汽車前排座椅正面碰撞的仿真分析及優(yōu)化
2021年10月14日 13:32瀏覽：4009 評(píng)論：3 收藏：30
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(duì)Hybrid III 50%假人進(jìn)行正面碰撞仿真試驗(yàn)，所得結(jié)果與臺(tái)車試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了模型的有效性。同時(shí)對(duì)碰撞中假人胸部的傷害情況進(jìn)行分析，結(jié)合試驗(yàn)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，需要對(duì)座椅骨架進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)對(duì)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(guò)大，提出應(yīng)對(duì)側(cè)板進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)要求，并起到指導(dǎo)設(shè)計(jì)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(lái)，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(shí)，通過(guò)座椅可變性區(qū)域有效吸收碰撞產(chǎn)生的動(dòng)能， 從而減少碰撞中乘員的傷害。因此，座椅碰撞時(shí)對(duì)乘員的保護(hù)性能日漸成為各大汽車企業(yè)研究的焦點(diǎn)。
隨著我國(guó) 2018 版C-NCAP 管理規(guī)則的實(shí)施，消費(fèi)者們?cè)絹?lái)越重視汽車在碰撞試驗(yàn)中的評(píng)分。目前，在正面碰撞試驗(yàn)中，假人的胸部傷害是失分的主要因素，同時(shí)也制約了汽車安全性能的提高。對(duì)于單獨(dú)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(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究中，文獻(xiàn)[1]提出以增大坐墊與靠背傾角的方式來(lái)改變假人坐姿，減少乘員在碰撞過(guò)程中的傷害；文獻(xiàn)[2]分析了安全帶的機(jī)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(dòng)對(duì)胸部帶來(lái)的傷害；文獻(xiàn)[3]通過(guò)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(guò)大，將導(dǎo)致乘員胸部傷害加重。
上述研究多只對(duì)座椅參數(shù)的單項(xiàng)影響因素進(jìn)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(jì)算精度沒(méi)有有限單元假人模型高。因此，采用有限元仿真技術(shù)，對(duì)前排座椅正面碰撞中假人模型的胸部傷害情況進(jìn)行分析，通過(guò) HyperView 后處理軟件對(duì)碰撞中座椅骨架形變及受力較大的零件進(jìn)行分析，并對(duì)問(wèn)題零件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而得到減少假人傷害的座椅骨架最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。通過(guò)對(duì)優(yōu)化前后仿真試驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行對(duì)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(jì)和乘員保護(hù)提供了一種可行設(shè)計(jì)方案。
以某企業(yè)正在研發(fā)的小型轎車前排座椅為數(shù)學(xué)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建模，網(wǎng)格的最小單元為2.5mm，翹曲度為 15，網(wǎng)格的長(zhǎng)寬比不高于 5：6，雅克比最大值不超過(guò) 0.64 作為檢測(cè)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(jìn)行模擬，焊接則采用 Rigidbody 剛性焊接。模型共由 77674 個(gè)節(jié)點(diǎn)及76323個(gè)網(wǎng)格單元組成。
試驗(yàn)所使用的是Hybrid III 50%假人模型，模型依據(jù)設(shè)計(jì)人員提供的 H 點(diǎn)坐標(biāo)正確擺放在座椅上，以車身中的安全帶固定點(diǎn)建模安全帶，并依據(jù)假人的腳跟點(diǎn)坐標(biāo)調(diào)整好假人的坐姿。
正面碰撞試驗(yàn)邊界條件與載荷設(shè)置
在對(duì)座椅進(jìn)行正面碰撞仿真試驗(yàn)前，要對(duì)座椅的邊界條件與載荷進(jìn)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(jìn)行連接，對(duì)鎖柄連接處 6 個(gè)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(shí)間為 120ms。模型施加與試驗(yàn)臺(tái)車相同的正弦加速度曲線，并保證座椅一定時(shí)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(shí)達(dá)到峰值時(shí)刻，加速度峰值為 32g。
使用 HyperView 后處理軟件對(duì)整個(gè)正面碰撞中假人與座椅的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，當(dāng)碰撞進(jìn)行到 40ms 左右時(shí)刻，隨著假人的前移，安全帶開(kāi)始對(duì)假人起到約束作用；并在80ms 左右時(shí)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(shí)刻，座椅各零件變形量達(dá)到最大值，坐墊下潛量較大，假人坐姿變化明顯，座椅并沒(méi)有對(duì)乘員 起到很好的支撐作用。模型 0ms、40ms、80ms、120ms 時(shí)刻前排座椅的正面碰撞過(guò)程，如圖2所示。
仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析
設(shè)計(jì)階段，該車企在上海東方久樂(lè)碰撞試驗(yàn)室對(duì)座椅進(jìn)行了臺(tái)車碰撞試驗(yàn)，試驗(yàn)所用臺(tái)車，如圖3所示。
