張恒山　王麗雪

（1.同濟(jì)大學(xué)；2.中國(guó)第一汽車集團(tuán)有限公司研發(fā)總院）

隨著我國(guó)汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，道路上的汽車越來(lái)越多，交通事故造成了大量的人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失，因此汽車碰撞安全問(wèn)題越來(lái)越引起人們的關(guān)注。在汽車碰撞事故以及急減速的過(guò)程中，行李箱中的行李由于慣性的原因會(huì)對(duì)后排座椅產(chǎn)生巨大的沖擊，如果后排座椅骨架或固定點(diǎn)強(qiáng)度不足，行李移動(dòng)的沖擊力會(huì)給后排乘員帶來(lái)嚴(yán)重傷害，因此，國(guó)家制定了強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)。GB 15083—2006《汽車座椅、座椅固定裝置及頭枕強(qiáng)度要求和試驗(yàn)方法》對(duì)后排座椅安全性能提出了明確的要求，用來(lái)防止行李移動(dòng)危及后排乘員的生命安全[1]。文章通過(guò)對(duì)某SUV進(jìn)行了行李箱沖擊仿真分析，針對(duì)分析中出現(xiàn)的問(wèn)題提出了多個(gè)方案進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)最優(yōu)方案進(jìn)行了實(shí)車驗(yàn)證，最終使該車型滿足了法規(guī)要求。

1　行李箱沖擊試驗(yàn)要求

根據(jù)GB 15083—2006中關(guān)于防止移動(dòng)行李對(duì)乘員傷害的特殊規(guī)定，M1類車型需根據(jù)附錄F進(jìn)行行李箱沖擊試驗(yàn)：將車體牢固地固定在試驗(yàn)臺(tái)車上（將車體裝在臺(tái)車上的連接方式不應(yīng)對(duì)座椅靠背有所加強(qiáng)）；座椅后方200 mm處放置2個(gè)試驗(yàn)樣塊，各試驗(yàn)樣塊內(nèi)側(cè)邊緣距汽車縱向中心面25 mm，以使2個(gè)試驗(yàn)樣塊之間有50 mm的距離（如圖1所示）；其中，試驗(yàn)樣塊尺寸為：300 mm×300 mm×300 mm；一切邊棱倒圓角均為20 mm；質(zhì)量為18 kg。臺(tái)車的初始自由速度為50 km/h，給臺(tái)車一個(gè)水平X向的減速度，減速度通道，如圖2所示。

圖1　行李箱沖擊試驗(yàn)樣塊布置位置示意圖

圖2　臺(tái)車減速度通道時(shí)間函數(shù)

試驗(yàn)過(guò)程中及試驗(yàn)后，如果座椅及其鎖止裝置仍保持在原位置，則認(rèn)為滿足要求。但在試驗(yàn)期間，允許座椅靠背及其緊固件變形，條件是座椅靠背和頭枕[紹爾（A）硬度大于50]部分的前輪廓不能向前方移出一橫向垂面，此平面經(jīng)過(guò)2個(gè)點(diǎn)[2]：1）座椅R點(diǎn)前方150 mm處的點(diǎn)（對(duì)頭枕部分）；2）座椅R點(diǎn)前方100 mm處的點(diǎn)（對(duì)座椅靠背部分）。試驗(yàn)限定橫向垂面示意圖，如圖3所示。

圖3　行李箱沖擊試驗(yàn)限定橫向垂面示意圖

2　某SUV行李箱沖擊試驗(yàn)仿真分析

將車體約束在試驗(yàn)臺(tái)車上，臺(tái)車以50 km/h的初速度沿X負(fù)方向移動(dòng)；約束臺(tái)車下部除X向之外的其他自由度；對(duì)臺(tái)車施加特定波形減速度，如圖4所示。仿真試驗(yàn)過(guò)程中頭枕部分超出座椅R點(diǎn)154 mm，超出標(biāo)準(zhǔn)允許范圍150 mm；靠背部分超出座椅R點(diǎn)81 mm，未超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定100 mm。行李箱沖擊試驗(yàn)仿真結(jié)果示意圖，如圖5所示。

圖4　仿真試驗(yàn)臺(tái)車減速度曲線位置示意圖

圖5　行李箱沖擊試驗(yàn)仿真結(jié)果示意圖

初始結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果：

1）行李箱沖擊過(guò)程中靠背上部鎖鉤局部最大應(yīng)力達(dá)到484 MPa，最大應(yīng)變?yōu)?5%，均超出材料的破壞極限，存在失效風(fēng)險(xiǎn)。

2）座椅靠背下部中間轉(zhuǎn)軸支架局部應(yīng)力達(dá)到553 MPa，應(yīng)變?yōu)?6%，均超過(guò)材料破壞極限，存在失效風(fēng)險(xiǎn)。重點(diǎn)考察零部件應(yīng)力應(yīng)變仿真結(jié)果，如表1所示。

