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汽车座椅冲击强度试验时的CAE案例分析
2020-12-15 11:36:30· 来源：中科智慧工业云
本文中针对某中级轿车后排座椅正撞时的负载安全性，根据ECER17法规和该车生产企业关于座椅冲击强度的要求，采用多刚体动力学法和瞬态大变形有限元法混合建模和耦
本文中针对某中级轿车后排座椅正撞时的负载安全性，根据ECER17法规和该车生产企业关于座椅冲击强度的要求，采用多刚体动力学法和瞬态大变形有限元法混合建模和耦合计算，实现了在带假人的情况下该座椅正撞时负载安全性的CAE分析，并对改进方案实施后的性能进行预测。
1 后排座椅正撞负载法规试验
ECER17中关于汽车后排座椅冲击强度的认证规定采用台车试验台进行正撞工况下的座椅冲击试验。试验样块尺寸(mm)为300×300×300，棱边倒角为20mm，质量为18kg。试验样块的安放位置如图1所示，放置于行李舱的地板上，纵向与靠背有200mm的水平距离;两试验样块之间有50mm的横向距离。
图1 实验样块质量及其布置图
试验过程中及试验后，如果座椅和靠背锁仍保持原来位置，则认为满足要求。在试验期间，允许座椅靠背及其紧固件变形，但试验靠背和头枕部分的前轮廓不能向前方超出一定的位置:头枕(座椅靠背)不得超过座椅R点前方距R点150mm(100mm)的横向垂直平面。
2 后排座椅安全性的CAE分析
2.1 后排座椅靠背结构
本文中研究的座椅靠背采用分体式结构，如图2所示。由40%和60%靠背两部分组成。进行座椅冲击强度试验时，靠背骨架以实际机构的连接方式固定在白车身上，白车身固定在台车上。座椅靠背两侧的锁支架连接靠背锁，车身锁钩与靠背锁处于锁止状态，以固定靠背上部，靠背下部的边支架和中支架分别通过螺栓固定在车身上，与车身形成铰链连接。中间位置的安全带与座椅集成一体，肩带的上固定点在60%靠背上，左右位置的安全带固定点均在车身上。座椅冲击强度试验主要是考察座椅结构件和连接件的强度和刚度。
图2后排座椅结构图
碰撞试验成本昂贵而且难以得到内部关键部件的变形情况，给汽车座椅的设计带来许多不便。计算机仿真在精度满足工程要求的前提下能很好地解决上述问题。采用模拟计算的方法可在设计初期对座椅安全性作出预测，进行各种工况的碰撞模拟。
通过分析其内部零件变形和能量分布情况，提出改进方案和快捷的修改模型，而不必等待模具加工和样品制造后再进行试验，降低了开发成本，缩短了开发周期。
2.2 带假人正撞负载试验CAE分析
该车后排座椅中间位
置的安全带固定点设置在后排座椅上，发生正面碰撞时如果该位置有乘员佩带安全带，座椅可能会因为额外承受乘员的动载荷而出现更大的变形，导致乘员伤害。为提高座椅系统安全性能，企业标准要求:在后排中间位置放置一个HybridⅢ50百分位假人并系上安全带，加载模拟汽车50km/h实车正面碰撞波形(图3)进行正撞负载试验，考核座椅结构强度和假人动态响应。
图3实车对面碰撞波形图
为了充分利用两种算法的优势，本文中采用大变形有限元和多刚体耦合方法对带假人的座椅负载安全性进行CAE分析。假人、安全带采用多刚体软件MADYMO建模(HybridⅢ50百分位假人和3点式安全带)，安全织带采用的是三节点壳单元与1维弹簧单元结合的混合模型，腰带及肩带中段为带宽50mm、厚1.1mm的有限元段带，两端分别用1维安全带单元将背带连接到座椅上，各段具有相同的织带特性。在滑环处建立了安全带滑环单元，摩擦因数设为0.3，模拟肩腰带在带扣滑环中上下滑动的效果。耦合计算过程如图4所示。
图4 LS-DYNA/MADYMO
3 归纳
改进设计仿真计算及试验验证分析发现，原座椅结构的中支撑板在受到冲击时出现较大弯曲变形，导致试验样块的冲击力和安全带拉力集中在靠背中间位置，无法传递到靠背下部的安装固定点。仿真结果表明，靠背底板吸能1082J，中支撑板吸能82J，下梁吸能709J，其中刚度较弱的靠背底板集中承受了试验样块和假人的大部分动载荷。因此，正确设计力的传递路径，合理分配部件吸能，可有效提高座椅靠背的结构抗冲击性。
