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一种镁合金座椅骨架的强度性能研究

2020-11-01 22:48:16·  来源：焉知汽车座椅与内外饰  
　
作者 |陈甜斌（上海汽车集团股份有限公司技术中心）来源 |期刊-《汽车工艺与材料》、汽车轻量化在线摘要：为满足未来汽车对座椅轻量化的要求，提出一种轻量化镁
作者 | 陈甜斌（上海汽车集团股份有限公司技术中心）
来源 | 期刊-《汽车工艺与材料》、汽车轻量化在线

摘要：为满足未来汽车对座椅轻量化的要求，提出一种轻量化镁合金座椅骨架设计方案。该方案中镁合金靠背和坐盆均为一体式结构，可以在保证骨架强度性能的同时降低骨架重量。为了研究镁合金座椅骨架的静态及动态强度性能，分别使用Ls-Dyna 软件以及软钢模样件对镁合金座椅骨架进行了FEA 仿真分析和强度试验验证，结果表明镁合金座椅骨架可以满足试验标准要求。在保证强度足够的情况下，新设计镁合金座椅靠背比原钢结构靠背总成重量减轻44.5%，新设计镁合金座椅坐盆比原钢结构坐盆总成重量减轻37.2%。
 
关键词：轻量化设计 镁合金座椅 静态强度 动态强度
 
1 前言
在2020 年CES 国际消费电子展上，国际知名汽车公司纷纷发布了面向未来自动驾驶时代的概念车型，例如奔驰的Vision AVTR、宝马的i3 Urban Suite 等。而聚焦到未来座椅的设计上，各大汽车厂商都不约而同地选择了更具科技感和未来感的轻量化座椅。可以预见，轻量化设计必然会成为未来汽车座椅设计的最为明显的趋势之一。由于传统汽车座椅骨架的重量在座椅总成重量中占据较大比例，一般在60%～70%，所以座椅轻量化的实现关键在于座椅骨架的轻量化。目前在座椅骨架轻量化领域，主流整椅厂商和汽车厂商主要在2 个方向进行研究，一方面优化座椅骨架的结构，去除冗余设计；另一方面则是尝试在座椅骨架上使用新型轻质材料，例如高强度钢、镁合金、铝合金、碳纤维等。其中，通过优化座椅骨架结构设计的方法，一般可以为整椅带来10%～15%的减重空间，对座椅轻量化提升有限[1]。因此，为适应未来汽车对座椅轻量化的需求，轻量化座椅骨架技术将成为未来的一个重要研究方向。
镁合金是一种轻质、可再循环、有良好铸造性能的绿色材料。镁合金作为目前工业生产中最轻的结构材料之一，在汽车上已有比较成熟的研究和应用[2]。镁合金在比强度，延伸率方面表现较好，在弹性范围内受到冲击载荷时吸收的能量较大，具有良好的消震性能，对有机物和碱具有良好的耐腐蚀性，成本也相对适中[3]。因此提出一种轻量化镁合金座椅骨架并对其静态强度、动态强度进行分析验证，以满足未来家用汽车市场对轻量化座椅的需求。

2 镁合金座椅骨架设计
镁合金在座椅骨架上应用时，主要用于替代原钢制结构框架，包括靠背骨架和坐盆骨架。座椅滑轨、调角器、调高泵等机构件，一般与传统钢制骨架无差别。现有的研究已经表明，当镁合金与钢的板材厚度比达到1.2∶1 时，两者将具有相同的强度；当镁合金与钢的板材厚度比达到1.7∶1时，两者将具有相同的刚度[4]。镁合金的密度约为钢的2/9，因此可以通过调整镁合金座椅骨架厚度，使其拥有钢骨架相同的力学性能的同时，实现骨架重量的降低。
座椅骨架作为座椅的支撑结构，直接决定了座椅的机械性能，具备良好强度性能的座椅骨架可以避免乘员在事故中受到严重伤害。本文提出的镁合金座椅骨架与原钢制结构座椅骨架对比如图1 所示。在镁合金座椅骨架中保留了原钢制结构座椅骨架中减重能力有限的滑轨、调角器、调高泵等机构件，从而保证座椅骨架的强度性能。用镁合金结构替代原靠背总成和坐盆总成，以实现座椅轻量化设计的目的。
 
