專用小學生校車座椅的CAE仿真分析及試驗驗證

馬瑞雪，王 欣，覃禎員，李 弢，毛星子

（重慶車輛檢測研究院 國家客車質量監督檢驗中心，重慶 401122）

校車座椅標準[1]發布實施后，由于該標準與現有的座椅標準有較大的差異性，沒有引起多數座椅企業的重視，導致很多試驗樣品不能滿足標準要求。某款校車座椅初次試驗不合格，企業自己進行多次直觀改進，再多次試驗都未通過該標準要求。后經重慶車輛檢測研究院為其進行仿真分析，有針對性地進行結構改進后試驗才合格。基于此，本文采用有限元仿真分析方法建立該校車座椅有限元模型，并結合試驗驗證該模型的有效性和可靠性；通過CAE仿真模擬座椅試驗全過程，根據CAE仿真分析結果提出校車座椅結構改進的可行性方案。

1 有限元模型的建立

1.1 三維模型的建立及有限元網格化

根據某校車座椅廠家的座椅實物模型和二維圖紙利用CATIA軟件建立三維幾何模型。分別建立了坐墊泡沫、靠背泡沫、座椅骨架、支撐架的三維模型，然后根據安裝螺栓孔進行三維裝配。為了減少不必要的計算量，在實際建模時進行適當的簡化，除去一些對結果影響不大的倒角和凸臺。

將建立好的三維模型轉化為IGES格式輸出后導入ANSA軟件中，對模型進行幾何清理及網格劃分。座椅骨架和支撐架采用四邊形網格，座椅泡沫采用六面體網格；體單元采用的是SOLID95，殼單元采 用 的 是 SHELL181。SHELL181是厚殼單元，包含彎曲、薄膜和剪切效應[2]。建立的校車座椅網格有限元模型如圖1所示。

1.2 邊界條件的設置

在仿真分析中，為防止座椅骨架與泡沫之間相互穿透或者部件產生大變形時自身產生穿透，需要對可能接觸部件表面之間的接觸類型以及接觸相關的一些參數進行定義。座椅與泡沫部件之間采用自動單面接觸(*Contact_Automatic_Single_Surface)，座椅支撐架與地面的接觸采用自動面-面接觸（*Contact_Automatic_Surface_To_Surface）。邊界條件根據標準要求及座椅試驗情況定義。采用國內外廣泛采用的有限元后處理軟件LS-DYNA仿真座椅前傾和后傾試驗過程。

1）座椅前傾性能試驗的模擬。根據文獻[1]的要求對座椅靠背后部施力，位置從座椅后部向前，施力高度在被測座椅的后面座椅R點上下102 mm之間的任意水平面內。通過下模板在5～30 s內施加3114 N的力。達到規定力后，在1 s內立即降到1557 N，將下模板保持在此位置，同時放置上模板。上模板位置為從座椅后部向前，高度在被測座椅的后面座椅R點以上406 mm的水平面內，對上模板設置一個位移為356 mm的邊界條件[1,3]。并根據文獻[1]中的力-位移曲線區間判定計算結果。仿真模型如圖2所示。

2）座椅后傾性能試驗的模擬。根據文獻[1]的要求對座椅靠背后部施力，位置從座椅前部向后，施力高度在被測座椅的后面座椅R點以上343 mm之間的任意水平面內。對模板設置一個位移為356 mm的邊界條件[1，3]，并根據文獻[1]中的力-位移曲線區間判定計算結果。仿真模型如圖3所示。

2 仿真結果與試驗結果對比

原校車座椅在重慶車輛檢測研究院國家客車質量監督檢驗中心進行過試驗。圖4為校車座椅的某次前傾試驗結果；圖6為該校車座椅的后傾試驗結果。因此，可通過將仿真結果的變形情況、力-位移曲線與試驗數據進行對比分析，從而驗證仿真分析的可靠性和有效性。

2.1 變形結果對比

圖5為該座椅某次前傾試驗對應的仿真分析最大變形圖，靠背與坐墊的夾角為34°；圖5中試驗結果為最大變形狀態下靠背與坐墊的夾角為37°。圖7為該座椅某次后傾試驗對應的仿真分析最大變形圖，靠背與坐墊的夾角為118.5°；圖7中試驗結果為最大變形狀態下靠背與坐墊的夾角為122°。仿真分析與試驗結果基本一致。座椅變形比較大，靠背和坐墊的連接部件發生極大的扭曲變形，導致座椅失效。

