摘要：應(yīng)用 HyperMesh 前處理軟件建立了前排座椅有限元仿真模型，應(yīng)用 LS-DANY 求解器對Hybrid III 50%假人進行正面碰撞仿真試驗，所得結(jié)果與臺車試驗結(jié)果對比，驗證了模型的有效性。同時對碰撞中假人胸部的傷害情況進行分析，結(jié)合試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)假人模型胸部壓縮量及粘性傷害指數(shù)均高于 2018 版 C-NCAP 評價標準，需要對座椅骨架進行優(yōu)化。通過對座椅各部件應(yīng)力與應(yīng)變的分析，發(fā)現(xiàn)原座椅骨架中側(cè)板與下潛管的受力及變形量過大，提出應(yīng)對側(cè)板進行增加翻邊與厚度，下潛管由直管改為彎管的優(yōu)化，結(jié)果表明優(yōu)化 后的座椅相比原座椅，假人模型的胸部壓 縮量降低了10.19%，胸部粘性傷害指數(shù)降低了 16.52%，符合標準要求，并起到指導設(shè)計的作用。

關(guān)鍵詞：前排座椅；正面碰撞；LS-DANY；胸部傷害；優(yōu)化

近年來，汽車工業(yè)的發(fā)展日新月異，汽車的安全性能逐漸受到人們的重視。汽車座椅作為乘員與汽車直接接觸的重要部件， 在汽車碰撞時，通過座椅可變性區(qū)域有效吸收碰撞產(chǎn)生的動能， 從而減少碰撞中乘員的傷害。因此，座椅碰撞時對乘員的保護性能日漸成為各大汽車企業(yè)研究的焦點。

隨著我國 2018 版C-NCAP 管理規(guī)則的實施，消費者們越來越重視汽車在碰撞試驗中的評分。目前，在正面碰撞試驗中，假人的胸部傷害是失分的主要因素，同時也制約了汽車安全性能的提高。對于單獨座椅系統(tǒng)，假人胸部的失分通常與安全帶、假人坐姿、 座椅骨架的剛度等因素有關(guān)。目前國內(nèi)外的相關(guān)研究中，文獻[1]提出以增大坐墊與靠背傾角的方式來改變假人坐姿，減少乘員在碰撞過程中的傷害；文獻[2]分析了安全帶的機械特性，并借助帶扣單向鎖止裝置，限制正面碰撞中由于假人滑動對胸部帶來的傷害；文獻[3]通過分析坐墊骨架剛度的均勻性，提出坐墊骨架前、后剛度差別過大，將導致乘員胸部傷害加重。

上述研究多只對座椅參數(shù)的單項影響因素進行分析，并未 考慮各因素間的相互影響，且假人模型多為剛體，計算精度沒有有限單元假人模型高。因此，采用有限元仿真技術(shù)，對前排座椅正面碰撞中假人模型的胸部傷害情況進行分析，通過 HyperView 后處理軟件對碰撞中座椅骨架形變及受力較大的零件進行分析，并對問題零件進行優(yōu)化設(shè)計，從而得到減少假人傷害的座椅骨架最優(yōu)設(shè)計方案。通過對優(yōu)化前后仿真試驗的數(shù)據(jù)結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)假人模型的胸部傷害情況有了明顯的改善，為現(xiàn)代座椅設(shè)計和乘員保護提供了一種可行設(shè)計方案。

01  座椅模型的建立與分析

座椅有限元模型的建立

以某企業(yè)正在研發(fā)的小型轎車前排座椅為數(shù)學模型，應(yīng)用HyperMesh 前處理軟件劃分網(wǎng)格。為了提高座椅在碰撞仿真中的精度，模型的金屬殼體零件采用二維網(wǎng)格劃分，以四邊形和三角形作為網(wǎng)格單元，以 5mm 網(wǎng)格標準進行建模，網(wǎng)格的最小單元為2.5mm，翹曲度為 15，網(wǎng)格的長寬比不高于 5：6，雅克比最大值不超過 0.64 作為檢測基礎(chǔ)，并將三角形單元的數(shù)量控制在 5%以內(nèi)。頭枕、靠背、坐墊等零件采用六面體單元建模。與假人接觸部 位的安全帶模型采用二維網(wǎng)格劃分，其余部位采用一維單元。螺栓應(yīng)用RBE2 和BEAM 進行模擬，焊接則采用 Rigidbody 剛性焊接。模型共由 77674 個節(jié)點及76323個網(wǎng)格單元組成。

