基于有限元的汽車座椅剛度優(yōu)化分析

耿動梁，戰(zhàn)楠，卜曉兵，李向榮

(中國汽車技術(shù)研究中心有限公司,天津 300300)

0 引言

汽車座椅作為聯(lián)系車上人員與車身最直接的組件，對乘員的安全、舒適度和駕駛體驗起著至關(guān)重要的作用。其中保證駕駛員和車上乘員的安全是座椅最基本也是最重要的作用。良好的座椅性能同時很好地配合氣囊能夠?qū)θ藛T安全起到比較理想的保護。在能夠保證人員安全的前提下，舒適性和良好的駕駛體驗等因素才具有意義。國內(nèi)與國外對座椅的研發(fā)深入程度有較大的差距，國外較早開展座椅研發(fā)，其中歐美、日本等一些較早展開座椅研發(fā)的國家已經(jīng)相繼出臺自己的座椅標(biāo)準(zhǔn)。通過這些標(biāo)準(zhǔn)很好地提升本國座椅的整體質(zhì)量。我國座椅的自主研發(fā)起步較晚，同時針對座椅的研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)的制定也相對較晚。我國當(dāng)下關(guān)于座椅的強制性標(biāo)準(zhǔn)大多參考?xì)W洲國家的一些座椅標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過修改形成了符合我國人員安全狀況的國家標(biāo)準(zhǔn)。早些年座椅的研發(fā)過程，多數(shù)是根據(jù)工程師的經(jīng)驗，形成初版的座椅產(chǎn)品，然后通過試驗，對座椅是否符合標(biāo)準(zhǔn)進行驗證。這樣的開發(fā)模式周期較長，而且進行試驗的座椅初版產(chǎn)品生產(chǎn)成本較高。如今可以引入CAE分析技術(shù)進行座椅的研發(fā)，在模型設(shè)計階段就對座椅結(jié)構(gòu)的各個國家標(biāo)準(zhǔn)工況進行校核驗證，在計算結(jié)果滿足要求的前提下，再進行試驗產(chǎn)品的生產(chǎn)，從而可以避免一些試驗風(fēng)險，縮短研發(fā)周期。通過試驗觀察到的基本是座椅結(jié)構(gòu)外部能看到的一些損壞或者不合格的地方，有些潛在的風(fēng)險點無法發(fā)現(xiàn)。通過CAE分析，可以對整個結(jié)構(gòu)的應(yīng)變、應(yīng)力進行觀察，高應(yīng)變風(fēng)險區(qū)域一目了然。

座椅結(jié)構(gòu)的安全分析包括主動安全和被動安全兩個大的研究方向。主動安全側(cè)重的是加強車上人員對危險狀況的提前預(yù)判和及時對危險信號做出應(yīng)對，主要針對的是駕駛?cè)藛T。被動安全側(cè)重的是座椅結(jié)構(gòu)的剛度和強度，以及調(diào)節(jié)裝置的性能好壞，是否能在發(fā)生危險的時候?qū)嚿先藛T起到很好的保護作用。這些保護作用包括減輕乘員損傷、提供生存空間以及維持乘坐人員一個較好的姿態(tài)以便于安全帶和安全氣囊等裝置能夠?qū)θ藛T起到應(yīng)有的保護作用。同時座椅裝置各個結(jié)構(gòu)之間以及座椅和車身之間連接性能的好壞也屬于座椅被動安全的分析范疇。本文作者主要針對座椅結(jié)構(gòu)的被動安全，依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)的要求對前排座椅骨架結(jié)構(gòu)的剛度進行優(yōu)化分析。