图1 钢制与镁合金座椅骨架示意
通过研究各大主流汽车厂家的座椅骨架设计并借鉴镁合金的压铸成型经验，提出一种基于镁合金材料的一体压铸成型座椅靠背及坐盆结构。如图2 所示，镁合金一体压铸成型的靠背骨架基本保持了原钢制结构靠背总成的外廓形状，并为面套、腰托、安全气囊等座椅附件保留了安装位置。在镁合金一体压铸成型靠背骨架的两侧边板和上横管区域，设计了加强筋结构进一步提升骨架的强度。镁合金一体压铸成型靠背骨架的应用，使得座椅靠背骨架总成重量从钢制结构的2.56 kg 降低至1.42 kg，靠背减重达44.5%。镁合金一体压铸成型工艺同样被应用于坐盆骨架，使得坐盆骨架总成重量从钢制结构的2.53 kg 降低至1.59 kg，坐盆减重达37.2%。镁合金一体压铸成型工艺可以有效降低焊接成本和装配时间。
 
图2 镁合金一体压铸成型座椅靠背和坐盆

3 镁合金座椅骨架强度FEA分析
为了校核镁合金座椅骨架的强度性能，需要先对镁合金座椅骨架进行FEA 仿真分析。利用Ls-Dyna工具建立镁合金座椅骨架的有限元模型，其中镁合金座椅靠背使用壳和实体混合单元建立模型，坐盆则使用实体单元建立模型。在镁合金座椅骨架总成模型的建立中，使用刚性单元和梁单元建立螺栓模型，使用刚性单元建立焊缝模型[5]。镁合金座椅骨架所用镁合金材料的屈服强度和抗拉强度分别为125 MPa和248 MPa。

3.1 镁合金座椅骨架静态强度FEA分析
按照SMTC 标准《前排座椅骨架极限载荷试验》前排座椅骨架极限载荷试验（前向）方法对镁合金座椅骨架静态强度进行仿真分析，在靠背上横板中心位置，加载一个沿着垂直于假人躯干线方向向前的载荷，试验要求如下。
在座椅骨架总成上施加向前的1 500 N·m 的扭矩，试验结束后，骨架不应有裂缝。
图3 所示为向前加载1 500 N·m 扭矩时镁合金座椅骨架总成极限载荷强度分析结果，其中图3a为前排座椅骨架极限载荷试验示意，图3b 为镁合金座椅骨架应力分布。从图3b 上可以看出在加载到1 500 N·m 扭矩时，应力最大区域出现在靠背上横板附近，最大应力值为141.5 MPa，大于镁合金材料的屈服强度但小于镁合金材料的抗拉强度；镁合金坐盆骨架的最大应力为121 MPa，小于镁合金材料的屈服强度。该结果表明镁合金座椅靠背骨架有塑性变形的风险，但不会出现破坏现象，镁合金坐盆未出现塑性变形和裂纹。
 
图3 前排座椅骨架极限载荷试验应力分布

3.2 镁合金座椅骨架动态强度FEA分析
按照SMTC 标准《前排座椅正碰性能试验方法》前排座椅正碰性能（50% Hybrid III 假人）试验方法对镁合金骨架动态强度进行分析，将一个完整包覆的座椅总成安装在车身或者能够代表车身的夹具上,并将该车身或夹具固定在试验用的滑台上。在座椅总成上搭载一个50% Hybrid III 假人。设置座椅靠背角度到设计位置，设置头枕、滑道和高度调节装置到中间位置。加载正向56 km/h 的整车碰撞加速度曲线到试验滑台。试验要求不得有任何的断裂、撕裂和其它结构失效。所有的锁定和调节机构必须保持完整，除了允许乘员进出的机构，如靠背解锁外，可以不具备调节功能。
 
