基于CAE分析的座椅拉拽安全性能结构设计优化.pdf

QICHESHEJI汽车设计HEAVY TRUCK重型汽车15基于 CAE 分析的座椅拉拽基于 CAE 分析的座椅拉拽安全性能结构设计优化安全性能结构设计优化在车身座椅拉拽强度台架试验过程中，应持续按规定的力进行加载，规定和持续的力加载过程中以及结束后，可以允许车身结构相应固定点或周围区域有永久性变形，甚至包括部分的断裂或产生裂纹（在不影响载荷施加的情况下）。试验结束后，如果座椅、安全带等在其车身相应位置结构未发生断裂或脱落失效，车身钣金及焊点未开裂2，且试验载荷在施加过程中未发生剧烈波动，及 RC 线（其中 R 点是座椅生产商设定的一个基准点，C 点是在 R 点铅垂上方 450mm 的一个点，RC 平面还要平行于车身的横向平面）距离 D 点越大，安装点处地板拱起高度 H 越小，则认为车身强度满足法规要求2。2 车身强度性能分析2.1 基于座椅拉拽的车身分析模型建立分析模型的建立主要分为两大部分，一是白车身模型，一是人体模型。白车身材料根据其料厚不同细分种类约 70 余种，由于种类较多，受篇幅所限本文仅列出后排座椅周边部分钣金件材料明细，材料明细如表 1。表 1 钣金件材料明细零件名称料厚牌号后地板0.7DC01安全带加强板2.0HC260LA座椅加强版2.0HC260LA后地板横梁1.6DC01后地板左纵梁1.6DC01后地板右纵梁1.6DC01根据 GB14167-2013 中的要求搭建人体分析模块，分为上、下人体模块。安全带材料设置为刚体（假设安全带不会失效），安全带与下车体采用螺栓连接，卷收器和下车体采用螺栓连接。白车身以及座椅骨架中焊接的部分使用焊点单元进行描述。结合各总成结构特点，白车身采用壳单元建立有限元模型，座椅骨架采用壳单元与六面体单元相结合的方式搭建完整的座椅拉拽车身强度分析模型，如图 1 所示。图 1 车身强度分析模型2.2 模型简述后地板钣金材质为 DC01，板厚为 0.7mm，座椅与地板为螺栓连接，为增强地板强度，增加座椅固定加强板、安全带固定加强板（加强板材质为HC260LA，板厚为 0.7mm），模型如图 2 所示。图 2 下车体及加强板模型2.3 判定限值及结果座椅拉拽工况下，钣金的塑性应变值是车身强度性能的主要考核指标，根引言引言下车体设计开发过程中，需要综合下车体设计开发过程中，需要综合考虑多种因素。其中座椅安全带固定强考虑多种因素。其中座椅安全带固定强度为国家强制要求，应是重中之重。但度为国家强制要求，应是重中之重。但是现在大部分的设计人员主要依靠经验是现在大部分的设计人员主要依靠经验设计，在项目前期缺乏有效的手段验证设计，在项目前期缺乏有效的手段验证设计的可行性。韩淑洁等研究了座椅安设计的可行性。韩淑洁等研究了座椅安全带固定点拉溃试验仿真系统开发，并全带固定点拉溃试验仿真系统开发，并利用此系统对某具体车型进行了仿真分利用此系统对某具体车型进行了仿真分析，并与实车台架结果进行了对比析，并与实车台架结果进行了对比11。李明华等利用 DYNA 软件对某车型的李明华等利用 DYNA 软件对某车型的第三排座椅固定点进行分析，并通过第三排座椅固定点进行分析，并通过增加焊点、增加料厚等手段实现了优化增加焊点、增加料厚等手段实现了优化提升提升22。陈坤，黄美华等优化了 CAE。陈坤，黄美华等优化了 CAE分析的步骤，简化了繁杂的操作步骤，分析的步骤，简化了繁杂的操作步骤，提高了分析效率提高了分析效率33。孙皓，柳存昭等。孙皓，柳存昭等对某商用车座椅固定结构进行分析，发对某商用车座椅固定结构进行分析，发现了其存在冗余强度，后对结构件进行现了其存在冗余强度，后对结构件进行集成化设计减少了零件数量，实现了降集成化设计减少了零件数量，实现了降低成本的目的低成本的目的44。本文根据 GB 14167本文根据 GB 1416755安全法规相安全法规相关规定,针对某款多功能商用车第二排关规定,针对某款多功能商用车第二排座椅下车体固定点处强度要求，展开设座椅下车体固定点处强度要求，展开设计。设计完成后采用 CAE 软件建立包计。设计完成后采用 CAE 软件建立包含白车身、假人、座椅、安全带、卷收含白车身、假人、座椅、安全带、卷收器、滑环的座椅拉拽分析模型，仿真了器、滑环的座椅拉拽分析模型，仿真了座椅拉拽工况下的下车体固定点关键位座椅拉拽工况下的下车体固定点关键位置的应力应变。根据仿真结果进行了问置的应力应变。根据仿真结果进行了问题分析及结构改进设计，改进设计完成题分析及结构改进设计，改进设计完成后再次分析并通过。最后通过台架试验，后再次分析并通过。最后通过台架试验，验证了设计的合理性。验证了设计的合理性。