復合材料座椅前、后極限強度仿真分析

王迪，鄭欲鋒，張健

（上海汽車集團股份有限公司前瞻技術研究部，上海 201804）

引言

復合材料的應用是汽車輕量化的一種重要途徑，座椅是汽車的安全部件，盡管座椅重量占車身總重量的比例較小（僅為1.5%-2%），但作為乘員艙內最重要、質量較大的部件之一，座椅為整車輕量化所做的貢獻不容忽視。所以，考慮采用復合材料應用于靠背骨架和座盆、結合包膠注塑工藝，實現復合材料座椅的輕量化目的。

在復合材料座椅靠背和座盆結構開發時，需要進行一系列性能分析，其中包括前、后極限強度性能分析。因此，本文通過定義復合材料座椅結構力學分析流程、有限元建模方法，對前、后極限強度性能進行評價。

1 復合材料座椅結構

復合材料座椅結構包括靠背發泡總成、座墊發泡總成、頭枕總成、靠背骨架、座墊滑道總成、座盆、旁側板，其中，復合材料座椅靠背和座盆選用了一種熱塑性連續纖維板材（預浸料編織板材）和短纖維塑料粒子（注塑于熱壓后的連續纖維板材上，起增強及塑形的作用）為原材料（材料參數見表1、表2），座墊骨架等部件仍為金屬件，如圖1所示。

表1 短纖維粒子參數

表2 連續纖維板材參數

圖1 復合材料座椅爆炸圖

2 結構力學分析流程

復合材料座椅靠背、座盆結構力學性能分析流程如圖 2所示。

圖2 分析流程圖

3 有限元建模方法

3.1 有限元模型組成

有限元基礎模型包含以下內容：

a）靠背骨架、座盆、頭枕

b）連接鈑金、下橫梁

c）靠背和座墊彈簧

d）靠背和座墊泡棉

e）地板

材料和屬性信息：

a）復合材料參數

b）鋪層角度、厚度等

3.2 軟件要求

分析過程所需軟件，如表3所示。

表3 軟件列表

3.3 建模要求

3.3.1 統一單位

模型單位統一如表4所示。

表4 單位制

3.3.2 坐標系

由于需要定義材料的方向，分析時需要同時使用全局坐標系和局部坐標系。

全局坐標系X軸正方向是從車頭指向車尾，Y軸的正方向按照駕駛員的角度，從左指向右，Y=0位于車輛的中心線處，Z軸的正方向是從地面指向車頂。

局部坐標系用于定義材料的方向，X軸一般情況下平行于復合材料中增強相材料的鋪設方向。

短纖維區域不需要定義局部坐標系。

3.3.3 網格劃分與尺寸定義

復合材料結構件的網格只能使用殼單元模擬，并根據結構的特點，將結構網格分為不同的區域，便于定義局部坐標系。

靠背和座盆網格尺寸3mm。

3.3.4 連接方式

a）靠背骨架與連接鈑金的連接模擬

靠背骨架與連接鈑金單邊采用兩組 M10螺栓螺母進行固定連接，內嵌螺母用殼單元模擬，螺栓采用BEAM單元，內嵌螺母與靠背骨架間采用Tied連接模擬，如圖3所示。

圖3 靠背骨架與連接鈑金的連接

b）短纖維區域與連續纖維區域連接模擬

靠背骨架和座盆采用包膠注塑工藝，連續纖維區域包裹在短纖維區域中，從而提高靠背和座盆整體的剛度和強度。在處理靠背骨架網格時，在短纖維區域中偏移出同連續纖維區域對應的面積相等的區域。短纖維區域與連續纖維區域連接通過Tied連接進行模擬。

