座椅动态冲击性能对比研究.pdf

第4期机电技术机电技术座椅动态冲击性能对比研究座椅动态冲击性能对比研究王诗虎（奇瑞商用车（安徽）有限公司，安徽 芜湖 241000）摘要为达到缩短汽车座椅开发周期，降低研发成本的目的，文章依据GB 150832019 汽车座椅、座椅固定装置及头枕强度要求和试验方法 及 C-NCAP管理规则（2021年版）建立了座椅冲击试验及座椅鞭打试验的有限元模型，同时使用该座椅进行了实际试验及仿真对标验证，验证结果表明：座椅冲击及鞭打性能符合法规要求。通过对有限元模型中材质参数及连接方式的优化设置，使该座椅模型具备良好的试验预测性，降低了项目总体的验证优化次数，节省了开发费用。关键词汽车座椅；动态冲击；有限元分析中图分类号：U463.83+6文献标识码：A文章编号：1672-4801（2023）04-079-05DOI：10.19508/ki.1672-4801.2023.04.023作者简介：王诗虎（1983），男，工程师，硕士，主要从事整车性能开发和整车技术集成工作。随着我国汽车总体保有量及每百人汽车保有量的不断攀升，人们对汽车安全性能的关注度也与日俱增。中国 C-NCAP 及 C-IASI 等安全规程的车型测试及结果发布也让公众对整车碰撞安全开发包含的内容越来越了解。相较于整车碰撞工况，目前国内鲜有单独针对汽车座椅冲击性能的深入研究分析。作为直接与车内驾乘人员接触的零部件，汽车座椅是碰撞事故中限制人体发生较大位移的关键约束系统构件，其前向、后向的冲击性能表现直接关系到乘员伤害值的大小。基于此，本文以某车型的前排驾驶员座椅为主要研究对象，深入研究分析该座椅在前向高速冲击及后向低速追尾碰撞中动态冲击性能的表现情况。1显式有限元理论及RADIOSS软件目前，在国内外系统结构动态特性计算机仿真分析中主要采用的是显式非线性有限元方法。在该分析方法中，不同于隐式求解的多点积分算法对时间步长的低敏感度及计算资源的较大消耗，显式非线性通常使用单点积分的方式进行极小时间步长的求解，采用虚功原理对离散单元进行变分列式的组集后，得到结构的非线性动力学方程为：MX(t)=P(x,t)-F(x,x)+H（1）式中：M为总体质量矩阵；X(t)为单元离散化模型位移二阶导数即加速度的矩阵；P为总体载荷矩阵，包含模型边界条件下的二维及三维的外力集合；F(x,x)为单元应力场的等效节点力矩阵；H为总体结构沙漏粘性阻力。通过使用中心差分算法的时间积分形式，大大降低了显式求解所需的总体时间。RADIOSS与 DYNA、PAMCRASH 并称为显式非线性求解的三大求解器，其显式核心算法均为中心差分法。通过多年的发展，三种求解器的侧重点各有不同。RADIOSS要求的有限元模型与物理模型的对应关系更为严格，对初始交叉及穿透的容忍度最小。本文使用 RADIOSS 显式求解器进行仿真及求解，严格按照实际物理模型结构及材料进行仿真建模，同时调整模型初始交叉及穿透使其符合求解器的检测标准，确保仿真结果的准确性及可预测性。2座椅动态冲击性能分析2.1仿真模型建立2.1.1单元的选取与材料模型的选用该座椅的主体结构为冲压钣金结构，包含座椅座盆、椅背边板等，可用二维壳单元模拟。连接边板的座椅骨架采用薄壁圆管结构，由于圆管厚度不足1.5 mm且直径大于20 mm，因此仍可用壳单元进行建模。靠背钢丝由于直径为 0.8 mm左右，可使用一维梁单元模拟。座椅坐垫合棉及靠背合棉可使用简化后的六面体单元模拟。焊点可采用弹簧单元，而骨架间的螺栓、销、铆钉等连接结构由于没有任何自由度且刚度较大可采用刚性单元模拟。