汽车正撞时后排座椅安全性的CAE分析与改进设计

图7 实车正面碰撞波形

为了充分利用两种算法的优势，本文中采用大变形有限元和多刚体耦合方法对带假人的座椅负载安全性进行CAE分析。假人、安全带采用多刚体软件MADYMO建模(HybridⅢ50百分位假人和3点式安全带)，安全织带采用的是三节点壳单元与1维弹簧单元结合的混合模型，腰带及肩带中段为带宽50mm、厚1.1mm的有限元段带，两端分别用1维安全带单元将背带连接到座椅上，各段具有相同的织带特性。在滑环处建立了安全带滑环单元，摩擦因数设为0.3，模拟肩腰带在带扣滑环中上下滑动的效果。耦合计算过程如图8所示。

采用LS-DYNA计算座椅各个部件的变形情况；采用MADYMO分析座椅、安全带对人体的保护作用以及假人伤害响应。耦合计算模型如图9所示。

图9 带假人正撞负载试验耦合模型

座椅靠背变形和假人运动见图10。安全带固定在60%靠背上，60%靠背同时受到试验样块的冲击和安全带拉力的合力，60%靠背骨架刚度较弱，变形位移超过参考面，未满足该企业要求。

图10 座椅靠背冲击变形图

图11示出60%靠背严重变形区域；图12为中支架变形前后的对比图。由图11和图12可见，座椅60%靠背上的中支撑板、中支架和下梁变形严重。中支架为片状结构，承载能力较弱。60%靠背不仅产生较大的局部弯曲变形，而且由于下粱扭转还使靠背出现了整体前翻，最大位移超过了参考面。

3 改进设计仿真计算及试验验证

分析发现，原座椅结构的中支撑板在受到冲击时出现较大弯曲变形，导致试验样块的冲击力和安全带拉力集中在靠背中间位置，无法传递到靠背下部的安装固定点。仿真结果表明，靠背底板吸能1082J，中支撑板吸能82J，下梁吸能709J，其中刚度较弱的靠背底板集中承受了试验样块和假人的大部分动载荷。因此，正确设计力的传递路径，合理分配部件吸能，可有效提高座椅靠背的结构抗冲击件。

针对60%靠背骨架的变形情况，提出4种结构加强方案，研究如何有效提高靠背的抗冲击性能。其中对于铰链支架的改进参考某座椅下部铰链形式(图13)，其中实心部分与靠背下梁焊接，空心部分与车身地板螺栓连接。

图13 改进后中支架结构

方案1：不加强结构件，采用圆柱形支架结构。
方案2：左粱材料由B420CL增强为QSTF380。
方案3：下粱材料由B420CL增强为QSTE380。
方案4：中支撑板材料由B420CL增强为QSTE380。

4种方案均采用承载性较好的圆柱形式的支架结构，仿真结果见图14。骨架变形量由大到小依次是：方案1、方案2、方案3、方案4。由方案1与原结构对比可知，采用圆柱形支架代替原片状支架解决了铰链支架承载能的问题；由方案2、方案3与方案1对比可知，加强左梁和下梁并没有解决原结构的传力路径被截断的问题；方案4效果最好，说明提高中支撑板刚度解决了力流截断的传递问题，使得安全带拉力和试验样块冲击力能够顺利通过中支撑板向下传递给两端的安装固定点(图15)，从而减少靠背底板承受的动载荷和靠背前翻趋势，使下梁受到的扭转力矩变小，进而减小了靠背骨架变形。因此，选用方案4作为改进方案。

图14 4种方案靠背变形量曲线对比

图15 力传递路径示意图

改进前、后各主要部件吸能曲线如图16所示。由于冲击力被合理分散到靠背底板、中支撑板和下梁上，60%靠背底板吸能量由原来的1082J降到801J，相对改进前各部件更均匀地吸收了冲击能量，有效减小了靠背底板的弯曲和下梁的扭转变形，靠背骨架在碰撞过程中最大位移距参考平面约100mm，60%靠背最大变形量相对原结构约减小150mm(图17)，达到该企业标准的要求。

耦合模型还计算出了假人的动态响应，其中头部伤害指数HIC为36，头部3ms合成加速度为53g，胸部压缩量为21.8mm，胸部3ms合成加速度为35g。假人伤害仿真结果均低于一般法规规定的伤害指标，座椅对乘员的保护能够满足企业的要求。

在随后进行的带假人正撞负载试验中该座椅通过了认证试验，其结果(图18)与仿真计算相关性较高，证明了假人和座椅耦合模型的CAE分析与性能预测的有效性。

4 结论

采用多刚体和有限元耦合的方法，对汽车后排座椅正面碰撞负载试验进行CAE分析，并根据仿真结果提出座椅系统结构的改进方案并通过了企业标准的试验认证，而且仿真和试验结果有较高的相关性，充分证明了该方法在工程意义上的可信度，可为整车安全性能设计与开发提供有效的数据支持。