1 模型描述

1.1 座椅幾何模型特征

由于整車質(zhì)量在一定程度上影響著車輛的油耗情況，而作為整車結(jié)構(gòu)的一部分，座椅質(zhì)量的減輕，對整車的減重也有幫助。傳統(tǒng)的座椅結(jié)構(gòu)使用鈑金沖壓結(jié)構(gòu)較多，導(dǎo)致整體座椅質(zhì)量較大。同時，沖壓結(jié)構(gòu)需要借助模具才能進行生產(chǎn)，而汽車模具研發(fā)生產(chǎn)費用較高，大量的沖壓結(jié)構(gòu)件會造成整車研發(fā)成本的上升。因此此座椅骨架結(jié)構(gòu)根據(jù)每個零件所處的位置和承載力的情況大量使用了管材結(jié)構(gòu)。在此使用的是鋼管材料，如果質(zhì)量不滿足要求，還可以將鋼制管材替換為鋁合金管材。這種管材和鈑金沖壓件混合使用的方式給座椅骨架模型帶來足夠大的設(shè)計調(diào)整空間。

前排座椅的骨架結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個骨架結(jié)構(gòu)是由管狀結(jié)構(gòu)和鈑金沖壓件組成。座椅骨架是整個座椅質(zhì)量中的主要部分，經(jīng)實際的測量和對比，應(yīng)用管材在滿足結(jié)構(gòu)剛度和強度的前提下可以在一定程度上減輕座椅的整體質(zhì)量。

圖1 前排座椅骨架模型

1.2 有限元模型建立

1.2.1 單元特征

使用殼單元來劃分鈑金結(jié)構(gòu)和大直徑薄壁管材，用梁單元來模擬小直徑的管材和一些彈簧部件。

選取殼單元作為鈑金結(jié)構(gòu)和大直徑薄壁管件的建模單元是從計算精度、運算效率以及對幾何模型離散是否準(zhǔn)確來進行考慮的。在殼單元的形狀上，以四邊形單元為主，配合少量的三角形單元。采用四邊形單元為主是因為：四邊形單元的積分特性好于三角形單元，計算精度較高，可以有效保證模型計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。少量三角形單元的存在是因為三角形單元能更好地離散幾何模型的一些特殊區(qū)域。三角形單元對復(fù)雜過渡面的逼近性比四邊形單元要好很多。但是三角形單元本身為常應(yīng)力單元，即在單元內(nèi)部不做應(yīng)力平均，所以三角形單元出現(xiàn)較多的地方常會發(fā)生應(yīng)力失真的情況。鑒于三角形單元這種缺點，在整個建模過程中必須嚴(yán)格限制三角形單元所占的比例。在此作者把三角形殼單元比例低于5%作為一條網(wǎng)格質(zhì)量的評判標(biāo)準(zhǔn)。整體來講，整個座椅骨架結(jié)構(gòu)，在比較關(guān)注應(yīng)力應(yīng)變區(qū)域的部位爭取全部采用四邊形殼單元來進行劃分，在不太關(guān)注應(yīng)力應(yīng)變區(qū)域的部位可以適當(dāng)采用一些三角形單元進行過渡。

整個座椅骨架選用殼單元、梁單元和少量剛體單元來進行建模。其中鈑金沖壓結(jié)構(gòu)件和薄壁的粗管結(jié)構(gòu)采用殼單元來建模，鋼質(zhì)彈簧和直徑較小的管材采用梁單元來模擬[5]。零件之間的焊點連接結(jié)構(gòu)也是通過梁單元來模擬。除了梁單元和殼單元，對一些實體幾何零件用剛體單元模擬[6]。能使用剛體單元進行模擬的前提是對該零件的應(yīng)力應(yīng)變不做考察和關(guān)注，該零件主要起傳遞力和力矩的作用。

1.2.2 單元尺寸

關(guān)鍵網(wǎng)格單元的劃分標(biāo)準(zhǔn)如下：(1)殼單元基本尺寸為5 mm×5 mm；(2)殼單元最大尺寸不大于8 mm (關(guān)鍵部位控制在5 mm左右)，5～8 mm的單元控制在5%以內(nèi)；(3)殼單元最小單元尺寸不小于3 mm；(4)實體單元控制最小尺寸不小于4 mm，最大尺寸不大于8 mm，四面體劃分(實體單元零件較少)。

