汽车前排座椅正面碰撞的仿真分析及优化

摘要：应用 HyperMesh 前处理软件建立了前排座椅有限元仿真模型，应用 LS-DANY 求解器对Hybrid III 50%假人进行正面碰撞仿真试验，所得结果与台车试验结果对比，验证了模型的有效性。同时对碰撞中假人胸部的伤害情况进行分析，结合试验结果发现假人模型胸部压缩量及粘性伤害指数均高于 2018 版 C-NCAP 评价标准，需要对座椅骨架进行优化。通过对座椅各部件应力与应变的分析，发现原座椅骨架中侧板与下潜管的受力及变形量过大，提出应对侧板进行增加翻边与厚度，下潜管由直管改为弯管的优化，结果表明优化 后的座椅相比原座椅，假人模型的胸部压 缩量降低了10.19%，胸部粘性伤害指数降低了 16.52%，符合标准要求，并起到指导设计的作用。

关键词：前排座椅；正面碰撞；LS-DANY；胸部伤害；优化

近年来，汽车工业的发展日新月异，汽车的安全性能逐渐受到人们的重视。汽车座椅作为乘员与汽车直接接触的重要部件， 在汽车碰撞时，通过座椅可变性区域有效吸收碰撞产生的动能， 从而减少碰撞中乘员的伤害。因此，座椅碰撞时对乘员的保护性能日渐成为各大汽车企业研究的焦点。

随着我国 2018 版C-NCAP 管理规则的实施，消费者们越来越重视汽车在碰撞试验中的评分。目前，在正面碰撞试验中，假人的胸部伤害是失分的主要因素，同时也制约了汽车安全性能的提高。对于单独座椅系统，假人胸部的失分通常与安全带、假人坐姿、 座椅骨架的刚度等因素有关。目前国内外的相关研究中，文献[1]提出以增大坐垫与靠背倾角的方式来改变假人坐姿，减少乘员在碰撞过程中的伤害；文献[2]分析了安全带的机械特性，并借助带扣单向锁止装置，限制正面碰撞中由于假人滑动对胸部带来的伤害；文献[3]通过分析坐垫骨架刚度的均匀性，提出坐垫骨架前、后刚度差别过大，将导致乘员胸部伤害加重。

上述研究多只对座椅参数的单项影响因素进行分析，并未 考虑各因素间的相互影响，且假人模型多为刚体，计算精度没有有限单元假人模型高。因此，采用有限元仿真技术，对前排座椅正面碰撞中假人模型的胸部伤害情况进行分析，通过 HyperView 后处理软件对碰撞中座椅骨架形变及受力较大的零件进行分析，并对问题零件进行优化设计，从而得到减少假人伤害的座椅骨架最优设计方案。通过对优化前后仿真试验的数据结果进行对比，发现假人模型的胸部伤害情况有了明显的改善，为现代座椅设计和乘员保护提供了一种可行设计方案。

01  座椅模型的建立与分析

座椅有限元模型的建立

以某企业正在研发的小型轿车前排座椅为数学模型，应用HyperMesh 前处理软件划分网格。为了提高座椅在碰撞仿真中的精度，模型的金属壳体零件采用二维网格划分，以四边形和三角形作为网格单元，以 5mm 网格标准进行建模，网格的最小单元为2.5mm，翘曲度为 15，网格的长宽比不高于 5：6，雅克比最大值不超过 0.64 作为检测基础，并将三角形单元的数量控制在 5%以内。头枕、靠背、坐垫等零件采用六面体单元建模。与假人接触部 位的安全带模型采用二维网格划分，其余部位采用一维单元。螺栓应用RBE2 和BEAM 进行模拟，焊接则采用 Rigidbody 刚性焊接。模型共由 77674 个节点及76323个网格单元组成。

试验所使用的是Hybrid III 50%假人模型，模型依据设计人员提供的 H 点坐标正确摆放在座椅上，以车身中的安全带固定点建模安全带，并依据假人的脚跟点坐标调整好假人的坐姿。