試驗所使用的是Hybrid III 50%假人模型，模型依據(jù)設(shè)計人員提供的 H 點坐標正確擺放在座椅上，以車身中的安全帶固定點建模安全帶，并依據(jù)假人的腳跟點坐標調(diào)整好假人的坐姿。

正面碰撞試驗邊界條件與載荷設(shè)置

在對座椅進行正面碰撞仿真試驗前，要對座椅的邊界條件與載荷進行設(shè)置。依據(jù)座椅在車身中的安裝位置，將座椅模型與汽車地板進行連接，對鎖柄連接處 6 個自由度施加約束，并限制汽車地板除 X 方向外的全部自由度[4]。此分析中的正面碰撞初速度為 50km/h ，碰撞時間為 120ms。模型施加與試驗臺車相同的正弦加速度曲線，并保證座椅一定時間內(nèi)保持20g 以上的加速度。正面碰撞座椅的加速度曲線，如圖 1 所示。其中，加速度在 58ms 時達到峰值時刻，加速度峰值為 32g。



仿真結(jié)果分析

使用 HyperView 后處理軟件對整個正面碰撞中假人與座椅的運動情況進行了分析。結(jié)果表明，當碰撞進行到 40ms 左右時刻，隨著假人的前移，安全帶開始對假人起到約束作用；并在80ms 左右時刻，由于坐墊骨架的剛度不足，假人身體前移明顯，假人胸部變形量較大；而在 120ms 時刻，座椅各零件變形量達到最大值，坐墊下潛量較大，假人坐姿變化明顯，座椅并沒有對乘員 起到很好的支撐作用。模型 0ms、40ms、80ms、120ms 時刻前排座椅的正面碰撞過程，如圖2所示。



仿真與試驗結(jié)果對比分析

設(shè)計階段，該車企在上海東方久樂碰撞試驗室對座椅進行了臺車碰撞試驗，試驗所用臺車，如圖3所示。



提取了臺車碰撞試驗中假人胸部傳感器測得的X方向加速度曲線，并與仿真試驗中假人模型胸部X 方向加速度曲線進行對比，結(jié)果如圖4所示。從圖4可知，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果的曲線增減趨勢大致相同，仿真結(jié)果中最大的胸部X 方向加速度值為-58g，而臺車測得的最大胸部X方向最大加速度為-62g，最大值差異在5g以內(nèi)，且最大值發(fā)生時刻基本一致，表明該有限元模型能夠較為精確的反應(yīng)假人胸部的傷害情況，可作為后續(xù)正面碰撞仿真試驗的理論依據(jù)。



02  正面碰撞中假人模型胸部傷害分析

由于座椅的研發(fā)是與整車分開的重要項目，單獨的座椅系 統(tǒng)碰撞試驗中并沒有儀表盤、安全氣囊等裝置，因此在座椅正面碰撞中，假人的胸部傷害情況最能體現(xiàn)座椅對乘員保護性能的優(yōu) 劣。依據(jù) 2018 版C-NCAP 的評分準則，文章使用 LS-DYNA 求解器計算出假人模型胸部的壓縮量、3ms 合成加速度以及粘性傷害指數(shù)[5]，并應(yīng)用 HyperView 后處理軟件輸出結(jié)果作為評判胸部傷害的依據(jù)。其中，胸部壓縮量是由于碰撞中肋骨發(fā)生塑性變形而引起的，過大的壓縮量會造成骨骼損傷[6-7]，危害乘員生命安全。正面碰撞仿真試驗過程中，假人模型的胸部壓縮量變化曲線，如圖 5 所示。圖中，假人模型的胸部變形量在約 79ms 時達到峰值54mm。根據(jù) C-NCAP 法規(guī)，當假人胸部壓縮量超過 50mm 時判定為低性能，而試驗模型胸部變形量高于 50mm 的時間在10ms 以上，假人的胸部變形明顯，易發(fā)生肋骨骨折等危險。3ms 合成加速度表示 3ms 時間內(nèi)胸部所受加速度的峰值，體現(xiàn)了胸部所受慣性力大小，該值越大乘員胸部所受持續(xù)傷害越大，假人模型的 胸部 3ms 合成加速度曲線，如圖 6 所示。加速度最大的 3ms 區(qū)間為 58g，低于 C-NCAP 所規(guī)定的 60g 加速度，符合要求。



胸部粘性傷害指數(shù)（VC）是新版 CRNCAP 中新加入的胸部傷害評價準則，表示胸腔變形量相對時間的變化速率，以 m/s 為單位，過大粘性傷害會給乘員心肺等軟組織帶來傷害。正面碰撞中胸部的粘性傷害指數(shù) VC 以胸腔量相對于時間的變化率與胸腔的變形率的乘積來計算，表達式，如式（1）所示。




