摘(zhāi)要(yào)：為解決(jué)某車身安(ān)全帶鎖(suǒ)扣(kòu)與(yǔ)座椅(yǐ)本(běn)體幹涉(shè)磨(mó)損(sǔn)的(dí)問題，開(kāi)發(fā)出(chū)一套(tào)新的座椅(yǐ)結(jié)構，單獨(dú)將右側安全(quán)帶固(gù)定(dìng)點設計(jì)在(zài)座(zuò)椅(yǐ)本(běn)體上(shàng)，對(duì)新座椅結構(gòu)的(dí)骨架強度進(jìn)行研究。再(zài)通(tōng)過靈敏度分析(xī)法對(duì)骨架(jià)進行輕(qīng)量(liáng)化分(fēn)析(xī)，優(yōu)化過程中綜合考(kǎo)慮(lǜ)碰撞工況(kuàng)及(jí)模態工(gōng)況，通(tōng)過(guò)改變部(bù)分(fēn)零件的厚度(dù)實現(xiàn)了骨架(jià)降(jiàng)重(zhòng)0.8kg，優化(huà)後靠(kào)背前向位移(yí)最大(dà)為(wéi)66.5mm，與優(yōu)化前(qián)的(dí)骨架前(qián)向位移(yí)偏差為(wéi)2.2mm，模(mó)態頻率(shuài)優化(huà)前後的波(bō)動(dòng)率(shuài)最(zuì)大為8.1%。最(zuì)後(hòu)根據法(fǎ)規(guī)要(yào)求(qiú)，對優化(huà)後(hòu)的座(zuò)椅骨(gǔ)架進(jìn)行(háng)仿真驗證分(fēn)析(xī)，以驗(yàn)證(zhèng)實驗方案的(dí)可(kě)行(háng)性(xìng)和有效(xiào)性，從而驗(yàn)證(zhèng)了(liǎo)優(yōu)化(huà)後的(dí)骨(gǔ)架(jià)符合座椅強(qiáng)度(dù)法規(guī)與(yǔ)輕量化要求(qiú)，新的座(zuò)椅骨架結構(gòu)解決了車身(shēn)幹(gān)涉的問(wèn)題(tí)，為(wéi)後期(qī)座椅結構設計提供了(liǎo)新的理念(niàn)和方法。
關鍵(jiàn)詞：座(zuò)椅強(qiáng)度(dù)；靈敏度分析；模態；輕量(liáng)化(huà)
相對車(chē)身係(xì)統而言(yán)，座(zuò)椅是將人體與車身連接(jiē)起來的(dí)載體，研究(jiū)汽車(chē)座椅的(dí)安(ān)全(quán)性，舒(shū)適(shì)性是座椅設計(jì)流程(chéng)中(zhōng)不可少的(dí)環節(jié)［1］。一套(tào)商用(yòng)車(chē)座椅除了(liǎo)其(qí)對(duì)應(yīng)的骨(gǔ)架結構(gòu)要具有足夠的強(qiáng)度特性以外，還應滿(mǎn)足輕(qīng)量(liáng)化(huà)及低製造成本(běn)的要(yào)求。汽車(chē)座(zuò)椅(yǐ)骨架強度是車身(shēn)被動(dòng)安全性(xìng)的一個重(zhòng)要(yào)指標，其(qí)中(zhōng)，安全(quán)帶(dài)固定點強度是影響交通事(shì)故中(zhōng)座(zuò)椅及安全(quán)帶對(duì)乘員約束和(hé)防護(hù)能力可(kě)靠性的主要因素。據(jù)前(qián)期客戶市場反饋，座椅的最右(yòu)邊(biān)安(ān)全(quán)帶固(gù)定點在車(chē)身(shēn)上(shàng)時，當插拔安(ān)全(quán)帶(dài)時(shí)座椅與(yǔ)車身(shēn)副儀(yí)表(biǎo)之(zhī)間(jiān)的間隙較(jiào)小(xiǎo)，造成安全帶插(chā)接操作(zuò)的(dí)不(bù)便性；同(tóng)時(shí)，在車輛(liàng)行(háng)駛過程(chéng)中(zhōng)，經(jīng)過(guò)顛(diān)簸(bò)路麵時安全帶鎖(suǒ)扣(kòu)與(yǔ)座(zuò)椅產生反復(fù)摩擦，造成(chéng)座(zuò)椅鎖(suǒ)扣表麵塑(sù)料(liào)件(jiàn)磨(mó)損(sǔn)，甚至(zhì)擠破安(ān)全帶(dài)鎖(suǒ)扣，影響了座椅的安全(quán)性(xìng)，如(rú)圖1所示(shì)。