正面碰撞试验边界条件与载荷设置

在对座椅进行正面碰撞仿真试验前，要对座椅的边界条件与载荷进行设置。依据座椅在车身中的安装位置，将座椅模型与汽车地板进行连接，对锁柄连接处 6 个自由度施加约束，并限制汽车地板除 X 方向外的全部自由度[4]。此分析中的正面碰撞初速度为 50km/h ，碰撞时间为 120ms。模型施加与试验台车相同的正弦加速度曲线，并保证座椅一定时间内保持20g 以上的加速度。正面碰撞座椅的加速度曲线，如图 1 所示。其中，加速度在 58ms 时达到峰值时刻，加速度峰值为 32g。



仿真结果分析

使用 HyperView 后处理软件对整个正面碰撞中假人与座椅的运动情况进行了分析。结果表明，当碰撞进行到 40ms 左右时刻，随着假人的前移，安全带开始对假人起到约束作用；并在80ms 左右时刻，由于坐垫骨架的刚度不足，假人身体前移明显，假人胸部变形量较大；而在 120ms 时刻，座椅各零件变形量达到最大值，坐垫下潜量较大，假人坐姿变化明显，座椅并没有对乘员 起到很好的支撑作用。模型 0ms、40ms、80ms、120ms 时刻前排座椅的正面碰撞过程，如图2所示。



仿真与试验结果对比分析

设计阶段，该车企在上海东方久乐碰撞试验室对座椅进行了台车碰撞试验，试验所用台车，如图3所示。



提取了台车碰撞试验中假人胸部传感器测得的X方向加速度曲线，并与仿真试验中假人模型胸部X 方向加速度曲线进行对比，结果如图4所示。从图4可知，仿真结果与试验结果的曲线增减趋势大致相同，仿真结果中最大的胸部X 方向加速度值为-58g，而台车测得的最大胸部X方向最大加速度为-62g，最大值差异在5g以内，且最大值发生时刻基本一致，表明该有限元模型能够较为精确的反应假人胸部的伤害情况，可作为后续正面碰撞仿真试验的理论依据。



02  正面碰撞中假人模型胸部伤害分析

由于座椅的研发是与整车分开的重要项目，单独的座椅系 统碰撞试验中并没有仪表盘、安全气囊等装置，因此在座椅正面碰撞中，假人的胸部伤害情况最能体现座椅对乘员保护性能的优 劣。依据 2018 版C-NCAP 的评分准则，文章使用 LS-DYNA 求解器计算出假人模型胸部的压缩量、3ms 合成加速度以及粘性伤害指数[5]，并应用 HyperView 后处理软件输出结果作为评判胸部伤害的依据。其中，胸部压缩量是由于碰撞中肋骨发生塑性变形而引起的，过大的压缩量会造成骨骼损伤[6-7]，危害乘员生命安全。正面碰撞仿真试验过程中，假人模型的胸部压缩量变化曲线，如图 5 所示。图中，假人模型的胸部变形量在约 79ms 时达到峰值54mm。根据 C-NCAP 法规，当假人胸部压缩量超过 50mm 时判定为低性能，而试验模型胸部变形量高于 50mm 的时间在10ms 以上，假人的胸部变形明显，易发生肋骨骨折等危险。3ms 合成加速度表示 3ms 时间内胸部所受加速度的峰值，体现了胸部所受惯性力大小，该值越大乘员胸部所受持续伤害越大，假人模型的 胸部 3ms 合成加速度曲线，如图 6 所示。加速度最大的 3ms 区间为 58g，低于 C-NCAP 所规定的 60g 加速度，符合要求。



胸部粘性伤害指数（VC）是新版 CRNCAP 中新加入的胸部伤害评价准则，表示胸腔变形量相对时间的变化速率，以 m/s 为单位，过大粘性伤害会给乘员心肺等软组织带来伤害。正面碰撞中胸部的粘性伤害指数 VC 以胸腔量相对于时间的变化率与胸腔的变形率的乘积来计算，表达式，如式（1）所示。