式中：D（t）—假人胸腔與時間t 的變化關(guān)系；D（0）—假人的初始胸腔厚度。假人模型的胸部粘性傷害指數(shù)相對于時間的變化曲線，如圖7所示。依據(jù)C-NCAP規(guī)定，胸部的粘性傷害指數(shù)不得大于1m/s，而假人模型的胸部粘性傷害在0.043s時達到了峰值1.15m/s，易引發(fā)胸腔內(nèi)軟組織的損傷。



上述試驗結(jié)果表明，該前排座椅在汽車正面碰撞中對乘員的保護性不好，乘員的胸部傷害較為明顯，應(yīng)對座椅的結(jié)構(gòu)進行進一步優(yōu)化，從而提高座椅的保護性能。

03  汽車前排座椅結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計

前排座椅骨架在正面碰撞下的強度分析

上述仿真結(jié)果表明，該座椅在正面碰撞的工況下雖然沒有發(fā)生零件斷裂等易引發(fā)乘員二次傷害的狀況[8]，但在沖擊過程中對乘員的保護性不足，乘員的胸部損傷較為明顯，需要對座椅的結(jié)構(gòu)進行進一步優(yōu)化。通過分析整個碰撞過程中座椅各部件受力情況可知，在正面碰撞的工況下，座椅的靠背部分所受應(yīng)力較小，并沒有發(fā)生明顯的變形。而應(yīng)力及變形量較為明顯的零件主要發(fā)生于坐盆部分。其中，座椅側(cè)板及防下潛管所受應(yīng)力與變形量較大。側(cè)板的材料為QSTE420，厚度為2.0mm，在100ms時刻，側(cè)板的應(yīng)力達到峰值的554.4MPa，接近QSTE420 的最大抗拉強度556.8MPa，需要增加側(cè)板剛度否則會發(fā)生零件斷裂的危險[9]；防下潛管的材料為Q195，厚度為2.0mm，在95ms時刻，防下潛管的最大應(yīng)力達到峰值的265.3MPa，整體變形量超過10%，乘員易發(fā)生下潛危險。座椅側(cè)板及防下潛管的最大應(yīng)力分布云圖，如圖8所示。



前排座椅骨架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與改進

改進前的分析表明，原座椅在正面碰撞中，座椅側(cè)板與防下潛管的嚴重變形，導致試驗中的沖擊力與安全帶產(chǎn)生的拉應(yīng)力集 中于假人胸部，對假人的胸部造成了嚴重傷害[10]。為了提高座椅 在正面碰撞中的安全性，必須對兩個零件進行優(yōu)化，從而提高零件剛度與抗沖擊性。在充分考慮制造工藝與成本的前提下，提出應(yīng)對側(cè)板零件的上半部分增加 6mm 厚的翻邊并將側(cè)板厚度由,2.0mm 增加至2.5mm 來提高零件整體剛度。針對防下潛管的剛度不足，文章通過將直管改為彎管的設(shè)計方式來解決假人在碰撞中的下潛問題。側(cè)板及防下潛管優(yōu)化方案，如圖 9 所示。



結(jié)構(gòu)改進前后假人胸部對比分析

將改進后的有限元模型通過LS-DANY求解器再次分析，并與原仿真模型進行了比較。假人模型的胸部壓縮量、胸部3ms合成加速度、胸部粘性傷害指數(shù)優(yōu)化前后結(jié)果，如表1所示。



假人模型的胸部傷害指標明顯下降，如表1所示。其中，胸部壓縮量與3ms合成加速度下降了約10%左右，胸部粘性傷害指數(shù)下降了16.52%。這是由于零件強度的增加，使得座椅整體能夠在正面碰撞中承受更大的沖擊力，集中在假人胸部的一部分載荷被座椅吸收，使改進后的座椅安全性能更加優(yōu)秀。

04  結(jié)論

（1）試驗結(jié)果表明40ms 左右時刻，安全帶對假人起到約束作用；120ms時刻，座椅各零件的變形量最大。

（2）臺車試驗結(jié)果與仿真結(jié)果的假人胸部X方向最大加速度誤差在5g以內(nèi)，仿真模型有效。正面碰撞中假人胸部心、肺等處傷害較為嚴重，且在79ms時刻，胸部明顯變形。

（3）在對座椅骨架優(yōu)化后，胸部壓縮量下降了10.19%，胸部粘性傷害下降了16.52%，均滿足了法規(guī)要求。



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