客車后排3人椅試驗仿真與鉤件尺寸優化

唐友名， 肖光華， 陳昌萍， 薛清

(1. 廈門理工學院 福建省新能源汽車與安全技術研究院， 福建 廈門 361024；2. 廈門理工學院 福建省客車及特種車輛研發協同創新中心， 福建 廈門 361024；3. 廈門金龍汽車座椅有限公司， 福建 廈門 361022)

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客車后排3人椅試驗仿真與鉤件尺寸優化

唐友名1,2， 肖光華1,3， 陳昌萍1， 薛清3

(1. 廈門理工學院 福建省新能源汽車與安全技術研究院， 福建 廈門 361024；2. 廈門理工學院 福建省客車及特種車輛研發協同創新中心， 福建 廈門 361024；3. 廈門金龍汽車座椅有限公司， 福建 廈門 361022)

為了降低座椅鉤件的材料成本，采用Hyperworks軟件建立某款客車后排3人座椅的有限元模型.基于GB 14167-2013《汽車安全帶安裝固定點、ISOFIX 固定點及上固定點系統》進行座椅安全帶固定點試驗與仿真，對比分析上、中、下3條繩索最大位移量，驗證仿真模型有效.在仿真模型基礎上，針對座椅后腳鉤件提出3組優化方案，選取最優方案，利用Optistruct模塊對最優方案鉤件進行尺寸優化.結果表明：在滿足安全帶固定點試驗法規的前提下，座椅鉤件厚度從10 mm減至2.5 mm；采用Q235材料代替原SAPH590材料，可以降低座椅鉤件成本.

客車座椅； 安全帶； 尺寸優化； 汽車安全

汽車座椅作為乘員約束系統的主要安全部件，在汽車被動安全保護中起著重要作用.在汽車碰撞中汽車座椅起著保持乘員生存空間，使其他約束裝置實現保護效能的作用[1-9].GB 14167-2013《汽車安全帶安裝固定點、ISOFIX固定點系統及上拉帶固定點》規定座椅安全帶固定點應具備的最低強度[3].為了座椅及其固定件能夠有效保護乘員的生命安全，專家學者進行了相關的研究.Kang等[4]通過分析座椅安全帶固定點強度，提出檢查焊點斷裂有效標準.Hu等[5]使用有限元方法對大型客車的安全帶固定點強度進行分析.Somsak等[6]研究在汽車發生前碰的情況下，身體尺寸小的孩子需要更向前的上安全帶固定點、內固定點和外固定點去避免滑脫.覃國周[7]對汽車座椅安全帶固定點常見失效形式及原因進行探討.謝曉波等[10]基于LS-DYNA，驗證了運用有限元顯式積分分析汽車安全帶固定點強度的方法.座椅是汽車約束系統的重要組成部分，同時，企業對座椅的成本非常敏感.因此,在滿足法規要求的前提下，降低座椅的成本是有必要的.本文提出客車后排3人椅試驗仿真與鉤件尺寸優化.

1 有限元模型的建立

1.1 座椅模型網格劃分

選用的座椅為某款客車后排3人椅汽車，座椅主要由座椅骨架、海綿組成.座椅骨架大部分通過殼單元模擬，坐墊泡沫由體單元模擬.對于該有限元模型，座椅骨架部分殼單元尺寸以4 mm為主；座椅海綿部分體單元尺寸以10 mm為主；剛性人體樣塊部分殼單元尺寸以20 mm為主.整個模型有155 579個節點，171 221個單元，其中，三角形單元有3 359個，占總單元的2%，滿足小于5%的建模要求.座椅骨架材料為鋼材，座墊為泡沫材料.通過對座椅拉伸和壓縮，獲得材料數據.座椅安全帶固定點試驗及試驗有限元模型，如圖1所示.

(a) 座椅安全帶固定點試驗 (b) 座椅試驗有限元模型圖1 有限元模型Fig.1 Finite element model

1.2 邊界條件的施加

由于試驗設備的限制，實際通過試驗機施加載荷的力值(F)曲線，如圖2所示.圖2中：施加載荷力值曲設為加載邊界條件.

