汽車正撞時后排座椅安全性的CAE分析與改進設(shè)計
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在汽車碰撞中汽車座椅起著保持乘員生存空間，使其它約束裝置實現(xiàn)保護效能的作用。汽車座椅安全性研究始于20世紀(jì)50年代，早期研究主要采用試驗手段，研究汽車尾部碰撞的乘員保護。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，CAE分析在汽車座椅系統(tǒng)開發(fā)和研究中起著越來越重要的作用，國外研究機構(gòu)開展了許多更加深入的研究工作，其中包括研究座椅安全帶固定點的強度，預(yù)測座椅骨架失效形式和采用參數(shù)化方法對座椅進行設(shè)計開發(fā)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。國內(nèi)研究主要依據(jù)GB15083-2006《汽車座椅固定裝置及頭枕強度要求和試驗方法》法規(guī)要求，分析座椅骨架和頭枕的靜強度、頭枕吸能性和座椅靠背行李箱的沖擊強度，以及采用鋁鎂合金對座椅骨架進行輕量化設(shè)計。關(guān)于在汽車承受沖擊載荷時座椅對乘員保護作用和乘員動態(tài)響應(yīng)的研究還不夠深入。為使座椅在整車碰撞過程中起到較好的保護乘員的作用，很多座椅企業(yè)都提出高于目前座椅法規(guī)的產(chǎn)品性能要求。
本文中針對某中級轎車后排座椅正撞時的負(fù)載安全性，根據(jù)ECER17法規(guī)和該車生產(chǎn)企業(yè)關(guān)于座椅沖擊強度的要求，采用多剛體動力學(xué)法和瞬態(tài)大變形有限元法混合建模和耦合計算，實現(xiàn)了在帶假人的情況下該座椅正撞時負(fù)載安全性的CAE分析，并對改進方案實施后的性能進行預(yù)測。
1 后排座椅正撞負(fù)載法規(guī)試驗
ECER17中關(guān)于汽車后排座椅沖擊強度的認(rèn)證規(guī)定采用臺車試驗臺進行正撞工況下的座椅沖擊試驗。試驗樣塊尺寸(mm)為300×300×300，棱邊倒角為20mm，質(zhì)量為18kg。試驗樣塊的安放位置如圖1所示，放置于行李艙的地板上，縱向與靠背有200mm的水平距離；兩試驗樣塊之間有50mm的橫向距離。
圖1 試驗樣塊質(zhì)量及其布置圖
2 后排座椅安全性的CAE分析
2.1 后排座椅靠背結(jié)構(gòu)
本文中研究的座椅靠背采用分體式結(jié)構(gòu)，如圖2所示。由40%和60%靠背兩部分組成。進行座椅沖擊強度試驗時，靠背骨架以實際機構(gòu)的連接方式固定在白車身上，白車身固定在臺車上。座椅靠背兩側(cè)的鎖支架連接靠背鎖，車身鎖鉤與靠背鎖處于鎖止?fàn)顟B(tài)，以固定靠背上部，靠背下部的邊支架和中支架分別通過螺栓固定在車身上，與車身形成鉸鏈連接。中間位置的安全帶與座椅集成一體，肩帶的上固定點在60%靠背上，左右位置的安全帶固定點均在車身上。座椅沖擊強度試驗主要是考察座椅結(jié)構(gòu)件和連接件的強度和剛度。
圖2 后排座椅結(jié)構(gòu)圖
2.2 ECER17正撞負(fù)載試驗CAE分析
按照ECER17中《行李位移乘客防護裝置的試驗方法》的要求，基于LS-DYNA3D顯式有限元軟件建立座椅沖擊試驗的有限元仿真模型(圖3)，包括座椅靠背骨架及其同定裝置和試驗樣塊。有限元模型的網(wǎng)格基準(zhǔn)尺寸為6mm，模型包括49574個單元，721個剛體單元。
圖3 正撞負(fù)載試驗有限元模型
圖4 ECER17規(guī)定的臺車加速度波形
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