表1　某SUV重點(diǎn)考察零部件應(yīng)力應(yīng)變仿真結(jié)果

3）座椅靠背骨架主要由Q235的管梁和方鋼經(jīng)CO2氣體保護(hù)焊焊接而成，具體座椅骨架材料分布，如圖6所示；座椅骨架整體變形嚴(yán)重，且骨架局部最大應(yīng)變達(dá)到81%（如圖7所示），遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出材料應(yīng)變極限44%，存在失效風(fēng)險(xiǎn)。

圖6　某SUV座椅骨架材料分布示意圖

圖7　某SUV座椅骨架應(yīng)變仿真結(jié)果

總結(jié)沖擊試驗(yàn)仿真分析結(jié)果，主要存在4點(diǎn)問(wèn)題：1）座椅頭枕部分超出座椅R點(diǎn)前方150 mm的橫向垂面；2）座椅靠背上部鎖鉤應(yīng)力和應(yīng)變超過(guò)材料的破壞極限，試驗(yàn)中存在失效的風(fēng)險(xiǎn)；3）座椅靠背下部中間轉(zhuǎn)軸支架應(yīng)力和應(yīng)變超過(guò)材料的破壞極限，試驗(yàn)中存在失效的風(fēng)險(xiǎn)；4）座椅骨架變形劇烈，多位置應(yīng)力和應(yīng)變超過(guò)材料的破壞極限，試驗(yàn)中存在失效風(fēng)險(xiǎn)。

3　原因分析

該SUV后排座椅的座墊與靠背是分開(kāi)式結(jié)構(gòu)，靠背上部與固定在車身上的鎖鉤相連，下部與固定在車身上的轉(zhuǎn)軸支架相連，當(dāng)座椅靠背受到試驗(yàn)樣塊沖擊時(shí)，沖擊的能量由1）座椅靠背鎖鉤及其周邊結(jié)構(gòu)；2）座椅轉(zhuǎn)軸支架及其周邊結(jié)構(gòu)；3）座椅靠背骨架三部分共同分擔(dān)，與座墊部分無(wú)關(guān)[3]。

這些零件既要有足夠的強(qiáng)度保證自身在試驗(yàn)過(guò)程中不失效，又要有足夠的剛度保證座椅靠背及頭枕向前的位移量滿足法規(guī)要求；因此需對(duì)這三部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)地分析，探究試驗(yàn)仿真結(jié)果不合格的原因。

3.1　座椅靠背鎖鉤及其周邊結(jié)構(gòu)

后排座椅靠背的鎖止結(jié)構(gòu)主要有2類：1）部分車型座椅轉(zhuǎn)軸安裝自鎖裝置無(wú)需靠背鎖鉤結(jié)構(gòu)（如福特翼博等），這種結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)座椅轉(zhuǎn)軸有更高的要求且自鎖裝置成本較高；2）部分車型有靠背鎖鉤，鎖鉤是直接固定到側(cè)圍或是通過(guò)剛度較大的支撐件固定在輪罩上。例如：奔騰X80和長(zhǎng)安CS35等座椅鎖鉤通過(guò)螺栓連接固定在側(cè)圍內(nèi)板上；又如：高爾夫、傳祺GS4及POLO等車型座椅鎖鉤焊接到輪罩加強(qiáng)件上。競(jìng)品車型鎖鉤與車身連接結(jié)構(gòu)對(duì)比，如圖8所示。

圖8　競(jìng)品車型鎖鉤與車身連接結(jié)構(gòu)對(duì)比圖

該SUV座椅靠背鎖鉤與座椅靠背骨架上端相連，左右側(cè)各一個(gè)，焊接在后排座椅安全帶卷軸器支架上，安全帶卷軸支架通過(guò)點(diǎn)焊連接到側(cè)圍內(nèi)板上，形成類似懸臂梁的結(jié)構(gòu)，如圖9所示。

圖9　某SUV鎖鉤與車身連接結(jié)構(gòu)示意圖

競(jìng)品車型座椅靠背鎖鉤結(jié)構(gòu)大致分為2類，一類結(jié)構(gòu)剛度強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，棒料直徑較大（一般為8 mm或10 mm），試驗(yàn)過(guò)程中和正常使用時(shí)不允許變形或變形量??；另一類結(jié)構(gòu)剛度較弱，結(jié)構(gòu)多處彎折，棒料直徑較?。ㄒ话銥? mm），試驗(yàn)過(guò)程中和使用時(shí)允許一定程度的變形，起到一定的吸能作用。競(jìng)品車型鎖鉤結(jié)構(gòu)對(duì)比，如圖10所示。

