

（1）座椅靠背部分不得超過經過座椅R點前方100mm的橫向垂直平面；

（2）座椅頭枕部分不得超過經過座椅R點前方150mm的橫向垂直平面。

3 前撞時座椅的安全性

（1）座椅靠背的結構分析。以后排分體式靠背為例，通常分體式靠背主要由靠背主鋼管，中間支撐板，下支撐板，中間支架，靠背鎖支架，兩側安裝支架和安全帶固定裝置等構成。在碰撞試驗中，靠背骨架下部是通過兩側安裝支架和中間支架被固定在白車身上的，而中間支架通過螺栓打緊被固定在白車身上；骨架上部通過兩側的靠背鎖支架與靠背鎖相連；當靠背鎖處于鎖止狀態時，整個座椅靠背就被固定在了白車身上，而白車身又被固定在試驗臺上。因此碰撞時，對座椅的碰撞要求就轉變為了對靠背結構和連接件的強度考核。

由于座椅碰撞試驗的成本較高，且試驗時對座椅關鍵部位發生的變形也很難跟蹤，這就增加了工程師對新產品的設計難度，因此運用CAE分析則能夠很好的解決該問題。通過CAE分析能夠得到碰撞時座椅靠背的變形情況和能量分布情況，通過對薄弱零件的結構更改，提高整個靠背的強度，使后排座椅的設計成本和生產周期得到明顯改觀。

（2）座椅行李箱試驗的CAE分析。以上述靠背為例，按GB15083中對行李箱碰撞試驗的規定進行建模，單元格劃分，材料和邊界條件的設定等；建立的主模型包括座椅靠背骨架，車身固定點和試驗樣塊。在模擬座椅碰撞時，一般假設車身固定點是不被破壞的，因此將固定點設置為剛性體；座椅兩側的靠背鎖可以采用梁單元的單元格類型進行劃分；而座椅下部的中間支架和兩側支架與車身的連接可以模擬為旋轉鉸連接。整個碰撞過程大約需要130ms，碰撞波形如圖3所示。

通過模擬可以發現在碰撞過程中60%靠背出現了最大變形，但沒有超出規定的平面范圍，如圖4所示。

同時還可以精確的得到作用在靠背鎖上的力，該力來自于2個試驗樣塊所產生的沖擊力。60%靠背鎖承受了約22kN的拉力，40%靠背鎖承受了約12kN的拉力，因此在實際碰撞試驗前，可以先通過對單個鎖進行拉力試驗來驗證鎖的強度是否能滿足碰撞要求，從而保證碰撞試驗的成功率。

（3）搭載假人的前撞CAE分析。如果后排座椅的中間安全帶固定點是設置在座椅上的，且在汽車行駛過程中有乘員坐在后排中間位置并系好安全帶，那么當汽車前撞時，由于慣性作用使中間乘員前傾，通過拉扯安全帶將拉力傳遞到座椅靠背上，如果靠背強度較弱則會產生過度變形，從而傷害到乘員；因此運用CAE分析可以在后排座椅中間位置放置一個Hybrid Ⅲ50百分位的假人，通過模擬假人在系好安全帶的情況下汽車以60km/h的速度進行前撞，并對試驗后的座椅強度和假人在碰撞過程中的動態行為進行考量。因此可以通過大變形有限元法和多剛體耦合法來模擬該試驗。將安全帶固定點設定為剛性體，安全帶織帶采用三節點的殼單元格劃分，將邊界條件設置完成后，可以運用LS-DYNA求解器對試驗進行模擬，從而求解出座椅的變形程度和假人的運動情況。模擬后可以發現產生嚴重變形的零件是60%靠背上的中間支撐板和下支撐板。這是因為中間支撐板和下支撐板本身的結構承載力較弱，在碰撞過程中無法將碰撞產生的能量傳遞出去，因此吸收了大部分能量，產生了較大的彎曲變形；所以需要對零件進行改進，合理的布局靠背所受力的傳遞路徑，使碰撞能量能夠被合理地分配吸收。

4 座椅的改進

基于上述分析，提出的改進方案為：（1）增加中間支撐板和下支撐板的翻邊結構，加強零件的結構承載力；（2）提高中間支撐板和下支撐板的材料性能，材料由原來的QSTE340變更為QSTE420；（3）兩側支架增加翻邊結構，使支架對靠背主鋼管形成加強作用。將改進后的方案與原來方案進行對比可以發現，零件強度的提高妥善解決了碰撞過程中力被截斷的問題，使碰撞產生的力能有效的傳遞到座椅靠背的安裝固定點上，如圖5所示，降低了零件所承受的彎曲力，減少了骨架變形，因此改進方案有效。

經過優化后的座椅經過實際的前撞試驗，所得結果與CAE模擬結果具有很高的相似性，再次說明了在設計階段對座椅安全性進行CAE分析的必要性和可靠性。

5 結語

通過使用CAE模擬對后排座椅的安全性進行分析，根據模擬結果對座椅結構提出改進方案，并通過實際試驗驗證，提高了試驗的成功率，同時由于CAE模擬結果與試驗結果之間的高度相關性，也為今后后排座椅的設計和提高產品的經濟性提供了保障。

參考文獻

[1]黃炫，張君媛.某轎車后排座椅骨架CAE分析及輕量化設計[J].汽車技術，2010（5）.

[2]張君媛，黃炫.汽車正撞時后排座椅安全性的CAE分析與改進設計[J].汽車工程，2011（9）.

[3]林逸，姚為民.承受沖擊時汽車座椅結構安全性研究[J].北京理工大學學報，2005（1）.

[4]翟喆文，姜峻嶺.后排座椅抗移動行李沖擊的優化設計[J].上海汽車，2010（6）.

[5]張健，萬鑫銘.側面碰撞過程中乘用車座椅安全性仿真分析[J].計算機輔助工程，2011（2）.

[6]符大興，李海.汽車座椅動態試驗CAE分析及結構優化[J].汽車實用技術，2011（7）.

[7]譚克誠，許冠能.汽車座椅測試與分析系統開發研究[J].制造業自動化，2010年（15）.

[8]陳道炯，付大成.汽車座椅的輕量化設計[J].機械科學與技術，2011（6）.