2.2 力-位移響應曲線對比

根據文獻[1]要求的力-位移曲線區間判定分析結果。力-位移曲線能夠綜合地反映座椅在整個試驗過程中受到不同階段力的變化過程，也可通過力-位移曲線看到座椅在施力過程中座椅骨架結構變化以及變形的影響因素。因此，仿真分析中采用力-位移曲線響應作為判定座椅是否合格的依據，并根據試驗與仿真結果的力-位移響應曲線的吻合程度來驗證仿真分析的有效性和可靠性。

通過圖8可以看到，該座椅在某次前傾試驗和仿真分析中，第二個模塊對座椅靠背施加力之后，座椅向前移動105 mm時，曲線超出了邊界線；在第二個模塊向前移動200 mm時，曲線急劇下降，座椅發生失效。仿真曲線和試驗曲線的變化趨勢基本吻合，其最大峰值誤差僅為8.7%。圖9為該座椅某次后傾試驗和仿真分析的力-位移曲線。通過曲線可以看出，在座椅靠背向前運動110 mm時，曲線超出了邊界線。仿真分析，曲線在同一處超出邊界線，在第二個模板向前250 mm時座椅發生失效。試驗與仿真曲線基本吻合。表明所建立的有限元仿真模型能夠反映座椅在試驗過程中的響應。

2.3 座椅的安全性評價

根據對應的應力仿真計算的分布云圖，如圖10可知，該座椅的“前傾試驗”與“后傾試驗”的最大應力分別為417 MPa和407 MPa，而且最大應力位置均集中在靠背與坐墊骨架的連接部件上和座椅固定件與地板的連接處，與試驗情況相符合。靠背與坐墊的連接部件與座椅固定件均采用的是Q235材料，其屈服極限為235 MPa。該座椅的“前傾試驗”和“后傾試驗”最大應力均遠遠超過了其屈服極限，座椅發生嚴重的塑性變形[4-6]，從而失效。分析結果與2.2相吻合。

2.4 改進設計

本次改進方案的目的是通過CAE分析，有針對性地增強座椅強度，同時盡可能不帶來大的成本增加；盡可能確保結構材料和結構形式變化不大，而且還要具有良好的工藝性[7-10]。因此，本次改進從兩方面著手：對分析過程中應力偏大的位置進行加厚；對局部高應力區域修改結構[11]。

結構改進設計后的前傾、后傾仿真分析的力-位移曲線如圖11和12所示。依據文獻[1]，改進設計后的座椅前傾、后傾性能均在要求邊界線之內，而且曲線并沒有急劇下降的趨勢，吸收能量均大于904 J，這表明座椅未發生失效，符合標準要求。對應改進設計的座椅實物的試驗結果與其仿真分析結果一致，最終順利通過了文獻[1]要求的試驗。

3 結束語

采用仿真分析方法對座椅進行文獻[1]要求的模擬試驗，其有效性和可靠性通過某校車座椅的試驗得到了驗證。在此基礎上對校車座椅的結構安全性進行評價，并提出改進措施。改進后的校車座椅結構安全性得到了改善，通過了文獻[1]的要求。這表明采用CAE仿真分析和改進設計是很有效的，可以降低開發成本和縮短開發周期，提高試驗通過率。

[1]GB 24406-2009，專用小學生校車座椅及其車輛固定件的強度[S].北京：中國標準出版社，2009.

[2]王宏雁，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，(7)

[3]GB 24407-2009，專用小學生校車安全技術條件[S].北京：中國標準出版社，2009.

[4]符大興，李海，譚園芳.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)

[5]張君媛，黃炫，田迪斯，等.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)

[6]任杰，張俊輝，謝留宏.兒童安全座椅使用若干問題探討[J].公路與汽運，2011，（2）

[7]林逸，姚為民，孫丹丹.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)

[8]武一民，閻世竟.從安全性談汽車座椅系統參數設計[J].汽車研究與開發，1999，(3)

[9]謝友志.汽車安全座椅改進設計 [J].湖北汽車工業學院學報，2009，(2)

[10]燕峰，李世國.汽車座椅的設計與優化[J].鞍山科技大學學報，2004，(5)

[11]陳家瑞.汽車構造[M].北京：機械工業出版社,2000.