張科峰，李 弢，王 欣，馬瑞雪，顏長征

（重慶車輛檢測(cè)研究院國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，重慶 401122）

座椅作為乘員約束系統(tǒng)的主要安全部件，在汽車被動(dòng)安全保護(hù)中起著重要作用。在發(fā)生事故時(shí)，保證乘員處于自身的生存空間之內(nèi)，并防止其它車載體（如其它乘員、貨物等）進(jìn)入這個(gè)空間；使乘員在事故發(fā)生過程中保持一定的姿態(tài)，配合其它的約束系統(tǒng)（如安全帶、安全氣囊等）充分發(fā)揮其保護(hù)效能[1-3]。

針對(duì)客車座椅的被動(dòng)安全性，歐洲、澳大利亞分別規(guī)定了客車座椅強(qiáng)度動(dòng)態(tài)試驗(yàn)方法的相關(guān)法規(guī)ECER 80、ADR68/00，其中ADR68/00被認(rèn)為是目前最為嚴(yán)格的座椅動(dòng)態(tài)試驗(yàn)方法。

國內(nèi)某款客車座椅在我院進(jìn)行ADR68/00出口認(rèn)證初次試驗(yàn)時(shí)，出現(xiàn)兩個(gè)問題：一個(gè)是其固定件強(qiáng)度無法滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；另一個(gè)是座椅質(zhì)量太大，達(dá)到了33 kg（澳方要求座椅質(zhì)量不超過28 kg）。經(jīng)澳方多次改進(jìn)并委托我機(jī)構(gòu)試驗(yàn)后，仍然不能解決以上兩個(gè)問題。故澳大利亞重型汽車公司委托我方對(duì)該座椅進(jìn)行CAE仿真分析及座椅結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)，并要求新設(shè)計(jì)的座椅在滿足ADR68/00固定件強(qiáng)度試驗(yàn)的同時(shí)，座椅質(zhì)量不能超過28 kg。

1 座椅固定件強(qiáng)度仿真分析

1.1 有限元模型建立

整個(gè)有限元模型的建立主要包括網(wǎng)格劃分、模型裝配、假人定位及安全帶佩戴、材料數(shù)據(jù)獲取與輸入、邊界條件施加等[4-6]。建立好的有限元模型，如圖1所示。

1）網(wǎng)格劃分。一般認(rèn)為，有限元模型越精細(xì)，計(jì)算的結(jié)果越準(zhǔn)確。但模型越精細(xì)，網(wǎng)格尺寸越小、單元數(shù)量越多，所需要的計(jì)算時(shí)間就越長。綜合考慮計(jì)算效率與計(jì)算精度，座椅骨架用殼單元模擬，單元平均長度5 mm，最小3 mm，坐墊泡沫用體單元模擬，單元長度為10 mm。

2）模型裝配。模型裝配主要是一些鏈接關(guān)系的處理，比如螺栓連接、縫焊連接的簡化處理等?？p焊處理為將連接件處于縫焊區(qū)域的連接點(diǎn)共節(jié)點(diǎn)。螺栓采用梁單元模擬，其中梁單元beam截面尺寸為螺栓的實(shí)際尺寸。梁單元的端點(diǎn)與螺栓孔周圍的節(jié)點(diǎn)用剛性單元連接。

3）假人定位及安全帶佩戴。為了保證仿真分析模型中假人位置及坐姿與試驗(yàn)一致，所以首先需要通過3D-H裝置測(cè)量H點(diǎn)坐標(biāo)及骨盆角度。然后根據(jù)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)在VPG中調(diào)用hybrid III 50%男性假人，并調(diào)節(jié)其坐姿。最后根據(jù)座椅安全帶的固定點(diǎn)位置給假人佩戴安全帶。

4）材料數(shù)據(jù)獲取。座椅骨架材料為鋼材，座墊為泡沫材料。材料數(shù)據(jù)的獲取通過在座椅上取樣，然后通過拉伸和壓縮試驗(yàn)獲得。金屬材料拉伸試驗(yàn)如圖2所示，泡沫材料壓縮試驗(yàn)如圖3所示。