c）加強筋和本體的連接采用Tied連接模擬。

d）頭枕與靠背連接采用Rigidbody剛性單元模擬。

e）靠背、座盆面套掛鉤和面套之間的連接通過關鍵字*CONSTRAINED_NODE_SET模擬。

f）靠背彈簧與掛鉤固定點的連接方式通過Rigidbody剛性單元模擬。

g）座盆與座墊骨架連接模擬。

座盆與座墊骨架采用螺栓螺母連接，座盆內置嵌件用殼單元模擬，嵌件同座盆通過 Tied連接模擬，螺栓用 BEAM單元模擬，如圖4所示。

圖4 座盆與座墊骨架連接

h）復合材料座盆與座墊彈簧采用掛鉤連接，座墊彈簧與掛鉤通過Tied連接模擬，如圖5所示。

圖5 座盆與座墊彈簧連接

3.4 控制卡片說明

為了提高座椅復合材料分析精度，要減小分析時間步長，經驗值為 3×10-7。

4 材料測試及力學參數

4.1 材料測試

連續纖維增強材料測試包括：準靜態和動態測試，如果只進行準靜態虛擬分析，則不需要進行動態測試。

a）沿纖維方向和垂直纖維方向的拉伸力學性能測試；

b）沿纖維方向和垂直纖維方向的壓縮力學性能測試；

c）面內和面外剪切力學性能測試。

盡可能的獲得多個鋪層方向上的力學性能，如30°、45°，用于標定材料模型。

短纖維增強材料測試包括：任意方向切割試樣，進行拉伸、壓縮和剪切力學性能測試。

4.2 仿真所需的材料參數

材料參數主要包括強度參數和剛度參數等，具體的材料參數見表5。

表5 材料參數

4.3 材料卡片

定義的連續纖維增強材料為正交各向異性材料，用MAT58號材料卡片模擬，材料局部坐標通過AOPT定義，關鍵字信息如圖6所示。

圖6 MAT58材料卡片定義

短纖維增強材料近似為各向同性材料，用 MAT24號材料卡片模擬。

材料卡片說明：

a）采用經典層合板理論解析復合材料結構力學行為；

b）不考慮層合板的分層失效；

c）可考慮材料的拉壓不對稱特性。

4.4 鋪層卡片

鋪層通過殼單元屬性定義，積分點個數代表層數，ICOMP選1，同時定義鋪層方向。如圖7所示為總厚為1mm的方向均為0°的2層鋪層結構。

圖7 鋪層卡片定義

4.5 復合材料結構失效評價

通過以下判斷材料失效：

a）連續纖維區域：當所有層均達到最大有效應變值，單元失效。最大有效應變值由擬合得到。

b）短纖維區域：超出失效應力，單元失效。

當材料不允許出現破壞時，連續纖維區域材料主方向應力和剪切應力應小于許用強度。

5 前、后極限強度仿真分析

5.1 要求

復合材料靠背骨架和座盆取代原座椅靠背骨架和座盆，相關零部件進行適應性設計；復合材料座椅結構性能要求不低于原座椅。骨架的永久變形都不得超過 20°，骨架不能有任何裂縫或者損壞的緊固件。靠背調節機構不需要可操作，但需要能夠解鎖。

5.2 工況介紹

5.2.1 前向極限強度

在靠背骨架上施加向前的1500 Nm的力矩，并沿施加力的方向測量骨架的變形量，在500 Nm時施力點變形量不得超過130 mm，如圖8所示。

圖8 前向極限工況示意圖

5.2.2 后向極限強度

在靠背骨架上施加向后的2500 Nm的力矩，并測量骨架在施力點的變形量，在500 Nm時變形量不得超過80 mm，在1500 Nm時不得超過150 mm，如圖9所示。

圖9 前向極限工況示意圖

5.3 分析結果

5.3.1 前向極限強度

當施加力達500 Nm時，施力點變形量為6 mm；當施加力達1500 Nm時，骨架未出現失效現象。綜上所述，靠背骨架滿足前向極限強度要求。相關結果數據見圖10所示。

圖10 前向極限后處理

5.3.2 后向極限強度

當施加力達500 Nm時，施力點變形量為1 mm；當施加力達1500 Nm時，施力點變形量為44 mm；當施加力達2500 Nm時，骨架未出現失效現象。綜上所述，靠背骨架滿足后向極限強度要求。相關結果數據見圖11所示。

圖11 后向極限后處理

6 總結

本文提出了復合材料座椅結構力學分析流程、有限元建模方法，通過仿真方法對前、后極限強度性能進行評價。

[1] 沈觀林,胡更開,劉彬.復合材料力學（第2版）[M].北京:清華大學出版社,2013.

[2] 趙麗濱,徐吉峰.先進復合材料連接結構分析方法[M].北京:北京航空航天大學出版社,2015.