基于某車型后排座椅安裝點的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

曾鳳　周文斌　蔣子慶

【摘 要】隨著近年來汽車保有量的持續(xù)增長，安全問題日益凸顯。汽車座椅的后排安裝點需要滿足座椅安裝點強(qiáng)度的法規(guī)要求，同時還要滿足行李廂沖擊試驗及安全帶拉力試驗的要求，其結(jié)構(gòu)設(shè)計至關(guān)重要。文章通過對某車型后排座椅安裝點的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，采用CAE輔助分析，提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。

【關(guān)鍵詞】座椅加強(qiáng)板；結(jié)構(gòu)改進(jìn)；CAE分析

【中圖分類號】U463.836 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2017）03-0031-04

0 引言

汽車座椅是乘員的直接承載體，也是汽車的一種被動安全保護(hù)裝置，對乘員的安全性保護(hù)起著至關(guān)重要的作用。除了對座椅自身結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度有要求外，座椅與車身的連接點也必須保證可靠不失效，尤其對于后排座椅，還需要滿足行李廂沖擊試驗和安全帶拉力試驗。因此，座椅在車身上的安裝點結(jié)構(gòu)設(shè)計是車身設(shè)計的重點之一。

本文基于某車型后排座椅安裝點安全帶拉力試驗中出現(xiàn)的高失效風(fēng)險問題，采用CAE輔助分析手段，對其固定點結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果滿足法規(guī)要求，改進(jìn)方案成功通過了試驗驗證。通過這一實例，總結(jié)了后排座椅安裝點結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)驗，為今后進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計提供了借鑒和參考。

1 背景

某車型后排座椅采用四六分座椅的結(jié)構(gòu)，六分座椅有2個后腳安裝點，其中內(nèi)側(cè)的安裝點布置在后車架后地板橫梁二的翻邊上。為了提高后排乘客的舒適度，增大后排座椅前部空間，需將后排座椅的安裝點整體往后移動60 mm，導(dǎo)致六分座椅的內(nèi)側(cè)后安裝點由后車架后地板橫梁二上移動到了橫梁外。后排座椅的安裝螺母布于座椅安裝加強(qiáng)板上，先與后座椅下板焊接之后，再與后車架的后地板橫梁二通過電阻點焊連接，后排座椅通過螺栓安裝在此座椅安裝加強(qiáng)板上（如圖1所示）。

在對座椅后移60 mm后的初版結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行安全帶拉力試驗?zāi)M分析的時候發(fā)現(xiàn)，座椅中后腳的固定點處焊點力普遍偏大（如圖2所示），都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目標(biāo)值（3 kN），焊點開裂失效的風(fēng)險特別大。

2 原因分析

通過對CAE分析結(jié)果進(jìn)行研究，同時對初版數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)深入分析后我們認(rèn)為，該處焊點力偏大的原因有以下幾點。

（1）該座椅安裝點為六分座椅的右后安裝點，座椅上端即為安全帶施力點，為試驗過程中受力最大的安裝點。

（2）座椅安裝加強(qiáng)板X向尺寸偏小，焊點離受力點近，特別是座椅安裝點的后方，為受力敏感點，但焊點數(shù)量偏少，容易導(dǎo)致焊點力集中而失效。

（3）此結(jié)構(gòu)中的座椅安裝加強(qiáng)板是一個簡單的平板，與后座椅下板焊接后，實際上僅相當(dāng)于局部加厚，整個結(jié)構(gòu)的剛度并沒有改善，依然偏弱，在試驗過程中容易導(dǎo)致地板變形嚴(yán)重。

（4）后排座椅的中后安裝點受力時，座椅安裝加強(qiáng)板和后座椅下板將會先受力被拉起，然后座椅安裝加強(qiáng)板、后座椅下板和后地板橫梁二之間的焊點再受力被拉扯開，此時的受力為剝離力，容易開裂。

后地板橫梁二由于受其他結(jié)構(gòu)限制而無法后移，所以需要通過更改座椅安裝點的結(jié)構(gòu)來改善此處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度。

3 改進(jìn)方案

3.1 方案一

方案描述：更改座椅安裝加強(qiáng)板的X向尺寸，使其延長至后座椅下板的斜面上，增加座椅安裝點后方座椅安裝加強(qiáng)板和后座椅下板之間的焊點，同時更改座椅安裝加強(qiáng)板的搭接結(jié)構(gòu)，使其先與后地板橫梁二焊接，再與后座椅下板焊接（如圖3所示）。此更改的結(jié)構(gòu)使座椅安裝點處的力分散至受力敏感點上，座椅安裝加強(qiáng)板、后座椅下板和后地板橫梁二之間的焊點力由剝離力更改為剪切力，座椅安裝點受力時，座椅安裝加強(qiáng)板和后地板橫梁二先受力，然后再擠壓后座椅下板使其受力，連帶后座椅下板一起變形。

方案分析：CAE分析結(jié)果如圖4所示，我們發(fā)現(xiàn)方案一的焊點力普遍下降[如圖4（a）所示]，說明增加座椅安裝點后側(cè)焊點是有效的，但是下降數(shù)值有限，仍超過目標(biāo)值。由于結(jié)構(gòu)變更已經(jīng)使焊點力轉(zhuǎn)化為剪切力，焊點開裂的風(fēng)險已經(jīng)下降，但是通過焊點連接帶動后座椅下板和后地板橫梁二變形后，后地板橫梁二的應(yīng)變急劇增大至0.226[如圖4（b）所示]，已超目標(biāo)值0.12，因此出現(xiàn)了鈑金撕裂的高風(fēng)險。因為座椅安裝加強(qiáng)板和后座椅下板之間的結(jié)構(gòu)更改，對整個結(jié)構(gòu)的剛度幾乎沒有影響，所以失效風(fēng)險還是很高。