對座(zuò)椅(yǐ)設計數(shù)據(jù)進行校核，產(chǎn)生該問(wèn)題(tí)的原因主(zhǔ)要是(shì)目前安全帶(dài)鎖扣與(yǔ)座(zuò)椅骨(gǔ)架(jià)所(suǒ)在位置(zhì)存(cún)在硬幹涉5mm造成，伴(bàn)隨座椅總(zǒng)成不可避(bì)免的(dí)製(zhì)造誤(wù)差，實物裝(zhuāng)車(chē)後(hòu)幹涉量(liáng)會更(gēng)大(dà)，由此造(zào)成幹(gān)涉與磨(mó)損，如圖2所(suǒ)示(shì)。
圖(tú)1 車身(shēn)鎖(suǒ)扣(kòu)與座椅磨損
圖(tú)2 車身(shēn)座椅數據校核
由(yóu)於幹涉部(bù)位的座(zuò)椅(yǐ)包絡(luò)為(wéi)整(zhěng)個鼓(gǔ)包側(cè)麵(miàn)，在車(chē)身地(dì)板(bǎn)鼓(gǔ)包(bāo)上更改安全(quán)帶固定點(diǎn)無法解(jiě)決(jué)該問題(tí)，故將(jiāng)右(yòu)邊原固(gù)定(dìng)在(zài)地板上的(dí)安(ān)全(quán)帶(dài)鎖(suǒ)扣(kòu)布置在座椅(yǐ)上(shàng)，即(jí)座椅(yǐ)骨架(jià)右(yòu)側自(zì)帶(dài)安全(quán)帶鎖(suǒ)扣(kòu)，取(qǔ)消(xiāo)原(yuán)地板上的(dí)安(ān)全(quán)帶鎖(suǒ)扣。因此，當(dāng)將(jiāng)右(yòu)側安全帶固定點由(yóu)車(chē)身(shēn)轉(zhuǎn)移(yí)至座椅上時，就(jiù)對座(zuò)椅(yǐ)骨架設(shè)計及(jí)強(qiáng)度(dù)特(tè)性提(tí)出了更(gēng)高的要(yào)求(qiú)。文(wén)獻(xiàn)［2］用(yòng)HyperMesh建立了座椅有限元模(mó)型，基於(yú)頭枕強度(dù)法規(guī)的要求(qiú)，運(yùn)用LS-dyna求解(jiě)器對頭枕(zhěn)強度進行了仿真分析並對(duì)失(shī)效風險進(jìn)行了優化改(gǎi)進。文獻(xiàn)［3］針(zhēn)對美(měi)國(guó)標(biāo)準FMVSS和歐洲標(biāo)準ECE的要求(qiú)，采用(yòng)顯式(shì)求(qiú)解(jiě)和隱式求解方(fāng)法(fǎ)對座椅(yǐ)安(ān)全帶(dài)固定點強度(dù)進行了分(fēn)析(xī)研(yán)究。文(wén)獻［4］根(gēn)據安(ān)全(quán)帶錨固強度(dù)試驗(yàn)過(guò)程，對座椅(yǐ)進(jìn)行了(liǎo)試(shì)驗方(fāng)法和有限元分(fēn)析(xī)，評(píng)價(jià)了(liǎo)座椅(yǐ)主(zhǔ)要(yào)部位對安全帶錨(máo)固(gù)強(qiáng)度(dù)的(dí)影響(xiǎng)。為解決此(cǐ)幹涉問題並提(tí)升座椅的(dí)舒適性，利用Hyperworks仿真分析(xī)法對(duì)座椅局部數據(jù)進(jìn)行(háng)修(xiū)正優(yōu)化，並(bìng)結合仿真結果(guǒ)對(duì)相(xiāng)關(guān)零件進行質(zhì)量和位(wèi)移(yí)靈敏(mǐn)度分(fēn)析，優化出(chū)符(fú)合條件的結果(guǒ)，實現座椅(yǐ)骨架(jià)的輕(qīng)量(liáng)化(huà)，再對輕量化(huà)後的(dí)骨架進(jìn)行(háng)實車試驗，以(yǐ)驗(yàn)證(zhèng)仿真(zhēn)結果的有效性(xìng)。