圖2 試驗機施加載荷的力值曲線Fig.2 Force value curve of ropes loading

按照國家標準GB 14167-2013《汽車安全帶安裝固定點、ISOFIX 固定點及上固定點系統》，安全帶固定點強度試驗有以下2個規定.

1) 沿平行于車輛的縱向中心平面并與水平線成向上(10±5)°的方向施加10%的綜合預加載，然后，增加載荷至總荷載.

2) 通過繩索對上模塊施加(13.5±0.2) kN的試驗載荷，與此同時，對下人體模塊施加(13.5±0.2) kN的試驗荷載.在座椅質心施加一個相當于座椅總質量20倍的力值，3人座椅質量為28.5 kg.

表1 實際試驗對座椅施加荷載

為了更好地驗證座椅的強度，實際對座椅施加的荷載為1.3倍的施加法規力值，如表1所示.表1中：F1為預緊力；VF為加載力速率；F2為目標力值；t為達到目標力值保持時間.

2 座椅仿真分析及模型驗證

對比試驗和仿真分析結果的上、中、下繩索的最大位移，試驗與座椅仿真的3根繩索最大位移分別為試驗值183.8 mm(上繩索)、仿真值185.8 mm(上繩索)；試驗值88.3 mm(中繩索)、仿真值91.3 mm(中繩索)；試驗值191.3 mm(下繩索)、仿真值197.5 mm(下繩索).通過對比上、中、下繩索最大位移值可知:3根繩索試驗和仿真的最大位移值的誤差均在5%可接受的范圍內.因此，建立的有限元模型是可靠的，可以用于后面的優化分析.

3 后排座椅的后腳鉤件優化

原座椅的鉤件由SAPH 590鋼材、10 mm厚的單片鈑金通過激光切割工藝制作，質量約278 g，達到了安全帶固定點強度試驗的要求.為了降低鉤件的成本，對其提出3種優化方案.方案1，將鉤件改成SAPH 440鋼材、3 mm厚單片鈑金凹槽式鎖鉤.方案2，將鎖鉤改成使用鋼材、3 mm厚的的凹槽鎖鉤.方案3，基于方案2，通過鐵片將凹槽尾鉤相連.基于上述的3個方案，修改有限元模型，并通過有限元仿真進行計算,驗證方案可行性.上述改進方案，如表2所示.

表2 鉤件優化方案

通過仿真分析，可得方案1、方案3通過法規GB 14167-2013的安全帶固定點強度試驗，方案2不能通過，確定方案3為最優方案.座椅鉤件優化方案仿真分析結果，如圖3所示.

(a) 方案1 (b) 方案2 (c) 方案3圖3 鉤件3種優化方案仿真分析結果Fig.3 Simulation results of 3 hook optimization schemes

4 座椅鉤件厚度尺寸的優化

上述優化方案是通過更改鉤件的結構、材料、尺寸厚度達到優化效果.為了達到更省成本的目標，可進一步對后腳鉤件優化.選取上述最優方案，通過Optistruct模塊對后腳鉤件進行尺寸優化，以期得到最省材料的方案.Optistruct結構優化模塊，包括拓撲優化、尺寸優化、形貌優化和自由形狀優化.文中以后腳鉤件的質量最小為目標函數進行優化，尺寸優化設計的數學模型[9-11]為

對后腳鉤件進行強度約束，根據材料力學強度公式，對于塑性材料，其許用應力值計算公式[11]為

式中:σs為材料的屈服極限；ns為材料的安全系數.

該后腳鉤件材料Q235，取安全系數為1.5，計算出的許用應力為[σ]=156.67 MPa.因此,當試驗過程中座椅最大應力≤[σ]時，才能滿足強度要求.

對安全帶固定點試驗進行靜力分析，取加載力值達到峰值時的座椅狀態，由對安全帶加載的力值轉化為對各安全帶固定點的力，作為座椅Optistruct優化模型的邊界條件.對座椅骨架上的安全帶固定點沿安全帶方向施加17.9 kN的力值，對靠骨架上的安全帶固定點沿安全帶方向施加20.3 kN的力值，對靠骨架安全帶導向處沿安全帶方向施加兩個20.3 kN的力值，如圖4所示.