3.2 方案二

方案描述：在方案一的基礎(chǔ)上新增加強(qiáng)板，新增的加強(qiáng)板前端延長至后地板橫梁二處，與后地板橫梁二焊接，形成密封式腔體。新增的加強(qiáng)板后端仍延長至后座椅下板斜面，并更改座椅安裝螺母板，增加座椅安裝螺母板和新增加強(qiáng)板的焊接（如圖5所示）。此結(jié)構(gòu)主要是通過增加密封式腔體，提升安裝點處座椅安裝加強(qiáng)板和后座椅下板之間的剛度，座椅安裝點受力時，座椅安裝螺母板最先受力，然后拉動新增加強(qiáng)板和原座椅安裝加強(qiáng)板，同時擠壓后座椅下板變形。

方案分析：CAE分析結(jié)果顯示應(yīng)變很小，說明提升結(jié)構(gòu)剛度也能有效地降低失效風(fēng)險。但此方案還需關(guān)注焊點力。方案二的CAE受力分析（如圖6所示），我們可以看出座椅安裝加強(qiáng)板和后座椅下板之間的焊點力顯著下降，但是此結(jié)構(gòu)的座椅安裝螺母板和新增加強(qiáng)板在后座椅下板斜面上的焊點卻超過了3 kN，且由結(jié)構(gòu)可以看出，此時焊點受到的是剝離力。該方案雖然有效地降低了座椅安裝加強(qiáng)板和后座椅下板之間的焊點力，但引起了新焊點的開裂風(fēng)險。

3.3 方案三

方案描述：結(jié)合方案一和方案二，保留座椅安裝點后側(cè)新增的焊點，將座椅安裝螺母板布置于座椅安裝加強(qiáng)板下方，同時更改座椅安裝加強(qiáng)板的結(jié)構(gòu)，在座椅安裝螺母板的兩側(cè)增加筋條（如圖7所示）。該方案通過增加筋條保留了一定的腔體結(jié)構(gòu)，從而提升整個安裝點結(jié)構(gòu)的剛度，又將座椅安裝螺母板和座椅安裝加強(qiáng)板之間的焊點力由剝離力轉(zhuǎn)換為剪切力。當(dāng)座椅安裝點受力時，座椅安裝螺母板和座椅安裝加強(qiáng)板最先受力，然后拉動后地板橫梁二，同時擠壓后座椅下板，使后座椅下板受力變形。

方案分析：由CAE的分析結(jié)果（如圖8所示）可以看出，該方案顯著降低了座椅安裝點處的焊點力，其中有一個焊點的焊點力超了3 kN，但是此焊點受到是對地板的擠壓力，開裂風(fēng)險很小。同時，查看整個結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分析結(jié)果，顯示最大應(yīng)變僅為0.102，小于0.12，也滿足要求。因此，我們判斷此方案能有效地降低安全帶拉力試驗的失效風(fēng)險。

4 驗證

我們采用方案三制造樣車進(jìn)行了一次后排四六分安全帶拉力摸底試驗，試驗結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)焊點開裂或是鈑金撕裂的現(xiàn)象，其他考核指標(biāo)也都滿足國家相關(guān)法規(guī)的要求。因此，我們最終選定方案三，即將座椅安裝螺母板布置在座椅安裝加強(qiáng)板的下方，在座椅安裝螺母板兩側(cè)增加座椅安裝加強(qiáng)板的加強(qiáng)筋來提升剛度，并延長座椅安裝加強(qiáng)板，在后座椅下板斜面處增加焊接。實施方案三后進(jìn)行正式的后排四六分安全帶拉力試驗，試驗再一次成功通過。

5 結(jié)論

在對某車型后排座椅安裝點的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，我們基于初始數(shù)據(jù)計算，找出可能存在的問題，然后嘗試了不同的方案對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，最終得到了滿足試驗要求的改進(jìn)方案。通過對設(shè)計結(jié)構(gòu)的不斷對比和研究，我們得出了有效降低安全帶拉力試驗中座椅安裝點處失效的方法。

（1）座椅安裝加強(qiáng)板的X向尺寸應(yīng)該適當(dāng)加長，在座椅安裝點后側(cè)的受力敏感點增加焊點，建議最好使座椅安裝點布置在座椅安裝加強(qiáng)板中間或是靠前的位置。

（2）座椅安裝加強(qiáng)板需要適當(dāng)增加筋條，可以通過設(shè)計有一定的腔體結(jié)構(gòu)來提升整個結(jié)構(gòu)的剛度。

（3）優(yōu)化座椅安裝加強(qiáng)板和座椅安裝螺母板的結(jié)構(gòu)，使其受力方式能由剝離力更改為剪切力。這些新的思路和經(jīng)驗，為今后相似結(jié)構(gòu)的設(shè)計及類似問題的解決，提供了借鑒和參考，更有利于日后座椅安裝點處的優(yōu)化設(shè)計。

參 考 文 獻(xiàn)

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[責(zé)任編輯：鐘聲賢]