本文中針對(duì)某中級(jí)轎車后排座椅正撞時(shí)的負(fù)載安全性，根據(jù)ECER17法規(guī)和該車生產(chǎn)企業(yè)關(guān)于座椅沖擊強(qiáng)度的要求，采用多剛體動(dòng)力學(xué)法和瞬態(tài)大變形有限元法混合建模和耦合計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了在帶假人的情況下該座椅正撞時(shí)負(fù)載安全性的CAE分析，并對(duì)改進(jìn)方案實(shí)施后的性能進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1 后排座椅正撞負(fù)載法規(guī)試驗(yàn)

ECER17中關(guān)于汽車后排座椅沖擊強(qiáng)度的認(rèn)證規(guī)定采用臺(tái)車試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行正撞工況下的座椅沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)樣塊尺寸(mm)為300×300×300，棱邊倒角為20mm，質(zhì)量為18kg。試驗(yàn)樣塊的安放位置如圖1所示，放置于行李艙的地板上，縱向與靠背有200mm的水平距離;兩試驗(yàn)樣塊之間有50mm的橫向距離。


圖1 實(shí)驗(yàn)樣塊質(zhì)量及其布置圖

試驗(yàn)過(guò)程中及試驗(yàn)后，如果座椅和靠背鎖仍保持原來(lái)位置，則認(rèn)為滿足要求。在試驗(yàn)期間，允許座椅靠背及其緊固件變形，但試驗(yàn)靠背和頭枕部分的前輪廓不能向前方超出一定的位置:頭枕(座椅靠背)不得超過(guò)座椅R點(diǎn)前方距R點(diǎn)150mm(100mm)的橫向垂直平面。

2 后排座椅安全性的CAE分析

2.1 后排座椅靠背結(jié)構(gòu)

本文中研究的座椅靠背采用分體式結(jié)構(gòu)，如圖2所示。由40%和60%靠背兩部分組成。進(jìn)行座椅沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，靠背骨架以實(shí)際機(jī)構(gòu)的連接方式固定在白車身上，白車身固定在臺(tái)車上。座椅靠背兩側(cè)的鎖支架連接靠背鎖，車身鎖鉤與靠背鎖處于鎖止?fàn)顟B(tài)，以固定靠背上部，靠背下部的邊支架和中支架分別通過(guò)螺栓固定在車身上，與車身形成鉸鏈連接。中間位置的安全帶與座椅集成一體，肩帶的上固定點(diǎn)在60%靠背上，左右位置的安全帶固定點(diǎn)均在車身上。座椅沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)主要是考察座椅結(jié)構(gòu)件和連接件的強(qiáng)度和剛度。


圖2后排座椅結(jié)構(gòu)圖

碰撞試驗(yàn)成本昂貴而且難以得到內(nèi)部關(guān)鍵部件的變形情況，給汽車座椅的設(shè)計(jì)帶來(lái)許多不便。計(jì)算機(jī)仿真在精度滿足工程要求的前提下能很好地解決上述問(wèn)題。采用模擬計(jì)算的方法可在設(shè)計(jì)初期對(duì)座椅安全性作出預(yù)測(cè)，進(jìn)行各種工況的碰撞模擬。

通過(guò)分析其內(nèi)部零件變形和能量分布情況，提出改進(jìn)方案和快捷的修改模型，而不必等待模具加工和樣品制造后再進(jìn)行試驗(yàn)，降低了開發(fā)成本，縮短了開發(fā)周期。

2.2 帶假人正撞負(fù)載試驗(yàn)CAE分析

該車后排座椅中間位
置的安全帶固定點(diǎn)設(shè)置在后排座椅上，發(fā)生正面碰撞時(shí)如果該位置有乘員佩帶安全帶，座椅可能會(huì)因?yàn)轭~外承受乘員的動(dòng)載荷而出現(xiàn)更大的變形，導(dǎo)致乘員傷害。為提高座椅系統(tǒng)安全性能，企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求:在后排中間位置放置一個(gè)HybridⅢ50百分位假人并系上安全帶，加載模擬汽車50km/h實(shí)車正面碰撞波形(圖3)進(jìn)行正撞負(fù)載試驗(yàn)，考核座椅結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和假人動(dòng)態(tài)響應(yīng)。


圖3實(shí)車對(duì)面碰撞波形圖

為了充分利用兩種算法的優(yōu)勢(shì)，本文中采用大變形有限元和多剛體耦合方法對(duì)帶假人的座椅負(fù)載安全性進(jìn)行CAE分析。假人、安全帶采用多剛體軟件MADYMO建模(HybridⅢ50百分位假人和3點(diǎn)式安全帶)，安全織帶采用的是三節(jié)點(diǎn)殼單元與1維彈簧單元結(jié)合的混合模型，腰帶及肩帶中段為帶寬50mm、厚1.1mm的有限元段帶，兩端分別用1維安全帶單元將背帶連接到座椅上，各段具有相同的織帶特性。在滑環(huán)處建立了安全帶滑環(huán)單元，摩擦因數(shù)設(shè)為0.3，模擬肩腰帶在帶扣滑環(huán)中上下滑動(dòng)的效果。耦合計(jì)算過(guò)程如圖4所示。


圖4 LS-DYNA/MADYMO

3 歸納

改進(jìn)設(shè)計(jì)仿真計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證分析發(fā)現(xiàn)，原座椅結(jié)構(gòu)的中支撐板在受到?jīng)_擊時(shí)出現(xiàn)較大彎曲變形，導(dǎo)致試驗(yàn)樣塊的沖擊力和安全帶拉力集中在靠背中間位置，無(wú)法傳遞到靠背下部的安裝固定點(diǎn)。仿真結(jié)果表明，靠背底板吸能1082J，中支撐板吸能82J，下梁吸能709J，其中剛度較弱的靠背底板集中承受了試驗(yàn)樣塊和假人的大部分動(dòng)載荷。因此，正確設(shè)計(jì)力的傳遞路徑，合理分配部件吸能，可有效提高座椅靠背的結(jié)構(gòu)抗沖擊性。

采用多剛體和有限元耦合的方法，對(duì)汽車后排座椅正面碰撞負(fù)載試驗(yàn)進(jìn)行CAE分析，并根據(jù)仿真結(jié)果提出座椅系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案并通過(guò)了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)認(rèn)證，而且仿真和試驗(yàn)結(jié)果有較高的相關(guān)性，充分證明了該方法在工程意義上的可信度，可為整車安全性能設(shè)計(jì)與開發(fā)提供有效的數(shù)據(jù)支持。