1 车身强度评价标准文文/于志刚 宋永斌 张兆友 王 洋 井庆合（中国重汽集团汽车研究总院于志刚 宋永斌 张兆友 王 洋 井庆合（中国重汽集团汽车研究总院）【摘 要摘 要】根据 GB 14167 相关要求，对白车身座椅固定方式展开设计，设计完成后利用 CAE 软件进行仿真，根据】根据 GB 14167 相关要求，对白车身座椅固定方式展开设计，设计完成后利用 CAE 软件进行仿真，根据仿真结果对设计进行优化，最后通过实车试验，验证了设计的合理性。仿真结果对设计进行优化，最后通过实车试验，验证了设计的合理性。【关键词关键词】座椅安全；车身结构；仿真分析；试验座椅安全；车身结构；仿真分析；试验重型汽车HEAVY TRUCK16据标准材料样件试验结果（材料牌号及料厚见本表 1），设置等效最大塑形应变值设置 20%。对模型进行求解，分析结果如图 3。由各部件塑性应变云图可知，后地板、后地板安全带固定加强板、后地板座椅固定加强板最大塑形应变分别为 27.98%、24.14%、4.33%，后地板应变超出20%限值，故判定为不合格。图 3 后地板塑性应变云图3 结构改进设计方法由各部件塑形应变云图可以看出，各固定点周边变形急剧，是典型的应力集中表现。分析后，原因如下：安全带螺母加强板与地板大板接触面积较小，施加的载荷无法有效的传递，造成了固定点处应力集中，进而导致板件变形。薄板结构有横向弯曲刚度较差的缺点。大平板结构易屈曲失稳。进一步受力还会弯曲断裂。通常用压槽、凸台、筋等特征来提高其刚度，而地板在此局部位置可视同为平板件，根据薄板件物理特性，其横向抗弯能力较差，故其 Z向无有效强度。原方案采取螺母板焊接在地板上的形式进行加强，对 Z 方向的拉力缺乏有效的传递路径进行分解。针对此问题，提出两种优化思路：增大接触面积、增大 Z 方向强度。增大接触面积容易实现，通俗来讲即增大螺母板的面积即可。而要增加Z 方向强度，需先引入力流的概念，力流有两个重要特性:(l)力流优先走较短路径，更确切地说优先走刚度较大的路径;(2)力线总是封闭的。为提高构件的刚度，应尽量使力流路径最短，力在构件中所经过的路径越短，受力作用的区域就越少，从而累积变形越小，这意味着整个构件刚度的提高。通过对地板总成结构分析发现，座椅固定点及安全带固定点下方是地板加强梁组合件，此加强梁旨在加强地板各方向刚、强度，是一种槽型结构，存在实现 Z 方向加强的条件，故形成优化方案如下：1、主体做槽盒结构，与下纵梁匹配形成封闭腔体，以提高局部刚度；2、槽盒增加多条翻边与下纵梁焊接，增加与下纵梁连接强度；3、下横梁局部做凹槽结构，上部槽盒直边延长至下横梁边界，使槽盒、下横梁、地板面板三者形成三层焊结构，增强三者连接强度。综上所述，形成优化方案如图 4。图 4 改进方案汇总示意4 车身结构优化后的强度分析结果根据本文第 3 节结构改进设计方案，再次进行座椅拉拽下的车身强度工况分析，各关键点塑性应变云图如图 5、图 6、图 7，改进前后结果对比如表 2。图 5 改进后后地板塑性应变云图图 6 改进后安全带固定加强板塑性应变云图图 7 改进后座椅固定加强板塑性应变云图表 2 改进前后应变对比零件名称塑形应变（改进前）塑形应变（改进后）目标值后地板27.98%12.21%20%安全带固定加强板24.14%17.3%20%座椅固定加强板4.33%4.19%20%由表结果可知，设计改进后的后地板、安全带固定加强板、座椅固定加强板塑性应变值均小于目标值，判断车身强度满足设计要求。5 车身座椅拉拽强度试验车身固定点优化设计完毕后，需进一步使用台架试验验证设计方案。试验选在中汽研汽车检验中心（天津）进行。试验结束后的座椅、安全带固定位置未见明显大变形，白车身各焊接总成无大规模焊点与钣金开裂现象。台架试验通过，改进后的下车体固定点强度满足座椅拉拽安全性能要求。6 总结本文针对某多功能商用车座椅拉拽下的车身强度性能要求，通过 CAE 软件较为准确地建立试验状态下的座椅及车身分析模型，按照 GB 14167 的要求进行仿真模拟，按照国家标准约束边界条件和施加载荷。分析了初版设计方案，根据仿真结果，结合力流概念，提出了优化思路和优化结构。优化后的车身结构通过了座椅拉拽车身强度台架试验，验证了设计改进的合理性。参考文献：1 韩淑洁，李博洋座椅安全带固定点拉溃试验仿真系统开发【A】现代制造工程，2013.2 李明华，胡百晖某车型第三排座椅固定点结构优化【J】.内燃机与配件，2019.3 陈坤，黄美华等HyperMesh 二次开发在汽车座椅安全带固定点强度分析中的应用【A】.重庆理工大学学报，2019.4 孙皓，柳存昭等某商用车座椅固定结构优化设计【B】.汽车实用技术，2020.5GB 14167，汽车安全带安装固定点、ISOFIX 固定点系统及上拉带固定点.