图4 所示为镁合金座椅正碰性能试验分析结果，其中图4a 为前排座椅正碰性能试验示意，图4b为镁合金座椅骨架应力分布。从图4b 上可以看出镁合金座椅骨架上最大的应力出现在坐盆区域，最大应力值为220.9 MPa，大于镁合金材料的屈服强度并且小于镁合金材料的抗拉强度；镁合金靠背的最大应力为127.9 MPa，略大于镁合金材料的屈服强度并且小于镁合金材料的抗拉强度。结果表明镁合金座椅靠背骨架和坐盆骨架出现了一定的塑性变形但未出现破坏现象，镁合金材料有一定的安全余量。
 
图4 前排座椅正碰性能试验应力分布

4 镁合金座椅骨架强度试验验证
镁合金座椅骨架通过静态强度、动态强度的FEA 仿真分析后，开发镁合金靠背、镁合金坐盆软钢模具，进行小批量生产，并制成镁合金座椅骨架总成。为了验证镁合金座椅骨架的强度性能是否能够满足汽车行业的需要，参考相关试验标准对镁合金座椅骨架进行了静态强度和动态强度试验验证。
4.1 镁合金座椅骨架静态强度试验验证
按照设计的镁合金座椅骨架数据制作样件进行镁合金座椅骨架静态强度性能验证。按照SMTC 标准《前排座椅骨架极限载荷试验》前排座椅骨架极限载荷试验（前向）方法要求，在靠背顶部中间垂直于靠背向前施加1 500 N·m 的扭矩，如图5 所示，试验结果如下。
a.镁合金骨架极限载荷试验前后角度变化量为4.1°；
b.骨架在施加1 500 N·m 时变形量为72.1 mm；
c.试验结束后，骨架未出现任何裂纹或损坏的紧固件，靠背调角器可以正常进行调节。
由此说明设计的镁合金骨架静态强度性能可以满足SMTC标准《前排座椅骨架极限载荷试验》标准要求。
 
图5 前排座椅骨架极限载荷试验验证
4.2 镁合金座椅骨架动态强度试验验证
按照镁合金座椅骨架数据制作样件进行镁合金座椅骨架动态强度性能验证。按照SMTC 标准《前排座椅正碰性能试验方法》前排座椅正碰性能（50% Hybrid III 假人）试验方法要求，在镁合金座椅总成上搭载50% Hybrid III 假人，并加载正向56 km/h的整车碰撞加速度曲线到试验滑台，如图6 所示，试验结果如下。
 
图6 前排座椅正碰性能试验验证
a.没有任何的断裂、撕裂和其它结构失效；
b.所有的锁定和调节机构保持完整；
c.试验结束后，靠背可以解锁。
由此说明设计的镁合金座椅骨架动态强度性能可以满足SMTC 标准《前排座椅正碰性能试验方法》标准要求。
 
5 结论
为适应未来汽车对座椅轻量化的需求，设计了一款镁合金座椅骨架，然后按照SMTC 标准要求对镁合金座椅骨架静态、动态强度分别进行了仿真分析和试验验证，结果如下。
a.设计的镁合金靠背、坐盆均采用一体压铸成型工艺，其中镁合金靠背比原钢制靠背总成重量减轻1.14 kg，减重达44.5%；镁合金坐盆比原钢制坐盆总成重量减轻0.94 kg，减重达37.2%，减重效果显著。
b.仿真分析结果表明，镁合金靠背和坐盆有一定的塑性变形但未出现破坏现象，并且还有一定的安全余量。
c.试验验证结果表明，镁合金靠背和坐盆可以满足标准强度方面的要求，试验后骨架无破坏现象；对镁合金座椅骨架强度性能进行的FEA 分析，其结果具有较高的置信度。  
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