采用多刚体和有限元耦合的方法，对汽车后排座椅正面碰撞负载试验进行CAE分析，并根据仿真结果提出座椅系统结构的改进方案并通过了企业标准的试验认证，而且仿真和试验结果有较高的相关性，充分证明了该方法在工程意义上的可信度，可为整车安全性能设计与开发提供有效的数据支持。
1 后排座椅正撞负载法规试验
ECER17中关于汽车后排座椅冲击强度的认证规定采用台车试验台进行正撞工况下的座椅冲击试验。试验样块尺寸(mm)为300×300×300，棱边倒角为20mm，质量为18kg。试验样块的安放位置如图1所示，放置于行李舱的地板上，纵向与靠背有200mm的水平距离;两试验样块之间有50mm的横向距离。
图1 实验样块质量及其布置图
试验过程中及试验后，如果座椅和靠背锁仍保持原来位置，则认为满足要求。在试验期间，允许座椅靠背及其紧固件变形，但试验靠背和头枕部分的前轮廓不能向前方超出一定的位置:头枕(座椅靠背)不得超过座椅R点前方距R点150mm(100mm)的横向垂直平面。
2 后排座椅安全性的CAE分析
2.1 后排座椅靠背结构
本文中研究的座椅靠背采用分体式结构，如图2所示。由40%和60%靠背两部分组成。进行座椅冲击强度试验时，靠背骨架以实际机构的连接方式固定在白车身上，白车身固定在台车上。座椅靠背两侧的锁支架连接靠背锁，车身锁钩与靠背锁处于锁止状态，以固定靠背上部，靠背下部的边支架和中支架分别通过螺栓固定在车身上，与车身形成铰链连接。中间位置的安全带与座椅集成一体，肩带的上固定点在60%靠背上，左右位置的安全带固定点均在车身上。座椅冲击强度试验主要是考察座椅结构件和连接件的强度和刚度。
图2后排座椅结构图
碰撞试验成本昂贵而且难以得到内部关键部件的变形情况，给汽车座椅的设计带来许多不便。计算机仿真在精度满足工程要求的前提下能很好地解决上述问题。采用模拟计算的方法可在设计初期对座椅安全性作出预测，进行各种工况的碰撞模拟。
通过分析其内部零件变形和能量分布情况，提出改进方案和快捷的修改模型，而不必等待模具加工和样品制造后再进行试验，降低了开发成本，缩短了开发周期。
2.2 带假人正撞负载试验CAE分析
该车后排座椅中间位
置的安全带固定点设置在后排座椅上，发生正面碰撞时如果该位置有乘员佩带安全带，座椅可能会因为额外承受乘员的动载荷而出现更大的变形，导致乘员伤害。为提高座椅系统安全性能，企业标准要求:在后排中间位置放置一个HybridⅢ50百分位假人并系上安全带，加载模拟汽车50km/h实车正面碰撞波形(图3)进行正撞负载试验，考核座椅结构强度和假人动态响应。
图3实车对面碰撞波形图
为了充分利用两种算法的优势，本文中采用大变形有限元和多刚体耦合方法对带假人的座椅负载安全性进行CAE分析。假人、安全带采用多刚体软件MADYMO建模(HybridⅢ50百分位假人和3点式安全带)，安全织带采用的是三节点壳单元与1维弹簧单元结合的混合模型，腰带及肩带中段为带宽50mm、厚1.1mm的有限元段带，两端分别用1维安全带单元将背带连接到座椅上，各段具有相同的织带特性。在滑环处建立了安全带滑环单元，摩擦因数设为0.3，模拟肩腰带在带扣滑环中上下滑动的效果。耦合计算过程如图4所示。
图4 LS-DYNA/MADYMO
3 归纳
改进设计仿真计算及试验验证分析发现，原座椅结构的中支撑板在受到冲击时出现较大弯曲变形，导致试验样块的冲击力和安全带拉力集中在靠背中间位置，无法传递到靠背下部的安装固定点。仿真结果表明，靠背底板吸能1082J，中支撑板吸能82J，下梁吸能709J，其中刚度较弱的靠背底板集中承受了试验样块和假人的大部分动载荷。因此，正确设计力的传递路径，合理分配部件吸能，可有效提高座椅靠背的结构抗冲击性。
采用多刚体和有限元耦合的方法，对汽车后排座椅正面碰撞负载试验进行CAE分析，并根据仿真结果提出座椅系统结构的改进方案并通过了企业标准的试验认证，而且仿真和试验结果有较高的相关性，充分证明了该方法在工程意义上的可信度，可为整车安全性能设计与开发提供有效的数据支持。
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