圖10　競(jìng)品車型鎖鉤結(jié)構(gòu)對(duì)比圖

該SUV座椅靠背鎖鉤結(jié)構(gòu)為簡(jiǎn)單的“U”型，但棒料直徑僅為6 mm。與競(jìng)品車型對(duì)比分析，座椅靠背鎖鉤及其周邊結(jié)構(gòu)試驗(yàn)仿真中應(yīng)力應(yīng)變超標(biāo)的主要原因有以下3點(diǎn)。

1）座椅靠背鎖鉤固定結(jié)構(gòu)近似為懸臂梁，懸臂梁結(jié)構(gòu)剛度弱、易變形，這種結(jié)構(gòu)上的缺陷是引起座椅頭枕部分超出座椅R點(diǎn)前方150 mm橫向垂面的原因之一；

2）后排座椅安全帶卷軸器支架焊接到側(cè)圍內(nèi)板上，側(cè)圍內(nèi)板鈑金料厚僅為0.75 mm，使得座椅靠背鎖鉤固定結(jié)構(gòu)安全帶卷軸器支架根部的剛度弱，受力時(shí)易產(chǎn)生變形；而安全帶卷軸器支架材料為St280，料厚為2.0 mm，薄厚差距較大的兩鈑金焊接，在應(yīng)力集中的焊點(diǎn)處，薄板開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)較大；

3）座椅靠背鎖鉤與競(jìng)品車型中的鎖鉤相比，直徑略小，仿真分析結(jié)果表明局部應(yīng)力應(yīng)變超標(biāo)，存在失效風(fēng)險(xiǎn)。

3.2　座椅轉(zhuǎn)軸支架及其周邊結(jié)構(gòu)

該SUV座椅轉(zhuǎn)軸支架與座椅靠背骨架下端相連，共有3個(gè)連接點(diǎn)（見(jiàn)圖11），左右座椅轉(zhuǎn)軸支架仿真分析中不存在問(wèn)題，僅中間轉(zhuǎn)軸支架存在應(yīng)力和應(yīng)變超標(biāo)的問(wèn)題。中間座椅轉(zhuǎn)軸支架材料為P250，料厚3 mm，轉(zhuǎn)軸支架與地板上座椅橫梁共3個(gè)固定點(diǎn)，轉(zhuǎn)軸支架的右側(cè)僅一個(gè)固定點(diǎn)，結(jié)構(gòu)不對(duì)稱。當(dāng)中間轉(zhuǎn)軸支架受到向前沖擊力時(shí)會(huì)有向右側(cè)傾斜的趨勢(shì)，使得中間轉(zhuǎn)軸支架右側(cè)和座椅橫梁固定點(diǎn)附近易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象；同時(shí)轉(zhuǎn)軸支架折彎處倒角為R2.5，倒角小結(jié)構(gòu)變化急劇，抗彎能力差，易產(chǎn)生應(yīng)力集中。如圖12所示。

圖11　某SUV座椅轉(zhuǎn)軸支架布置圖

圖12　某SUV座椅中間轉(zhuǎn)軸支架結(jié)構(gòu)示意圖

3.3　座椅靠背骨架

座椅靠背骨架支撐整個(gè)座椅靠背，也是行李箱沖擊試驗(yàn)中的受力主體，試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)樣塊直接沖擊座椅靠背后部。試驗(yàn)樣塊的動(dòng)能在沖擊過(guò)程中一部分轉(zhuǎn)換為試驗(yàn)樣塊反向翻滾的動(dòng)能，其余大部分能量將轉(zhuǎn)換為座椅系統(tǒng)的變形，而根據(jù)眾多學(xué)者的經(jīng)驗(yàn)估計(jì)大約65%的動(dòng)能將被座椅系統(tǒng)吸收，座椅靠背骨架的強(qiáng)弱直接影響試驗(yàn)的結(jié)果。試驗(yàn)仿真結(jié)果中座椅靠背骨架變形較大，骨架局部應(yīng)變超標(biāo)，座椅骨架剛度和局部強(qiáng)度不足。

4　優(yōu)化方案

4.1　座椅靠背鎖鉤及其周邊結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案（方案1）

方案1采用增強(qiáng)座椅鎖鉤固定結(jié)構(gòu)安全帶卷軸器支架根部的剛度和強(qiáng)度，減小源于側(cè)圍方面的位移，增加左右后座椅支撐加強(qiáng)板，結(jié)構(gòu)形式，如圖13所示。材料采用St280，厚度為1.5 mm，左右后座椅支撐加強(qiáng)板加到左右后側(cè)圍加強(qiáng)板總成當(dāng)中。調(diào)整焊點(diǎn)，增加3層焊焊點(diǎn)數(shù)目，從而提高座椅鎖鉤固定結(jié)構(gòu)整體剛度，如表2所示。座椅靠背鎖鉤材料不變，考慮增大直徑，基于鎖鉤直徑為7.5 mm（方案1.1）和8 mm（方案1.2）2種情況對(duì)比分析，效果如表3所示。