提取了臺(tái)車碰撞試驗(yàn)中假人胸部傳感器測(cè)得的X方向加速度曲線，并與仿真試驗(yàn)中假人模型胸部X 方向加速度曲線進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖4所示。從圖4可知，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的曲線增減趨勢(shì)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(tái)車測(cè)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(shí)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(yàn)的理論依據(jù)。
由于座椅的研發(fā)是與整車分開(kāi)的重要項(xiàng)目，單獨(dú)的座椅系 統(tǒng)碰撞試驗(yàn)中并沒(méi)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(duì)乘員保護(hù)性能的優(yōu) 劣。依據(jù) 2018 版C-NCAP 的評(píng)分準(zhǔn)則，文章使用 LS-DYNA 求解器計(jì)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(píng)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(guò)大的壓縮量會(huì)造成骨骼損傷[6-7]，危害乘員生命安全。正面碰撞仿真試驗(yàn)過(guò)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(shí)達(dá)到峰值54mm。根據(jù) C-NCAP 法規(guī)，當(dāng)假人胸部壓縮量超過(guò) 50mm 時(shí)判定為低性能，而試驗(yàn)?zāi)Ｐ托夭孔冃瘟扛哂?50mm 的時(shí)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(xiǎn)。3ms 合成加速度表示 3ms 時(shí)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(píng)價(jià)準(zhǔn)則，表示胸腔變形量相對(duì)時(shí)間的變化速率，以 m/s 為單位，過(guò)大粘性傷害會(huì)給乘員心肺等軟組織帶來(lái)傷害。正面碰撞中胸部的粘性傷害指數(shù) VC 以胸腔量相對(duì)于時(shí)間的變化率與胸腔的變形率的乘積來(lái)計(jì)算，表達(dá)式，如式（1）所示。
式中：D（t）—假人胸腔與時(shí)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(duì)于時(shí)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(shí)達(dá)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(yàn)結(jié)果表明，該前排座椅在汽車正面碰撞中對(duì)乘員的保護(hù)性不好，乘員的胸部傷害較為明顯，應(yīng)對(duì)座椅的結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，從而提高座椅的保護(hù)性能。
03汽車前排座椅結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)
上述仿真結(jié)果表明，該座椅在正面碰撞的工況下雖然沒(méi)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(guò)程中對(duì)乘員的保護(hù)性不足，乘員的胸部損傷較為明顯，需要對(duì)座椅的結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。通過(guò)分析整個(gè)碰撞過(guò)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(méi)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(shí)刻，側(cè)板的應(yīng)力達(dá)到峰值的554.4MPa，接近QSTE420 的最大抗拉強(qiáng)度556.8MPa，需要增加側(cè)板剛度否則會(huì)發(fā)生零件斷裂的危險(xiǎn)[9]；防下潛管的材料為Q195，厚度為2.0mm，在95ms時(shí)刻，防下潛管的最大應(yīng)力達(dá)到峰值的265.3MPa，整體變形量超過(guò)10%，乘員易發(fā)生下潛危險(xiǎn)。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(jìn)
改進(jìn)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(yán)重變形，導(dǎo)致試驗(yàn)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(duì)假人的胸部造成了嚴(yán)重傷害[10]。為了提高座椅 在正面碰撞中的安全性，必須對(duì)兩個(gè)零件進(jìn)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(duì)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(lái)提高零件整體剛度。針對(duì)防下潛管的剛度不足，文章通過(guò)將直管改為彎管的設(shè)計(jì)方式來(lái)解決假人在碰撞中的下潛問(wèn)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(jìn)前后假人胸部對(duì)比分析
將改進(jìn)后的有限元模型通過(guò)LS-DANY求解器再次分析，并與原仿真模型進(jìn)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(biāo)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(qiáng)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(jìn)后的座椅安全性能更加優(yōu)秀。
（1）試驗(yàn)結(jié)果表明40ms 左右時(shí)刻，安全帶對(duì)假人起到約束作用；120ms時(shí)刻，座椅各零件的變形量最大。
（2）臺(tái)車試驗(yàn)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(yán)重，且在79ms時(shí)刻，胸部明顯變形。
（3）在對(duì)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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