1.2.3 單元質(zhì)量

(1)質(zhì)量檢查準(zhǔn)則：翹曲(warpage)不大于15；橫縱比(aspect ratio)不大于5；歪斜度(skew)不大于60°；雅克比(jacobian)不小于0.6；四邊形單元內(nèi)角在[45°，135°]內(nèi)；三角形單元內(nèi)角在[20°，120°]內(nèi)。

(2)三角形單元數(shù)不能超過單元總數(shù)的5%。

通過對單元尺寸以及單元質(zhì)量參數(shù)的控制，能夠保證較高質(zhì)量的有限元網(wǎng)格，從而保證計算結(jié)果的正確。

網(wǎng)格單元劃分完成以后，根據(jù)座椅骨架幾何模型的連接方式，對整個有限元模型建立連接，其中連接方式包括：焊接、螺栓連接、綁定接觸以及一些轉(zhuǎn)動副連接。模擬座椅在車身上的安裝方式，給定邊界約束條件[3]。

2 工況的選取

2.1 座椅靠背及其調(diào)節(jié)裝置的性能分析

2.1.1 工況加載

工況加載方式如圖2所示：固定座椅底部與車身連接的支架結(jié)構(gòu)，在靠背模型上，施加相對于R點530 N·m的力矩，讓靠背模型壓向座椅靠背[1]。

圖2 工況加載示意

2.1.2 仿真結(jié)果

座椅靠背骨架在此工況下最大應(yīng)變云圖如圖3所示。以0.2作為整體零件材料發(fā)生塑性變形的一個界限標(biāo)準(zhǔn)，能夠看出應(yīng)變云圖中在座椅靠背主體部分，沒有發(fā)現(xiàn)紅色區(qū)域或者接近紅色的應(yīng)變區(qū)域。

圖3 座椅靠背骨架應(yīng)變云圖

由上可知，座椅在530 N·m力矩作用下，靠背骨架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，無失效風(fēng)險，能夠滿足GB 15083-2006座椅靠背及其調(diào)節(jié)裝置的試驗要求。

2.2 正面碰撞工況座椅結(jié)構(gòu)性能分析

2.2.1 工況加載

該工況標(biāo)準(zhǔn)出自QC/T 740-2017，規(guī)定要通過汽車正面的碰撞試驗，對配置假人的座椅狀況進行驗證分析，要求在減速時，假人不允許從安全帶里滑出，座椅零件及止動和調(diào)節(jié)裝置不準(zhǔn)碎裂或拉斷，允許彎曲[2]。

正面碰撞法規(guī)要求，使用Hybrid Ⅲ型假人，假人模型用安全帶固定在座椅上。座椅安裝到滑車上，具體的加載設(shè)置按照下列兩種情況中的任意一種進行：(1)滑車行駛速度為50 km/h，碰撞減速過程按照實際碰撞時的汽車減速情況；(2)采用正弦波形，在110 ms內(nèi)的減速過程中，在35 ms內(nèi)必須保持20g的加速度，加速度峰值達到35g。

在此碰撞工況中，按照第二種正弦波曲線的加載方式進行加載。座椅上的假人模型選擇95th的假人模型進行仿真計算。同時為了模擬車輛正面發(fā)生碰撞的情況，對座椅底端與車身連接部位施加向后的加速度。具體的工況加載情況如圖4、圖5所示。

圖4 95分位假人模型乘坐狀態(tài)

圖5 前撞加速度加載曲線

2.2.2 仿真結(jié)果

經(jīng)觀察計算得到的應(yīng)變云圖以及位移云圖，座椅骨架結(jié)構(gòu)并無較大的應(yīng)變發(fā)生區(qū)，說明整個座椅骨架沒有損壞失效的風(fēng)險。座椅骨架前端的橫梁受壓后向下彎曲的位移較大，如圖6所示。位移最大達到71 mm，導(dǎo)致假人有一定的下潛趨勢。

圖6 座椅骨架前端橫梁變形結(jié)果

2.3 后部碰撞工況座椅結(jié)構(gòu)性能分析

2.3.1 工況加載

該工況出自標(biāo)準(zhǔn)QC/T 740-2017，要求通過汽車向后的碰撞試驗，對配置假人的座椅狀況進行驗證分析，在碰撞時，汽車座椅的靠背可彎曲，但不允許沖撞其他物體；座椅零件不允許碎裂或拉斷，座椅和地板之間的固定裝置不允許扯斷，座椅止動裝置不允許松開，且應(yīng)保持其功能完好[2]。

