基于LS-DYNA的后排汽車座椅掛鉤仿真分析及優化設計

張泳華

(同濟大學汽車學院，上海 201805)

0 引言

針對項目開發過程中遇到的后排頭枕強度試驗失效問題，采用LS-DYNA有限元方法對實驗失敗原因進行分析。通過在仿真環境中再現試驗失效模式，優化結構設計，保證物理實驗順利通過，解決了項目開發過程中遇到的問題，完成了結構優化。

1 試驗設置

根據美國標準FMVSS 202A中對座椅頭枕強度的要求，作者對產品進行了試驗設置，具體試驗設置如圖1、圖2所示。

圖1 頭枕強度試驗加載過程

頭枕強度FMVSS 202A試驗，加載過程(見圖1)描述如下：

第1步：在模擬人體靠背的假背上加載373 N·m的扭矩，此時假背和座椅靠背緊貼。

第2步：用一個直徑165 mm的半球模擬人的頭部，以垂直于假背軀干線的角度加載37 N·m的扭矩。

第3步：作用于假頭上的扭矩從37 N·m增大到373 N·m。

第4步：作用于假頭上的扭矩減小到0，然后再增大到37 N·m。

第5步：作用于假頭上的扭矩減小到0，最后再加載集中力890 N，試驗結束。

圖2 頭枕強度物理試驗(美標FMVSS 202A法規)

如圖3 所示，在頭枕強度試驗(FMVSS 202A)測試中，后排座椅掛鉤鋼絲由于變形太大，在規定的載荷沒有達到的情況下，滑出了車身安裝支架限制區域，導致試驗失敗。初步分析試驗圖片，得出后排座椅骨架剛度不夠，導致掛鉤鋼絲變形過大。由于試驗在國外試驗室進行，無法根據試驗后的樣件作進一步的分析，故而需要在仿真環境中先再現失敗的試驗現象，然后對解鎖原因作進一步分析，并進行結構優化，最終通過試驗驗證仿真結果，完成結構的設計變更。

圖3 頭枕強度試驗時，發生后排座椅固定掛鉤滑脫區域

2 仿真分析

2.1 仿真模型的設置

使用有限元軟件LS-DYNA進行求解，后處理用HyperWorks軟件進行仿真結果分析。

模型設置如下(如圖4、圖5所示)：鈑金件采用殼單元模擬，座椅發泡采用四面體單元模擬，鋼絲采用一維的梁單元模擬，加載用的假背和假頭使用剛體模擬。加載方法為強制運動緩慢加載，有限元求解方法為顯示算法。

圖4 頭枕強度試驗仿真模型工況設置

圖5 仿真模型中掛鉤尺寸

2.2 仿真結果分析 (物理試驗失效模式，仿真環境再現)

根據仿真結果(后排座椅掛鉤區域)分析如表1所示。

表1 后排座椅掛鉤區域原始設計分步仿真結果分析

通過對座椅頭枕的有限元建模，成功復現了物理試驗解鎖的結果(圖2)，出現風險的區域和現象完全一致，可以認為當前的有限元模型能夠比較完整地模擬這一試驗。基于該有限元模型進行的進一步分析結果，可以用來分析此次試驗失效的原因，并且可以作為進一步結構優化的基礎模型。

此案例中后排座椅靠背掛鉤鋼絲滑出支架限制區域，是由于座椅骨架剛度不夠引起的。但是具體是哪個區域剛度不夠引起最終的變形過大，并導致鋼絲滑出，需要作進一步的分析，并找到解決方案。仔細分析有限元仿真結果，作者發現此案例中的座椅骨架主要為鋼絲結構，這個結構可以有效降低整個座椅的質量，但卻存在局部剛度不夠的缺陷。分析整個力的傳遞過程，發現中央鋼絲的大變形使得在掛鉤鋼絲區域產生了一個向上的合力，最終使得掛鉤鋼絲滑出支架限制區域(如圖6所示) 。

圖6 原始設計方案力的傳遞路徑圖

因而設想，通過變更掛鉤鋼絲形狀，使得由座椅骨架傳遞過來的作用力產生向下的分力，初步的設計變更方案如圖7所示。

圖7 變更前后掛鉤鋼絲形狀

對基礎有限元模型變更掛鉤鋼絲設計后，重新計算得出如表2所示的結果。

表2 變更掛鉤鋼絲設計后有限元分析結果

續表2

經過初步驗證，初步設計變更方案可以滿足美國法規FMVSS 202A中對于后排座椅頭枕的強度要求。

由于采用了顯示算法來對準靜態的加載過程進行有限元求解，計算時間較長，對于快速優化結構不太有利。為了進行快速迭代計算，作者選擇工況更加惡劣、但是計算時間較短的后空碰工況，對座椅骨架結構進行進一步驗證。詳細設置及仿真結果詳見下一節。