792023年8月机电技术机电技术结构线性分析工况一般在材料屈服阶段之前，而座椅冲击工况由于速度快、能量高，会使得座椅部分结构发生塑性应变这种材料非线性现象及大变形这种几何非线性现象。若在仿真模型中仍使用材料准静态曲线将导致仿真结果与实际试验结果发生极大的偏差，因此必须使用考虑材料不同应变率下的应力-应变曲线作为模型输入，其材料本构模型采用式（2），以此保证在座椅动态冲击情况下的仿真精度。=(A+BN)(1+Cln*)（2）式中：A为材料屈服强度；B为材料硬化参数；为材料塑性应变；N为硬化常数；C为常数；*为材料的应变率1。2.1.2假人模型与安全带模型座椅高速动态冲击仿真按照国标要求使用混三假人，实际试验时会将假人静置于座椅坐垫上，同时假人的R点需满足整车设计值要求。在初始仿真模型中由于座椅靠背及坐垫合棉是未变形状态，当把混三假人模型按R点要求放置于座椅上时，会发生干涉。因此在进行动态冲击工况仿真前，需对混三假人实施强制位移使其逐步靠近坐垫及靠背消除干涉。该试验的实际安全带具备预紧及限力的功能，即在假人即将开始前移时，安全带会回收一段距离消除与乘员间的间隙，同时采用限力轴的结构确保安全带对假人的拉力始终维持在一个较低水平之内。在RADIOSS仿真软件中，采用多段的不同弹簧单元来模拟这一过程。使用三节点弹簧来模拟安全带在滑环滑动的情况，使用三段带刚度的六自由度弹簧来模拟安全带预紧及限力的过程，其中4号弹簧只能压缩不能拉伸，5号弹簧只能拉伸不能压缩，预紧力载荷施加在5号弹簧端部，同时在4、5号弹簧间建立三节点的6号弹簧，该弹簧的刚度设置为最大。当预紧起作用后，4、5号弹簧会分别发生拉伸及压缩，带动6号弹簧移动。当预紧结束后，由于三种弹簧不同的刚度设置，仿真安全带将被保持在预紧后的状态，即4、5、6号弹簧均无法变形及移动，该仿真状态与实际的物理过程完全一致。2号弹簧为限力弹簧，该弹簧的刚度曲线与安全带实际的限力曲线一致，即当安全带受拉伸长时，力值保持恒定。安全带仿真模型示意图如图1所示。图1三点预紧限力式安全带模型1.卷缩器弹簧TYPE4；2.限力弹簧TYPE13；3.预紧力F；4.阻止回缩弹簧；5.阻止拉伸弹簧TYPE4；6.反向工作弹簧TYPE122.1.3加速度曲线座椅模型搭建完成后，按实际试验状态对座椅脚架四个固定点进行除x向的另外五个自由度的固定。同时将四个固定点进行刚性连接并生成一个主节点。按照正面冲击法规曲线的要求，将加速度载荷施加于主节点上。该加速度波形积分后的峰值速度为50 km/h，整个冲击过程持续110 ms左右，加速度最大值为39.6g，如图2所示。图2滑车加载的加速度曲线按照上述步骤最终建立的座椅动态高速冲击仿真模型，如图3所示。图3座椅冲击仿真模型2.2动态冲击仿真及试验验证经RADIOSS求解器计算后，得到座椅动态冲80第4期击仿真结果，并与实际试验进行运动姿态与变形情况的对标分析。分析结果表明：仿真结果与试验情况具备较好的吻合性2。座椅滑轨及靠背底部支撑圆管发生了较大变形，最大塑性应力为512 MPa，结果见图4和图5。图4座椅骨架应力云图（a）试验后位移变形结果对比（b）座椅单品变形对比图5仿真与试验验证对比图3座椅鞭打性能分析3.1仿真模型建立3.1.1单元的选取与材料模型的选用座椅鞭打模型可直接使用座椅动态冲击有限元模型进行仿真。3.1.2假人模型与安全带模型安全带模型参考座椅动态冲击仿真的流程建立，座椅鞭打使用BioRID 型假人。该假人与整车碰撞假人比较，其颈部与胸部的传感器布置更为丰富，可以用来准确评估乘用车在追尾碰撞事故时，人体头部、颈部、胸部等所受到的伤害水平。