汽車座椅頭枕強度CAE分析及優化設計

嚴莉

湖北航天技術研究院特種車輛技術中心 湖北武漢 430040

1 前言

汽車座椅不僅為司乘人員提供乘坐的舒適性，而且應在發生汽車追尾事故時，保證座椅頭枕能夠對乘員頸椎起到保護作用。2008年歐洲NCAP對25款新車首次進行了汽車座椅碰撞安全測試，結果表明只有少數汽車能夠保護好乘員的頭部及頸椎。從2009年開始，車輛后方碰撞引起的頭頸部傷害也已納入歐洲NCAP成人安全保護評價項目[1]。我國也出臺了汽車頭枕強度法規GB 11550－2009來代替舊版的GB 11550－ 1995，對汽車座椅頭枕的要求進一步提高，因此，對汽車座椅頭枕及骨架的仿真分析在開發新車型時具有積極的指導作用。

本文以某款專用汽車座椅為研究對象，按照GB 11550－1995標準，通過有限元分析軟件Hypermesh建立有限元模型，用LS－ DYNA進行計算求解，針對計算結果，用Hyperstudy對模型進行全析因試驗設計，最終得出最佳設計方案。

2 座椅頭枕強度試驗及有限元模型

2.1 座椅頭枕靜強度試驗方法及要求

GB 11550－ 2009《汽車座椅頭枕強度要求和試驗方法》對座椅頭枕靜強度試驗方法簡介如下：

a.將相對R點產生向后373 Nm力矩的初始作用力作用在假背上，以確定移動后基準線；

b.在頭枕頂部向下65 mm處，通過直徑為165 mm的頭型，施加一個相對于R點產生的向后373 Nm的力矩；c.將第二步中的載荷進一步增加至890 N。具體加載方法如圖1所示。

GB 11550－ 2009對座椅頭枕靜強度試驗一般要求為：a.頭型后移量必須小于102 mm，同時檢查頭枕有無破損；b.進一步將載荷加載至890 N時，座椅不被破壞[2]。

2.2 汽車座椅有限元模型

將CATIA所建立的座椅集合模型導入到Hypermesh中的dyna模塊中進行有限元網格劃分，并且根據GB 11550－2009對座椅頭枕試驗要求建立有限元仿真模型，模型殼單元尺寸控制在8 mm，三角形單元控制在5%以內，并通過關鍵字“*CONTROL_HOURGLASS”增加單元附加剛度控制縮減積分單元的沙漏問題[3]。有限元模型如圖2所示。

3 計算結果分析

3.1 移動后移量的確定

相對R點產生向后373 Nm力矩的初始作用力作用在假背上后，將模型導入Dyna，計算后結果如圖3所示。借助圖標數字化軟件Getdata測出頭型后移量為76.2 mm，小于GB 11550－ 2009規定的102 mm，符合要求。

3.2 座椅頭枕及骨架強度

進一步將作用于頭枕的載荷加載至890 N，待座椅變形穩定后觀察座椅變形情況。從圖4中可以看出，頭枕彎管vonmiss最大應力為291.1 MPa，超過了其材料Q235的屈服極限235 MPa，且座框彎管處變形較大，局部最大vonmiss應力為221.6 MPa，也超過了其材料Q195的屈服極限195 MPa，座框彎管局部應力圖如圖5所示，可見，座椅骨架強度達不到GB 11550－ 2009的要求。

4 優化設計

座椅彎管以及頭枕彎管強度不夠，有可能是其自身強度不夠，但也不排除是受座椅其他受力較大部件影響而導致，故選取座椅骨架上述敏感部件進行DOE分析，找出影響最大部件并改進。

4.1 靜力分析有限元建模

本文采用Hyperstudy作為優化軟件，由于用動力分析做優化過于耗時（即用LS_dyna作為Hyperstudy優化的求解器），故考慮采取靜力分析，即用Radioss作為求解器。建模時，僅在座椅頭枕彎管中心處加載垂直于頭枕彎管的大小為890 N的力，用于模擬試驗最后階段，建立完成的有限元模型如圖6所示。

由于靜力分析計算時不包括頭枕泡沫及頭型，僅直接將力施加在頭枕彎管上，且根據以往計算經驗，靜力分析結果中的vonmiss應力值比實際情況偏大，故靜力分析結果的應力值會明顯偏大。

4.2 DOE分析

通過觀察座椅骨架應力分布，發現在頭枕彎管、座框大彎管、靠背邊板以及調角器上板處的應力較大，故將它們的厚度作為試驗設計變量，以座框彎管應力最大單元的應力值與頭枕彎管應力最大單元的應力值之和最小為優化目標，并對其做精度較高的全析因試驗設計，以找到對目標優化影響最大的變量[4]。為提高效率，同時保證精度，每個因素選取2個水平。各個變量對目標的影響結果如圖7所示，圖中直線斜率代表影響程度，斜率越大，則影響程度越大。

從圖7可以看出，頭枕彎管（圖中綠色線條）、座框大彎管（圖中紫色線條）對目標的影響最大，且厚度越大，目標值越小。靠背邊板厚度（圖中藍色線條）以及調角器上板厚度（圖中紅色線條）對目標幾乎沒有影響。因此增加頭枕彎管和座框大彎管厚度可最大程度地增加座標的強度。

4.3 動力分析計算及分析

將座框大彎管厚度設為2.5 mm，并將頭枕彎管厚度由2 mm改為3 mm，再次進行動力分析計算，計算結果如圖8所示。頭枕彎管處最大vonmiss應力為222 MPa，座框彎管最大vonmiss應力為195 MPa，均在屈服強度以內，可見改進后的座椅強度能夠達到國標要求。

5 結束語

通過有限元軟件Hypermesh建立了座椅頭枕及骨架靜強度分析模型，并用Ls_dyna進行求解，從結果可以看出，該座椅設計強度不足。針對試驗結果進行了DOE分析，發現座椅頭枕彎管和座框大彎管的厚度對其強度的影響大于座椅其他部件，并針對試驗結果提出改進方案，通過對改進方案的計算分析結果表明，改進后的座椅結構能滿足座椅頭枕強度試驗的國標要求。

[1] 霍慶澤.歐洲NCAP將汽車座椅及頭枕碰撞結果納入新標準[J].汽車世界.2009(2):42-43.

[2] GB 11550－ 2009.汽車座椅頭枕強度要求和試驗方法[S].

[3] 趙 海鷗.L S-DYNA動 力分析指南 [M ].北 京:兵 器工業出版社,2003.

[4] 侯 淑娟.薄 壁構件的抗撞性優化設計 [D ].湖 南大學,2007.