5）邊界條件施加。給整個(gè)系統(tǒng)施加一個(gè)前向49 km/h的初速度。給地板施加一個(gè)后向的減速度。減速度曲線如圖4所示。

1.2 仿真分析與模型驗(yàn)證

對(duì)建立好的有限元模型進(jìn)行仿真計(jì)算，仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖5所示，椅腿變形如圖6所示。從圖5和圖6中可以看出，在前排假人安全帶的拉力和后排假人的撞擊力下，前排座椅椅腿后安裝孔與車身固定件的連接已經(jīng)脫落，失去了對(duì)后排假人的約束、保護(hù)作用，導(dǎo)致后排假人軀干飛出了后排座椅H點(diǎn)前方1.6 m的橫向垂直平面。

試驗(yàn)測(cè)得座椅靠背頂部在X方向的變形量為1 195 mm，仿真分析值為1 167 mm。仿真分析結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常吻合，證明所建立的有限元模型是可靠的，可以用于以下的輕量化設(shè)計(jì)分析。

2 座椅輕量化設(shè)計(jì)

2.1 座椅受力分析

前排座椅受力如圖7所示，座椅主要受到后排假人的撞擊力，前排假人慣性力和座椅本身的慣性力[7-10]。

座椅所受的剪力及彎矩圖如圖8所示。

從座椅所受剪力圖與彎矩圖可以看出，座椅椅腿及座骨架所受剪切力最大，靠背所受剪切力最小。椅腿受彎矩最大，座骨架次之，靠背最小。所以椅腿在整個(gè)碰撞過程中是最容易破壞的部件。故整個(gè)座椅的輕量化設(shè)計(jì)思路是座椅椅腿強(qiáng)度最高，座骨架次之，靠背較低。

在座椅設(shè)計(jì)時(shí)，首先保證椅腿及側(cè)掛與車身連接部分的強(qiáng)度，一旦椅腿及側(cè)掛與車身連接部位失效，整個(gè)座椅就失去了對(duì)假人的約束作用。同時(shí)靠背需要有足夠的強(qiáng)度，通過安全帶來約束其假人，并抵抗后排假人的撞擊，約束后排假人使其不能超過后排假人前方1.6 m的橫向平面。

2.2 座椅輕量化設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)座椅輕量化一般有兩種途徑：一是采用高強(qiáng)度等級(jí)鋼減輕質(zhì)量；二是通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)減輕質(zhì)量。材料輕量化方面：主要受力部件采用高強(qiáng)鋼SAPH440及SAPH590替代普通材質(zhì)鋼材Q235。結(jié)構(gòu)輕量化方面：主要涉及到椅腿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、螺栓數(shù)量及位置布置設(shè)計(jì)。座骨架底架中板、左側(cè)板、右側(cè)板及掛腳架加強(qiáng)筋的布置設(shè)計(jì)，翻邊高度及布置設(shè)計(jì)，靠背折彎件及靠背套管的設(shè)計(jì)。輕量化設(shè)計(jì)后的座椅比舊座椅質(zhì)量減少了約5 kg，其結(jié)構(gòu)如圖9所示。

2.3 輕量化設(shè)計(jì)座椅仿真與試驗(yàn)

對(duì)輕量化設(shè)計(jì)后的座椅再次進(jìn)行仿真分析，并在重慶車輛檢測(cè)研究院國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心再次進(jìn)行試驗(yàn)。仿真分析與試驗(yàn)對(duì)比如圖10所示。從試驗(yàn)和仿真結(jié)果中可以看出，前排座椅雖有變形，但并未發(fā)生失效，后排座椅假人的軀干及頭部位移量未超過距離后排座椅H點(diǎn)往前1.6 m的橫向垂直平面。試驗(yàn)測(cè)得改進(jìn)后的前排座椅靠背頂部在X方向的變形量為504 mm，仿真分析值為492 mm。證明該座椅的輕量化設(shè)計(jì)方案是成功的。仿真分析的座椅變形與試驗(yàn)座椅變形吻合很好。

3 結(jié)束語

針對(duì)該座椅在ADR68/00固定件強(qiáng)度初次試驗(yàn)中無法滿足標(biāo)準(zhǔn)要求問題，采用有限元模擬方法，建立仿真分析模型，并進(jìn)行模型驗(yàn)證。通過座椅受力分析，提出整個(gè)座椅的輕量化設(shè)計(jì)思路，并進(jìn)行座椅輕量化設(shè)計(jì)。輕量化設(shè)計(jì)后的座椅不但滿足了ADR68/00的要求，而且質(zhì)量還減少了5 kg，達(dá)15%。證明該座椅的輕量化設(shè)計(jì)是成功的。

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