BioRID 型假人除了装备头部、胸部的加速度传感器外，在上颈部及下颈部还布置有力及力矩传感器，用以测量追尾事故时，人体颈部所受剪切力、拉力及弯矩的大小，以此评估人体受到的伤害程度3。3.1.3加速度曲线按照规程要求，在 0170 ms时间内，滑车速度变化量应该在20.01.0 km/h范围内，峰值加速度应在（1012）g之间，加速度波形持续时间约为103 ms4，如图6所示。图6座椅鞭打冲击波形3.2动态鞭打仿真优化及试验验证对所建立的座椅总成有限元分析模型，进行座椅鞭打性能仿真分析。座椅鞭打有限元模型与座椅动态冲击模型及边界条件基本一致，仅假人及冲击波形存在差异。由于总体冲击能量较低，因此不考虑座椅结构失效情况，其中座椅焊点用rigid连接模拟，调高铰链使用弹簧单元来模拟有运动副的刚性连接，锁机构的连接处于锁止状态且为刚性连接。BioRID 型假人按设计的 H 点进行预压定位，建立完成的仿真模型及试验状态如图7所示。图7座椅鞭打仿真及试验采用视频捕捉软件在视频中提取座椅和假人的位移、角度变化情况，与仿真中得到的数据进行对比。从对比结果中可知：仿真中座椅调高铰链王诗虎：座椅动态冲击性能对比研究812023年8月机电技术机电技术的下潜量、假人的颈部运动状态与试验结果基本一致，座椅靠背转角峰值量虽有差异，但峰值时刻较为接近，而调整座椅靠背转角时，会导致假人的运动状态与试验状态相差较大，与靠背转角相比铰链下沉量对结果的敏感性更高，因此需将该变形量作为核心控制指标进行调节。权衡之下，得到的座椅运动情况关键指标的对标结果如图8所示。（a）靠背转角（b）调高铰链下沉量图8运动情况对标结果在仿真与试验座椅对标过程中，对标曲线的影响因素有铰链刚度值、铰链刚度卸载方式、假人与座椅之间摩擦系数、靠背刚度等关键参数。实际对标过程中，需按照仿真与座椅的运动姿态拟合情况进行参数调整。若更改参数对目标结果影响不明显，有以下两种原因：该参数对目标不影响或参数更改幅度不够，单位数量级相差太大。因此需多次分参数进行调整，直至仿真与试验的运动状态能基本保持一致。提交计算后，得到假人头部质心加速度、颈部剪切及拉升力等伤害值信息，通过鞭打法规对各部位的限值要求，将仿真数据与试验数据对比整理成评分表格，如表1所示。从对标结果中可看出，仿真结果与鞭打试验结果评分基本吻合。由于座椅鞭打整体冲击能量较小，座椅骨架整体应变率均小于3%，因此座椅结构强度不是鞭打试验的关键考查项，降低假人伤害值主要依靠座椅关键零部件的性能指标优化及总体设计布置的不断迭代完成。座椅调角器刚度、靠背骨架刚度是影响假人背部位移量的关键因素，通过减小假人头部质心与背部整体运动的时间差值，使两者的运动趋势尽可能接近，在设计过程中保证座椅头枕与头部合适的间隙，能够最大限度地降低人体头部及颈部在追尾冲击中的伤害值。通过使用仿真手段来指导对应座椅鞭打性能的结构设计的优化方向，同时在试验前验证座椅鞭打性能的水平，能够节约开发时间及开发试验验证次数，达到降低乘用车座椅开发成本的目的。表1座椅鞭打仿真与试验结果对比指标颈部伤害指数NIC/（m2/s2）上颈部扭矩评分下颈部扭矩评分减分项Upper Fx+/NUpper Fz+/NUpper My/NmLower Fx+/NLower Fz+/NLower My/Nm头枕干涉头部空间滑轨动态位移/mm试验1.761.001.000.921.001.001.00000.921.0003.68仿真1.761.001.000.951.001.001.00000.95103.714结论通过对某车型座椅进行接近物理实际的仿真建模，分别对该座椅的前向高速动态冲击法规工况及后向低速鞭打冲击工况进行仿真分析并进行试验对标，证明该座椅满足法规性能要求，仿真结果能够较好的预测座椅的实际性能表现，为该座椅节省了开发周期及费用。