后部碰撞要求，座椅總成安裝與滑車上，使用Hybrid Ⅲ型假人，假人用安全帶固定在座椅上。滑車加速度設(shè)置為：總的碰撞過程在110 ms內(nèi)，在此過程中，在35 ms內(nèi)必須保持8g的加速度，加速度峰值達到10g。

后部碰撞工況加載與正面碰撞工況的加載方式類似。同樣選用95th的假人模型進行計算，對座椅底部與車身連接的部位施加向前的加速度。加速度曲線如圖7所示。

2.3.2 仿真結(jié)果

經(jīng)查看計算結(jié)果中座椅骨架的應(yīng)變云圖(圖8—圖9)，可以發(fā)現(xiàn)在靠背骨架與坐墊骨架連接的位置，有一個零件發(fā)生較大變形，引起了局部較大的應(yīng)變，該位置有發(fā)生塑性變形失效的危險性。

圖7 后撞加速度加載曲線

圖9 座椅骨架高應(yīng)變區(qū)域

3 問題匯總

3.1 正面碰撞工況

在正面碰撞工況中，座椅前端的圓柱形管梁發(fā)生了較大的彎曲變形。這種變形雖然沒有發(fā)生破壞的風(fēng)險，但是對假人的姿態(tài)影響較大。由于假人是依靠安全帶約束在座椅上的，通常的安全帶都是三點式安全帶。當(dāng)發(fā)生正面碰撞時，假人向前運動，在巨大的加速度下壓迫座椅前端橫梁，如果座椅前端的橫梁彎曲變形產(chǎn)生位移過大，會導(dǎo)致假人模型過度下潛。嚴(yán)重的情況下腹部安全帶會滑脫到胸腔附近，這樣會對人體造成傷害。同時假人模型有從安全帶下方滑脫出去的風(fēng)險，從而使得座椅總成對人員失去保護作用。因此，座椅前端橫梁必須保證具有一定的剛度，不可發(fā)生過大的彎曲變形。

由于座椅前端骨架的剛度對座椅安全性是有幫助的，但是與座椅的舒適度恰好相悖。該部位結(jié)構(gòu)的加強必定導(dǎo)致座椅質(zhì)量有一定的增加，因此，該橫梁的剛度選擇要適中，不可無限制加強剛度。

3.2 后部碰撞工況

在后部碰撞的工況下，座椅靠背下方結(jié)構(gòu)件有屈服失效的風(fēng)險，需要給定足夠的安全余量。當(dāng)車輛后方遇到追尾等碰撞，巨大的加速度導(dǎo)致人體向后傾倒并壓到座椅靠背上，人體的壓力對座椅靠背底端轉(zhuǎn)軸處形成一個彎矩，使得該部位的結(jié)構(gòu)件受到彎矩的作用。由于開口形狀的鈑金結(jié)構(gòu)承受彎矩的能力較差，該結(jié)構(gòu)截面尺寸過渡又比較急促，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，因此需要進行一定程度的加強，才能提高座椅結(jié)構(gòu)在此工況下的應(yīng)對能力。此結(jié)構(gòu)位于整個座椅靠背的關(guān)鍵位置，結(jié)構(gòu)的屈服失效將會引起座椅向后翻折，從座椅靠背到座椅頭枕將失去對乘員的保護作用。在靠背向后翻折較嚴(yán)重的情況下，還將會對后排乘員造成傷害。

4 優(yōu)化方案

4.1 座椅前端橫梁加強

據(jù)觀察多款座椅的骨架結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，座椅前端橫梁在一部分座椅設(shè)計中使用的是方形截面的管件。相比于圓形截面管件，方管的抗彎能力會稍好一些[4]。但是在此座椅結(jié)構(gòu)中，由于結(jié)構(gòu)限制沒有采用方形管件。選擇圓形截面管件的另一個原因就是考慮到座椅舒適度的因素，圓形截面管件彈性變形較容易，對座椅減震性能會有一定的幫助。