1 建(jiàn)模過程(chéng)
安(ān)全(quán)帶(dài)固(gù)定點(diǎn)強(qiáng)度分(fēn)析(xī)過程是(shì)準平(píng)衡(héng)，非(fēi)綫性的分析(xī)模型［5］，分析(xī)時將(jiāng)人體(tǐ)與(yǔ)靠背(bèi)結(jié)構空間離(lí)散(sàn)化。模型(xíng)建立(lì)過(guò)程主要包(bāo)含幾何(hé)模(mó)型(xíng)的(dí)網(wǎng)格劃分(fēn)，施加(jiā)荷載，定義材(cái)料及(jí)控製卡(qiǎ)片設置(zhì)等，這些過程直接(jiē)影(yǐng)響(xiǎng)著仿(fǎng)真分析的(dí)精(jīng)確度和(hé)效率［6］。考慮到(dào)座(zuò)椅內部(bù)結構較為復(fù)雜(zá)，座(zuò)椅(yǐ)骨架為座椅(yǐ)本(běn)體(tǐ)實(shí)際承(chéng)載部件。模型選(xuǎn)取時若(ruò)將(jiāng)所有(yǒu)零(líng)部(bù)件及(jí)整個(gè)地板(bǎn)結構(gòu)作為研究分析(xī)對(duì)象，將會(huì)使(shǐ)得分析(xī)模型(xíng)變得(dé)復(fù)雜化，使得(dé)仿真分(fēn)析時間(jiān)變長(cháng)，所以(yǐ)需要在進行仿真(zhēn)分析(xī)之前對(duì)研(yán)究對象進(jìn)行精(jīng)簡(jiǎn)處(chǔ)理(lǐ)。主(zhǔ)要(yào)手段是去(qù)除(chú)自由邊，多餘麵等多種檢查研究(jiū)對(duì)象封(fēng)閉性方(fāng)法，同時刪除掉對(duì)於(yú)不影響(xiǎng)強度分(fēn)析(xī)的(dí)加強(qiáng)筋，倒角(jiǎo)，圓(yuán)角數據［7］。建立(lì)好(hǎo)的(dí)有限元分(fēn)析(xī)模型，如(rú)圖3，圖4所示。圖(tú)3 座椅(yǐ)安全(quán)帶(dài)固定點模(mó)型(xíng)
根據法(fǎ)規GB14167-2013《汽(qì)車安全帶安裝固定點(diǎn)，ISOFIX固(gù)定點係統及上(shàng)拉帶固(gù)定(dìng)點》要(yào)求［8］，同(tóng)時對上(shàng)，下模(mó)塊(kuài)先施(shī)加總(zǒng)荷載(zǎi)10%的預(yù)加載(zǎi)，然後(hòu)增(zēng)加至(zhì)總載(zǎi)荷，加(jiā)載方向(xiàng)為平(píng)行於車(chē)輛縱(zòng)向(xiàng)中心平(píng)麵(miàn)與水(shuǐ)平(píng)綫向(xiàng)上(shàng)（10±5）°，仿(fǎng)真(zhēn)要求在(zài)100ms內加(jiā)載至規(guī)定(dìng)值(zhí)，並至少保持(chí)100ms，法規加(jiā)載示意圖及模(mó)型(xíng)加(jiā)載示意圖，如(rú)圖5，圖6所示。此(cǐ)外(wài)，在經過座椅質(zhì)心的水(shuǐ)平平麵與靠背的(dí)接觸麵上加載一個(gè)座(zuò)椅(yǐ)骨(gǔ)架(jià)總成(chéng)20倍(bèi)的(dí)力(lì)，該座椅骨架(jià)模擬(nǐ)時(shí)進行(háng)了(liǎo)簡(jiǎn)化(huà)，座椅(yǐ)總(zǒng)成質量(liáng)為20.3kg。