（下转第98页）822023年8月机电技术机电技术2）原因分析：固定导轨挡板通常是通过带螺栓的压板固定在导轨上，安装单位分两个工期分别对固定导轨挡板和插销进行安装，未能够及时验证装置的功能。制造单位与安装单位的质量管理存在漏洞：安装单位未严格按照施工图纸进行施工，完成安装之后，未对各个部件的性能进行测试，制造单位亦未检查安装后的设备质量。3）处理意见：要求安装单位严格按照设计图纸进行施工，将电梯移到图2所示位置，通过压板调整固定导轨挡板在轨道上的位置，使插销能够准确灵活地伸入定位孔中。完成施工之后，检验人员进行现场检验，对机械锁定装置的功能进行确认；同时，与安装单位负责人保持沟通，做好现场监督，强化安全意识，从源头避免出现此类问题。对于制造单位而言，有责任督促安装单位完成安装之后做好自检，一方面，可以提升监督检验工作效率与质量；另外一方面，也可以提升设备自检合格率，共同努力营造安全、稳定的作业环境10。5结束语综上所述，无机房轿厢机械锁定装置可视为一个含有电气开关的机械装置，其安装并不存在复杂性，其存在的缺陷更多的是安装单位在设备安装完成后，缺少自身及制造单位对其功能的验证检查。一台电梯的运行质量，排除电梯本身的制造质量因素，常说三分靠安装七分靠保养。基于实际需求，必须要做好机械锁定装置的检验工作，才能在电梯运行以及维修作业过程中有效发挥作用，从而保障作业环境的安全与稳定；同时，在检验时必须要确保检验专业性，有利于及时发现问题、解决问题，以利于最大限度规避安全隐患。参考文献：1 林旭波.论电梯机械锁定装置的设计分析J.同行，2016（9）：79.2 邬宇，刘紫康.无机房电梯轿顶上作业场地的问题分析与建议J.中国特种设备安全，2019，35（11）：13-15.3 袁仁杰.关于无机房电梯机械锁定装置检验的探讨J.特种设备安全技术，2021（2）：27-28.4 王尚，孙南，孙伟.无机房电梯机械锁定装置的风险点分析J.特种设备安全技术，2020（5）：34-35.5 梁伟浩.无机房电梯机械锁定装置的检验和可靠性分析J.中国新技术新产品，2016（9）：85-86.6 潘钰.无机房电梯轿厢机械锁定装置的检验分析与探讨J.机电工程技术，2022，51（10）：261-263.7 徐建.无机房电梯机械锁定装置的检验研究J.中国高新技术企业，2017（3）：65-66.8 高鹏.无机房电梯机械锁定装置的检验和可靠性分析J.中国设备工程，2021（21）：161-162.9 崔哲刚.无机房电梯机械锁定装置的检验和可靠性分析J.中国新技术新产品，2020（15）：62-63.10 韩京钊.无机房电梯轿厢机械锁定装置的检测研究J.南方农机，2021，52（10）：108-109.参考文献：1 林逸，姚为民，孙丹丹.承受冲击时汽车座椅结构安全性研究J.北京理工大学学报，2015：18-21，26.2 来丽亚.夏利轿车座椅系统有限元仿真分析及试验研究D.长春：吉林大学，2008.3 刘宇豪，陈超，刘志新，等.鞭打试验中波形对人体损伤的影响：Infats proceedings of the 14th international forum of automotive traffic safetyC.长沙，2017：334-341.4 中国汽车技术研究中心有限公司.中国新车评价规程M.天津：中国汽车技术研究中心，2021.（上接第82页）98