(a) 座骨架上的安全帶固定點 (b) 靠骨架上的安全帶固定點 (c) 靠骨架安全帶導向點圖4 靜力力值施加Fig.4 Static force loading

模型經優化仿真計算得到后腳鉤件厚度優化結果由原厚度3 mm優化為2.43 mm，如圖5所示.通過Optistruct優化可知，后腳鉤件的最終優化結果為2.43 mm，取整為2.5 mm，帶入原計算模型驗證.座椅滿足安全帶固定點試驗，鉤件沒有被拉脫，優化方案可行，其驗證結果如圖6所示.

圖5 后腳鉤件尺寸優化結果Fig.5 Size optimization result of rear hook

(a) 試驗初 (b) 試驗中 (c) 試驗后圖6 優化后的座椅安全帶固定點試驗Fig.6 Experiment of seatbelt anchorages after optimizing

5 結束語

建立某款3人后排座椅有限元模型，通過與試驗對比驗證其有效性.為了降低座椅成本，提出座椅鉤件的3種優化方案，選取最優的優化方案，并通過Optistruct模塊進行鉤件的厚度優化.最后，實現了將后腳鉤件材料由SAPH 590替換為Q 235鋼材，將厚度10 mm減少為2.5 mm，質量約為206 g，較原鉤件減少25%的質量，并可通過激光切割制作，沒有增加工藝難度，得到了良好的優化結果，降低了座椅鉤件成本.

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[2] 張科峰,李弢,王欣等.客車座椅仿真分析及輕量化結構設計[J].客車技術與研究,2013,5(5):20-22.

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[4] KANG S J,CHUN B K.Strength analysis of automotive seat belt anchorage[J].International Journal of Vehicle Design,2004,26(5):496-508.

[5] HU Jingwen,WU Jun,MATTHEW P R.Rear seat restraint system optimization for older children in frontal crashes[J].Traffic Injury Prevention,2013,14(6):614-622.

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[10] 謝曉波,顧悅嘉,楊少彬,等.基于Optistruct的地鐵構架有限元強度分析及優化[J].中國制造業信息化,2012,41(1):38-42.

[11] 林昌華,茍曉明,程明.基于OptiStruct的摩托車車架結構優化[J].機械強度,2014,36(3):425-431.

(責任編輯： 陳志賢 英文審校： 崔長彩)

Simulation Analysis on Rear Three-Occupant Seats for Bus Coach and Hook Size Optimization

TANG Youming1,2, XIAO Guanghua1,3,CHEN Changping1, XUE Qing3

(1. Institute of New Energy Vehicle and Safety Technology, Xiamen University of Technology, Xiamen 361024, China;2. Collaborative Innovation Center for Research Design of Coach and Special Vehicle,Xiamen University of Technology, Xiamen 361024, China;3. Xiamen Dragon Seat Corporation Limited, Xiamen 361022, China)

In order to reduce material cost of seat hooks, a finite element model of rear three-occupant seats for bus and coach was established by using Hyperworks software. According to GB 14167-2013 standard, experiments and simulations of the seatbelt anchorages were carried out to compare the maximum displacement of upper, middle, and lower ropes. Based on the above models, three groups of optimization schemes for seat hook design were proposed. With the best scheme the hook size was optimized using Optistruct. The analysis results showed that, when Q235 steel was used to replace the original SAPH590 steel, thickness of the seat hook can be reduced from 10 mm to 2.5 mm, and the material cost of seat hook can be consequently reduced, without the comprise of safety of seatbelt anchorages.

bus seat; seatbelt; size optimization; vehicle safety

10.11830/ISSN.1000-5013.201606003

2016-06-01

唐友名(1981-)，男，副教授，博士后，主要從事車輛安全與新能源汽車技術的研究.E-mail:tangyouming@xmut.edu.cn.

國家自然科學基金資助項目(51305374)； 福建省高校杰出青年科研人才基金項目(JA14229)； 廈門理工學院對外合作專項(E201400300)

U 461.91

A

1000-5013(2016)06-0671-05