2.3 仿真工況簡化：快速迭代計算

2.3.1 后空碰工況

加載曲線為圖8所示的峰值超過25g的加速度曲線，有限元模型為座椅靠背骨架總成，包含靠背發泡、座椅頭枕及模擬車身安裝環境的夾具。加載曲線作用于用于模擬車身環境的夾具上，方向為車輛前進方向(-X方向)。座椅靠背和夾具的連接方式為螺栓連接加掛鉤鋼絲掛于支架限制區域處。

經過計算，仿真結果分析如表3所示。

經過對比頭枕強度工況和后空碰工況仿真結果，發現初步設計變更方案可以滿足頭枕強度要求，卻無法滿足后空碰工況要求。出于對整個產品可靠性的考慮，該初步設計變更方案無法滿足設計要求，需在此基礎上做進一步的優化，以滿足所有工況要求。

后排座椅掛鉤區域變形圖(初步設計變更方案)后空碰仿真結果分析加載起始階段，掛鉤鋼絲處于支架限制區域底端，沒有滑出風險隨著加載慢慢進行，掛鉤鋼絲開始沿著支架限制區域向上滑動當加載達到加速度峰值區域時，掛鉤鋼絲已經向上滑動到支架限制區域的上部頂端。說明在后空碰工況下，初步設計變更方案依然發生掛鉤鋼絲滑出支架限制區域情況，存在后空碰試驗失敗風險

2.3.2 后空碰工況下多種假設方案驗證

基于對后排靠背骨架變形過程中力的傳遞路徑判斷，雖然初步設計變更方案中在力的傳遞末端，通過掛鉤鋼絲的本身變形，產生了一定的向下作用力，可以順利通過頭枕強度試驗，但在更加惡劣的后空碰工況下，掛鉤鋼絲本身變形已經不足以產生足夠的向下作用力來平衡向上的作用力，故該設計方案無法通過后空碰工況。因此，下面的結構優化，應把方向放在如何直接將骨架鋼絲變形傳遞過來的作用力直接轉化為合力向下的作用力上，防止掛鉤鋼絲滑出支架限制區域，保證掛鉤鋼絲區域不發生解鎖現象，順利完成結構設計改進和優化。

經過有限元仿真計算得到如下分析結果，并將結果對比如表4所示。

2.4 多工況仿真后小結

綜上所述，經過多輪仿真分析，基于力傳遞路徑推算出設計薄弱區域，通過仿真假設的方案進行矩陣求解，同時考慮工藝和生產成本及減重等因素，通過LS-DYNA有限元仿真軟件成功再現了失效試驗，并提出多種仿真假設，成功得到了最終設計方案。在仿真的環境中，滿足了多種工況要求。經過仿真優化的最終方案的力傳遞路徑如圖9所示。下一步需要進行物理試驗驗證該方案的可行性。

表4 幾種方案的比對

續表4

圖9 仿真優化的最終方案的力傳遞路徑

3 物理試驗驗證仿真結果

通過基于LS-DYNA的有限元仿真，成功優化出了最終狀態的結構，并制造出樣件進行了后空碰和頭枕強度工況的試驗校核。最終狀態的掛鉤鋼絲結構如圖10所示。

圖10 最終狀態的掛鉤鋼絲結構

經過試驗驗證，最終試驗結果和仿真結果相一致(如圖11所示)。通過有限元仿真分析，成功找到了導致頭枕強度試驗失效的原因，并通過仿真分析和結構優化實現了減少物理實驗次數、降低開發成本、加快開發進度的目標。

圖11 最終試驗結果

4 結論

通過此案例中對后排頭枕強度的試驗，進行失效模式的仿真再現，成功利用LS-DYNA對掛鉤鋼絲的結構進行了優化設計。仿真過程中兼顧了多種工況快速迭代計算，綜合考慮了多種工況對于同一結構的設計影響。最終通過仿真優化出最優方案，并順利通過物理試驗，并優化了鋼絲焊接工藝，成功解決了物理試驗中后排座椅掛鉤解鎖的工程問題。減少了多次重復試驗的次數，實現了減重的設計目標，加快了項目開發進度。實現了仿真再現物理試驗失效模式，進而運用仿真模型進行結構優化并制造出物理樣件，最終成功運用物理試驗驗證仿真結果的閉環工程開發流程，是一次成功運用有限元仿真技術解決實際工程問題的案例。

參考文獻:

[1]趙海鷗.LS-DYNA動力分析指南[M].北京：兵器工業出版社，2003.