鑒于截面形狀不可改變的情況，此次橫梁的優(yōu)化采用增加管壁的厚度來提升彎曲剛度。一是通過增加厚度選材比較容易，另一個原因是管材壁厚的增加對材料成本的增加影響較小。

4.2 靠背骨架結(jié)構(gòu)加強

由于該座椅沖壓模具已經(jīng)設(shè)計完畢，沖壓件的改動余量很小，除了厚度能夠微調(diào)外，鈑金形狀幾乎無法變更。

鑒于以上原因，為了應(yīng)對后部碰撞危險工況，必須對該危險區(qū)運用不更改原有零件的方式進行加強。

綜合考慮生產(chǎn)工藝和整個座椅質(zhì)量增加等因素，最終決定在該結(jié)構(gòu)附近增加一塊加強板，通過焊接將其連接到有屈服風(fēng)險的零件結(jié)構(gòu)上。加強件見圖10。對座椅骨架結(jié)構(gòu)左右兩側(cè)同時進行加強處理。

圖10 加強板模型結(jié)構(gòu)

5 優(yōu)化結(jié)果

5.1 座椅前橫梁優(yōu)化結(jié)果

通過增加座椅前端橫梁的管材壁厚，如圖11所示，在正面碰撞工況下，假人的下潛趨勢得到了一定的控制，從而避免了座椅系統(tǒng)對人員失去保護的風(fēng)險。優(yōu)化方式簡單易行，同時不會對座椅成本造成壓力。

從表1中可以看到，將該空心管橫梁的壁厚由1.5 mm增加到3.0 mm，變形量得到了有效控制。整個座椅的質(zhì)量增加量有限，總共增重378 g，并不會對座椅總質(zhì)量產(chǎn)生較大的影響。在碰撞過程中，假人運動姿態(tài)表現(xiàn)正常，安全帶也未發(fā)生較大的位移滑動。綜合來看，結(jié)構(gòu)改進之后在前向碰撞的工況下，整個座椅系統(tǒng)對假人起到了應(yīng)有的保護作用。

表1 橫梁優(yōu)化前后結(jié)果對比 mm

5.2 座椅靠背骨架優(yōu)化結(jié)果

對加強之后的座椅骨架進行后撞工況的驗證計算，計算完成后提取該部位的應(yīng)變云圖，如圖12所示。可以看到：由于在原來結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上附加了一塊加強結(jié)構(gòu)，該部位的剛度得到了明顯的加強，塑性變形風(fēng)險得到了有效的控制。

圖12 風(fēng)險區(qū)域應(yīng)變云圖

由圖12和圖9兩個結(jié)構(gòu)應(yīng)變云圖對比可以看出：給塑性變形危險區(qū)域增加一個加強板以后，該部位的應(yīng)變值得到了控制。局部的加強并未導(dǎo)致其他區(qū)域應(yīng)變值的大幅上升，說明該加強板對改善局部應(yīng)變起到了很好的作用。加強板本身質(zhì)量較輕約100 g左右，對座椅整體質(zhì)量的影響很小。通過增加很少的質(zhì)量，從而改善一個較為嚴(yán)重的風(fēng)險問題，是一種相對合理的優(yōu)化方式。

6 結(jié)論

通過增加座椅骨架前端橫梁管材的壁厚，運用簡單易行的方式順利解決風(fēng)險問題，且未對生產(chǎn)成本造成較大影響。

通過給座椅靠背骨架增加加強板的形式，對座椅骨架塑性變形的風(fēng)險區(qū)域進行加強并取得了良好的效果。該方式可以避免對原來結(jié)構(gòu)的修改，對工程進度幾乎不會造成影響。但是這種加強方式也有一定的局限性，即在該加強位置必須有足夠的空間來放置加強板，同時由于在原來基礎(chǔ)上增加結(jié)構(gòu)件，會引起座椅整體質(zhì)量的增加。