靠(kào)背後端有一根半(bàn)徑為(wéi)40mm，長度為(wéi)535mm 的(dí)剛性(xìng)拉杆，座(zuò)椅(yǐ)骨架與剛(gāng)性(xìng)杆(gān)在座椅質(zhì)心(xīn)平麵(miàn)上(shàng)通(tōng)過剛(gāng)性(xìng)Beam單(dān)元實現連(lián)接(jiē)。仿真(zhēn)過(guò)程(chéng)中對假人上(shàng)，下(xià)模塊分(fēn)別(bié)加載13500N 的(dí)力(lì)，對座(zuò)椅(yǐ)靠背(bèi)質心(xīn)加載4000N 的(dí)力［9］。根(gēn)據力(lì)的加載要(yào)求，加(jiā)載過(guò)程(chéng)在(zài)（0～100）ms區間(jiān)載(zǎi)荷加載至法規規定值，在(zài)（100～200）ms內(nèi)保持加載(zǎi)，在(zài)（200～250）s撤銷載(zǎi)荷(hé)，其中(zhōng)，A-Block為(wéi)假人模(mó)塊的(dí)加載載荷曲綫，B-CG Bar為(wéi)靠(kào)背質心加載(zǎi)的載(zǎi)荷曲(qū)綫(xiàn)，如圖7所示(shì)。
圖(tú)5 法(fǎ)規加(jiā)載示(shì)意圖(tú)圖(tú)6 仿真(zhēn)模(mó)型加載(zǎi)示意圖圖(tú)7 載(zǎi)荷(hé)加載示意圖(tú)通過Hyperview模型(xíng)進行結(jié)果後(hòu)處理(lǐ)，由仿(fǎng)真(zhēn)結(jié)果(guǒ)可知假人(rén)固(gù)定位(wèi)置良(liáng)好，未出(chū)現(xiàn)脫(tuō)離原(yuán)坐標現(xiàn)象。安全(quán)帶(dài)固(gù)定(dìng)點(diǎn)處(chǔ)的支架(jià)及(jí)骨架(jià)結(jié)構(gòu)均(jūn)未出現固(gù)定(dìng)點(diǎn)脫落和較大(dà)變(biàn)形情(qíng)況。當(dāng)加載(zǎi)至150ms時(shí)頭枕(zhěn)骨(gǔ)架的前(qián)向最大位移(yí)為(wéi)42.87mm，在法(fǎ)規(guī)規(guī)定的設計(jì)值範圍之(zhī)內，仿(fǎng)真(zhēn)輸(shū)出(chū)加(jiā)載(zǎi)圖及總成的位移雲圖，如圖8，圖(tú)9所示。圖8 仿真(zhēn)加載(zǎi)示意(yì)圖(tú)
試驗依(yī)照GB14167-2013《汽車(chē)安(ān)全(quán)帶安(ān)裝固定點，ISOFIX固定點(diǎn)係(xì)統及(jí)上拉(lā)帶(dài)固定點(diǎn)》和GB15083-2019《汽車座椅(yǐ)，座椅(yǐ)固定點裝(zhuāng)置及頭枕(zhěn)強度要求和(hé)試(shì)驗方法》，對(duì)座椅安(ān)全(quán)帶(dài)固定點(diǎn)進行拉(lā)力試(shì)驗［15］，測試了安全帶(dài)固定點的(dí)強(qiáng)度(dù)及座椅(yǐ)骨架(jià)的(dí)強(qiáng)度，試(shì)驗參(cān)數設置(zhì)，如圖15所示(shì)。對座椅(yǐ)安(ān)全帶(dài)固定點強度(dù)進行(háng)試(shì)驗驗證(zhèng)，上，下(xià)假(jiǎ)人模塊及(jí)座(zuò)椅質心載荷(hé)加(jiā)載過(guò)程(chéng)，如圖(tú)16所示。利用(yòng)地腳(jiǎo)支架(jià)將座椅(yǐ)固定在試驗台架(jià)上，試驗載(zǎi)荷(hé)和加(jiā)載方式(shì)對座(zuò)椅(yǐ)靠背(bèi)進行加載(zǎi)，如圖17，圖18所(suǒ)示(shì)。試驗後的頭枕測試點位(wèi)移曲(qū)綫(xiàn)，如圖(tú)19所(suǒ)示(shì)。