汽車(chē)駕駛員座椅強(qiáng)度及安全性分析

王萬(wàn)偉

摘要：座椅對(duì)汽車(chē)安全性來(lái)說(shuō)非常關(guān)鍵，對(duì)汽車(chē)座椅進(jìn)行安全性設(shè)計(jì)，就是為了提高座椅的安全功能。因此，本文先是闡述汽車(chē)座椅強(qiáng)度設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容，對(duì)座椅安全性設(shè)計(jì)中有限元法的應(yīng)用進(jìn)行分析，舉例說(shuō)明利用有限元法對(duì)座椅進(jìn)行安全性設(shè)計(jì)的過(guò)程，希望為提高汽車(chē)座椅的安全性能帶來(lái)幫助。

關(guān)健詞：汽車(chē)座椅;安全性設(shè)計(jì);有限元法

1、前言

汽車(chē)量現(xiàn)在越來(lái)越多，交通事故發(fā)生得越來(lái)越頻繁。在發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)，安全的座椅能夠保護(hù)乘車(chē)人員。危險(xiǎn)來(lái)臨時(shí)，座椅將人保護(hù)在一個(gè)有限的安全空間，阻止其他諸如汽車(chē)配件、物品等打破安全空間。另外，乘車(chē)人員在安全的座椅上能夠維持安全的狀態(tài)，之后其他的安全保障措施再發(fā)揮作用。為汽車(chē)設(shè)計(jì)安全的座椅就是為了減少事故發(fā)生時(shí)人員的傷亡情況。從安全作用出發(fā)，座椅的組成部分主要有靠背、座墊、頭枕、座椅整體與車(chē)身相連的部分等。

2、座椅強(qiáng)度的設(shè)計(jì)

汽車(chē)座椅安全性設(shè)計(jì)的重中之重便是它的強(qiáng)度。使用汽車(chē)時(shí)，座椅承載的負(fù)荷是復(fù)雜的。因此，如果汽車(chē)座椅強(qiáng)度不夠，座椅上的人會(huì)受到額外傷害;座椅的使用壽命如果不夠長(zhǎng)，更換頻繁還麻煩;受到巨大撞擊時(shí)，安全座椅不會(huì)發(fā)生斷開(kāi)、變形等問(wèn)題。因此，安全的汽車(chē)座椅對(duì)強(qiáng)度要求非常高，但同時(shí)也要控制成本，節(jié)約材料，滿足最高的強(qiáng)度要求。

2.1 座椅結(jié)構(gòu)型式的設(shè)計(jì)

關(guān)于整體座椅的安全性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮到對(duì)車(chē)內(nèi)其他系統(tǒng)作用的影響及與其他位置之間如何連接等問(wèn)題。

2.2 靠背的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)安全靠背時(shí)需要結(jié)合靠背的強(qiáng)度、角度、一般大小及形狀。當(dāng)車(chē)輛發(fā)生追尾或者測(cè)碰等交通事故時(shí)，靠背的強(qiáng)度應(yīng)該很好地保護(hù)到乘車(chē)人員的安全。上文提到的靠背強(qiáng)度、角度、一般大小及形狀等都極大影響到被撞擊時(shí)的嚴(yán)重程度。

2.3 座墊的設(shè)計(jì)

正常來(lái)說(shuō)，座墊不會(huì)給乘車(chē)人員帶來(lái)直接沖擊，但其結(jié)構(gòu)對(duì)乘坐人員的運(yùn)動(dòng)過(guò)程、到他身上的作用力及加速度、力等外部負(fù)重大小都有很深的影響。設(shè)計(jì)深度座墊應(yīng)堅(jiān)持對(duì)靠背的充分利用，合理支撐臀部重量。座墊深度應(yīng)該短于我們大腿長(zhǎng)度。

2.4 頭枕的設(shè)計(jì)

頭枕是一種彈性裝置，起到不讓乘坐人員頭部跟軀干相比往后移動(dòng)的作用。當(dāng)車(chē)輛受到撞擊時(shí)，盡可能降低頸椎的傷害。特別是車(chē)輛追尾時(shí)，防止我們頭部向后靠，減少頸部的進(jìn)一步損傷。

3、有限元法在座椅安全性設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)安全的汽車(chē)座椅時(shí)，主要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)研究，不過(guò)試驗(yàn)成本過(guò)高、所需要的時(shí)間也很長(zhǎng)。現(xiàn)在計(jì)算機(jī)發(fā)展迅速，計(jì)算方法也得到了加強(qiáng)，目前比較常將模擬計(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)合起來(lái)進(jìn)行研究，優(yōu)點(diǎn)是可以重復(fù)、能夠存儲(chǔ)更多信息、不用花很長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)發(fā)且經(jīng)濟(jì)損耗小。汽車(chē)座椅骨架結(jié)構(gòu)是空間板系與空間桿系的組合，因?yàn)樾枰骖櫟礁鱾€(gè)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，因此不是完全對(duì)稱(chēng)的;另外，使用汽車(chē)時(shí)，，座椅承載量很大，各零件在結(jié)構(gòu)中時(shí)不時(shí)彎曲或扭轉(zhuǎn)。由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，建議采取有限元法仿真座椅系統(tǒng)，優(yōu)點(diǎn)還是挺明顯的，既不用耗費(fèi)過(guò)多人力、物力、財(cái)力，最后取得的效果還很好。在這之前，一般都是用簡(jiǎn)單的鋼管結(jié)構(gòu)組成汽車(chē)座椅骨架，傳統(tǒng)分析強(qiáng)度用的是空間梁?jiǎn)卧５?dāng)時(shí)硬件設(shè)施與軟件質(zhì)量不高，座椅有限元模型相對(duì)簡(jiǎn)單，沒(méi)有復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)和單元。現(xiàn)在，出現(xiàn)了各種各樣的座椅結(jié)構(gòu)形式，已經(jīng)不需要簡(jiǎn)單的空間梁?jiǎn)卧椒耍渌Ｈ缈臻g板殼單元、實(shí)體單元等反而越發(fā)受到重視。