式中：D（t）—假人胸腔与时间t 的变化关系；D（0）—假人的初始胸腔厚度。假人模型的胸部粘性伤害指数相对于时间的变化曲线，如图7所示。依据C-NCAP规定，胸部的粘性伤害指数不得大于1m/s，而假人模型的胸部粘性伤害在0.043s时达到了峰值1.15m/s，易引发胸腔内软组织的损伤。



上述试验结果表明，该前排座椅在汽车正面碰撞中对乘员的保护性不好，乘员的胸部伤害较为明显，应对座椅的结构进行进一步优化，从而提高座椅的保护性能。

03  汽车前排座椅结构分析与优化设计

前排座椅骨架在正面碰撞下的强度分析

上述仿真结果表明，该座椅在正面碰撞的工况下虽然没有发生零件断裂等易引发乘员二次伤害的状况[8]，但在冲击过程中对乘员的保护性不足，乘员的胸部损伤较为明显，需要对座椅的结构进行进一步优化。通过分析整个碰撞过程中座椅各部件受力情况可知，在正面碰撞的工况下，座椅的靠背部分所受应力较小，并没有发生明显的变形。而应力及变形量较为明显的零件主要发生于坐盆部分。其中，座椅侧板及防下潜管所受应力与变形量较大。侧板的材料为QSTE420，厚度为2.0mm，在100ms时刻，侧板的应力达到峰值的554.4MPa，接近QSTE420 的最大抗拉强度556.8MPa，需要增加侧板刚度否则会发生零件断裂的危险[9]；防下潜管的材料为Q195，厚度为2.0mm，在95ms时刻，防下潜管的最大应力达到峰值的265.3MPa，整体变形量超过10%，乘员易发生下潜危险。座椅侧板及防下潜管的最大应力分布云图，如图8所示。



前排座椅骨架结构的优化与改进

改进前的分析表明，原座椅在正面碰撞中，座椅侧板与防下潜管的严重变形，导致试验中的冲击力与安全带产生的拉应力集 中于假人胸部，对假人的胸部造成了严重伤害[10]。为了提高座椅 在正面碰撞中的安全性，必须对两个零件进行优化，从而提高零件刚度与抗冲击性。在充分考虑制造工艺与成本的前提下，提出应对侧板零件的上半部分增加 6mm 厚的翻边并将侧板厚度由,2.0mm 增加至2.5mm 来提高零件整体刚度。针对防下潜管的刚度不足，文章通过将直管改为弯管的设计方式来解决假人在碰撞中的下潜问题。侧板及防下潜管优化方案，如图 9 所示。



结构改进前后假人胸部对比分析

将改进后的有限元模型通过LS-DANY求解器再次分析，并与原仿真模型进行了比较。假人模型的胸部压缩量、胸部3ms合成加速度、胸部粘性伤害指数优化前后结果，如表1所示。



假人模型的胸部伤害指标明显下降，如表1所示。其中，胸部压缩量与3ms合成加速度下降了约10%左右，胸部粘性伤害指数下降了16.52%。这是由于零件强度的增加，使得座椅整体能够在正面碰撞中承受更大的冲击力，集中在假人胸部的一部分载荷被座椅吸收，使改进后的座椅安全性能更加优秀。

04  结论

（1）试验结果表明40ms 左右时刻，安全带对假人起到约束作用；120ms时刻，座椅各零件的变形量最大。

（2）台车试验结果与仿真结果的假人胸部X方向最大加速度误差在5g以内，仿真模型有效。正面碰撞中假人胸部心、肺等处伤害较为严重，且在79ms时刻，胸部明显变形。

（3）在对座椅骨架优化后，胸部压缩量下降了10.19%，胸部粘性伤害下降了16.52%，均满足了法规要求。



参考文献

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［2］Eickhoff B，Zellmer H，Forster E.The mechanism of belt induced chest deflection：analysis and possibilities for reduction［C］.//ESV Conference.2007.
［3］商恩义，刘卫国，周大永.正面碰撞试验中坐垫刚度均匀性对乘员伤害影响研究［J］.汽车技术，2017（7）：54-58.
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