試驗後骨架安全帶(dài)固定(dìng)點均(jūn)未脫落，所(suǒ)有部(bù)件均(jūn)未(wèi)發生較(jiào)大變(biàn)形及裂痕，表明(míng)靈敏度分(fēn)析(xī)輕量(liáng)化後(hòu)的骨(gǔ)架(jià)強度符(fú)合法規(guī)強(qiáng)度要求，同(tóng)時(shí)試驗結果得出靠(kào)背骨(gǔ)架的前(qián)向(xiàng)最大(dà)位(wèi)移為69mm，與仿真(zhēn)分(fēn)析的66.5mm相比(bǐ)，實(shí)際靠背變形(xíng)量比(bǐ)仿(fǎng)真(zhēn)模(mó)型(xíng)的(dí)結(jié)果大(dà)2.5mm，說(shuō)明仿真(zhēn)結(jié)果的有效性及實際骨(gǔ)架(jià)強(qiáng)度的(dí)符合性。
圖16 安全(quán)帶固(gù)定點載荷(hé)加載試(shì)驗圖17 安(ān)全帶固定(dìng)點加(jiā)載(zǎi)曲(qū)綫圖(tú)18 靠背(bèi)後向載(zǎi)荷加載圖19 靠(kào)背前(qián)向(xiàng)位移這(zhè)裏研(yán)究(jiū)了某商用車的(dí)新(xīn)品(pǐn)開(kāi)發(fā)座(zuò)椅(yǐ)，該(gāi)座椅為(wéi)解決車身安全帶(dài)鎖(suǒ)扣與(yǔ)座(zuò)椅(yǐ)本(běn)體(tǐ)幹涉問(wèn)題，將(jiāng)右(yòu)側安(ān)全帶固定點(diǎn)固定(dìng)在(zài)座椅(yǐ)骨架(jià)上，結合(hé)座椅(yǐ)強(qiáng)度法規(guī)對骨架(jià)強(qiáng)度進行了仿真分析(xī)。由(yóu)於(yú)安全帶(dài)固定點(diǎn)座(zuò)椅(yǐ)的(dí)設(shè)計(jì)強(qiáng)度富餘，為滿(mǎn)足(zú)整車客戶的(dí)輕量化目(mù)標並同時(shí)降(jiàng)低座(zuò)椅的實物成本，且(qiě)在(zài)不改(gǎi)變(biàn)骨(gǔ)架(jià)強度及骨架(jià)固(gù)有頻率的前(qián)提下用靈(líng)敏度優(yōu)化法(fǎ)，通過(guò)改變座(zuò)椅骨架總成部(bù)分(fēn)零件的厚度來實(shí)現(xiàn)了(liǎo)輕量(liáng)化的目標，最(zuì)終優化出了一組(zǔ)零件厚度值，實現了骨(gǔ)架(jià)質(zhì)量從(cóng)12.6kg降到了(liǎo)11.8kg，實現(xiàn)降(jiàng)重0.8kg，優(yōu)化後(hòu)的(dí)靠(kào)背骨架最大(dà)前向位移為66.5mm。輕(qīng)量(liáng)化後的(dí)骨架改(gǎi)變了座(zuò)椅的(dí)質(zhì)量分布，因(yīn)此(cǐ)對優化前後(hòu)的骨架(jià)進(jìn)行模態分析(xī)，結果表(biǎo)明(míng)優化前(qián)後(hòu)的骨架模態(tài)波(bō)動(dòng)率(shuài)為(wéi)8.1%，說(shuō)明優化後的骨架(jià)仍(réng)然具有良好(hǎo)的模態頻(pín)率特性。試(shì)驗過程表明，骨架(jià)總(zǒng)成及各子(zǐ)零件(jiàn)結構(gòu)均(jūn)未(wèi)出現開裂或者(zhě)失效(xiào)現(xiàn)象，試驗中測得靠(kào)背(bèi)的最大前(qián)向(xiàng)位(wèi)移(yí)為69mm，與設(shè)計仿真(zhēn)值相差為(wéi)2.5mm，誤(wù)差率為(wéi)3.6%，說明了仿真結(jié)果的(dí)可行性(xìng)，優化(huà)後(hòu)的座(zuò)椅結(jié)構解決了(liǎo)車身鎖(suǒ)扣(kòu)與座椅裝配時的幹涉問題(tí)。
在綫咨詢(xún)