4、座椅安全性設(shè)計(jì)實(shí)例分析

拿有限元方法來(lái)說(shuō)，下面進(jìn)行具體分析，說(shuō)明用有限元方法設(shè)計(jì)安全汽車(chē)座椅的一般過(guò)程。

4.1 建立座椅幾何模型

座椅的零件高達(dá)上百個(gè)，建模前必須分析座椅的整體結(jié)構(gòu)，根據(jù)各零件對(duì)強(qiáng)度的不同需求和不同程度進(jìn)行篩選。主要支撐座椅的關(guān)鍵部位，建模必須精確，最大可能保障正確的模型建成;而有些零件與靜強(qiáng)度特性無(wú)關(guān)緊要，那么就可以只針對(duì)其關(guān)鍵形狀建模;剩下的零件幾乎與強(qiáng)度無(wú)關(guān)，甚至可以不建模。座椅有負(fù)重時(shí)，骨架承載的重量最大，但其表面的座椅無(wú)法替它分擔(dān)重量，基本上沒(méi)有承重作用。同時(shí)，座椅覆蓋物的形狀不盡相同，也無(wú)規(guī)律可循，因此對(duì)它們的建模則很沒(méi)有必要，工作量加大不說(shuō)，也不會(huì)使結(jié)果更加精確。所以，有限元建模時(shí)基本不考慮軟墊和蒙皮等座椅覆蓋物。綜上，分析座椅強(qiáng)度特性時(shí)，重點(diǎn)放在座椅骨架總成上。幾何建模采用的軟件應(yīng)已廣泛用在航天、航空、國(guó)防、造船、汽車(chē)等各大領(lǐng)域。

4.2 建立座椅總成強(qiáng)度有限元計(jì)算模型

幾何模型建立起來(lái)之后，要?jiǎng)澐钟邢拊W(wǎng)格、定義邊界條件和增加負(fù)重量，做好有限元計(jì)算建模。按照座椅骨架總成的特點(diǎn)，將薄板件定義為SHELL單元，其中包括靠背側(cè)梁、盆形底座、橫梁、橫梁加強(qiáng)板、頭枕靠面及調(diào)角器總成等，其他部件承受的是彎曲力及剪切力，比如管框、橫管、頭枕梁、滑軌之類(lèi)的，選擇定義為BEAM單元。確定邊界條件時(shí)，需要按照座椅實(shí)際上的裝置地方、裝置方式和試驗(yàn)時(shí)的裝夾方式。由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB15083 -1994來(lái)確定載荷。規(guī)定在座椅總成質(zhì)心處水平前后，載荷是座椅總成質(zhì)量的二十倍，需要座椅承擔(dān);承擔(dān)過(guò)程中，車(chē)體和座椅之間必須牢固。試驗(yàn)過(guò)程中，在座椅軟墊表面上固定夾具，不直接接觸座椅骨架，現(xiàn)有的有限元模型中不存在座椅覆蓋物。這里可以選擇MPC的多點(diǎn)約束法定義負(fù)重。

4.3 有限元計(jì)算分析座椅總成強(qiáng)度

作為目前較先進(jìn)的大型通用非線性有限元力學(xué)分析軟件，在選擇了MSC.PATRAN建立座椅總成強(qiáng)度的有限元計(jì)算模型后，打包生成了分析文件，由ABAQUS進(jìn)行計(jì)算。有限元計(jì)算分析座椅總成強(qiáng)度包括水平向前向后兩種。加載水平向前后時(shí)，座椅總成沒(méi)有怎么改變形狀，最大應(yīng)力在座椅調(diào)角器與座椅底面外側(cè)板連接處和鎖柄位置，外側(cè)板連接處這個(gè)位置需要選擇耐腐蝕的鐵制材料，要求非常抗壓。而鎖柄處的位置應(yīng)該選擇剛性材料，這樣座椅骨架總成的性能就可符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，保障與車(chē)身穩(wěn)固連接。

5、結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)階段，我國(guó)汽車(chē)發(fā)展喜人，道路也越來(lái)越復(fù)雜，我們需要越來(lái)越安全的汽車(chē)座椅。汽車(chē)的安全性越發(fā)受到關(guān)注，我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展還有很大的進(jìn)步空間。有必要重視安全座椅的開(kāi)發(fā)，沒(méi)有最安全，只有更安全。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王暄.現(xiàn)代汽車(chē)安全[M].北京：人民交通出版社，2018：45-50.

[2] 陳志平.大型工程有限元分析軟件及其應(yīng)用[J].電子機(jī)械工程，2017，（05）：31-33.

[3] 姚為民，孫丹丹.汽車(chē)座持系統(tǒng)安全性綜述[J].汽車(chē)技術(shù)，2017，（08）：134-135.

[4] 李攻關(guān)，田棚.汽車(chē)駕駛員座椅強(qiáng)度及安全性分析[J].工程技術(shù)（引文版），2016，（08）：21.

[5] 林祖勝，蘭靛靛，鄧兵.商用車(chē)司機(jī)座椅骨架有限元建模與優(yōu)化[J].廈門(mén)理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2016（05）：63.

[6] 馮需，楊宏剛，王燕.汽車(chē)駕駛座椅人-機(jī)系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)[J].汽車(chē)與安全，2016（06）：86.

（作者單位：洛陽(yáng)市動(dòng)物疫病預(yù)防控制中心）