圖13　某SUV后座椅支撐加強(qiáng)板示意圖

表2　某SUV側(cè)圍內(nèi)板焊接總成優(yōu)化方案與原方案結(jié)構(gòu)對(duì)比

從表3可以看出，增加左右后座椅支撐加強(qiáng)板能夠減小座椅頭枕部分和靠背部分的前移量，有效地解決了頭枕前移量超標(biāo)的問(wèn)題；增加鎖鉤直徑能夠減小鎖鉤的最大應(yīng)力和應(yīng)變，直徑越大，應(yīng)力及應(yīng)變?cè)叫?。雖然鎖鉤應(yīng)力仍略超出材料的抗拉極限，但動(dòng)態(tài)分析主要關(guān)注應(yīng)變值，當(dāng)鎖鉤直徑增加到7.5 mm時(shí)，應(yīng)變已經(jīng)低于材料應(yīng)變極限，能夠有效降低鎖鉤失效風(fēng)險(xiǎn)，且鎖鉤直徑為8 mm相對(duì)于直徑7.5 mm對(duì)試驗(yàn)結(jié)果并沒(méi)有明顯的改善。綜上所述，選取方案1.1（增加左右后座椅支撐加強(qiáng)板，鎖鉤直徑增大為7.5 mm）能夠有效減小頭枕和靠背前移量，但對(duì)于座椅靠背骨架整體變形和座椅中間轉(zhuǎn)軸支架受力情況的改善很小。

4.2　座椅中轉(zhuǎn)軸支架優(yōu)化方案（方案2）

座椅靠背鎖鉤及其周邊結(jié)構(gòu)的優(yōu)化對(duì)于座椅中轉(zhuǎn)軸支架處的問(wèn)題改善很小，所以需要優(yōu)化座椅中轉(zhuǎn)軸支架結(jié)構(gòu)，制定方案2。為消除中轉(zhuǎn)軸支架在沖擊過(guò)程中出現(xiàn)失效的風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)以下3種方案優(yōu)化支架結(jié)構(gòu)。

1）方案2.1：轉(zhuǎn)軸支架增加1個(gè)固定點(diǎn)，材料不變，如圖14b所示；2）方案2.2：在方案2.1的基礎(chǔ)上，材料由 P250改為 St280；3）方案 2.3：在方案 2.2的基礎(chǔ)上優(yōu)化支架結(jié)構(gòu)，將折彎處圓角由R2.5增大到R6，加大過(guò)渡，減小應(yīng)力集中，如圖14c所示。3種優(yōu)化方案仿真分析對(duì)比結(jié)果，如表4所示。

圖14　某SUV座椅中轉(zhuǎn)軸支架優(yōu)化示意圖

表4　某SUV座椅中轉(zhuǎn)軸支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案仿真對(duì)比結(jié)果列表

方案2.1中轉(zhuǎn)軸支架增加1個(gè)固定點(diǎn)，支架應(yīng)力和應(yīng)變?cè)龃螅@是由于結(jié)構(gòu)變化后，在支架前端位置產(chǎn)生了應(yīng)力集中，但對(duì)于支架整體的剛度和強(qiáng)度有利，能夠減小座椅靠背和頭枕的前移量；方案2.2將轉(zhuǎn)軸支架材料改為St280有利于降低應(yīng)力和應(yīng)變；方案2.3繼續(xù)增大圓角，能夠繼續(xù)降低應(yīng)力和應(yīng)變；轉(zhuǎn)軸支架的優(yōu)化方案對(duì)于上部靠背鎖鉤的受力情況幾乎無(wú)影響。綜上所述，選取方案2.3。

4.3　座椅靠背骨架優(yōu)化方案（方案3）

初始結(jié)構(gòu)仿真分析結(jié)果顯示，座椅骨架整體變形嚴(yán)重，局部最大應(yīng)變達(dá)到81%（如圖7所示），遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出材料應(yīng)變極限44%，存在失效風(fēng)險(xiǎn)，需要優(yōu)化座椅靠背骨架結(jié)構(gòu)，提高抗沖擊性能，減小變形。方案3采用提高座椅整體剛度和強(qiáng)度，將座椅靠背骨架管梁厚度由1.5 mm增加到2.0 mm。方案3仿真結(jié)果，如表5所示。

表5　某SUV座椅靠背骨架優(yōu)化方案仿真結(jié)果列表

方案3增加了座椅剛度，可有效減小座椅的前移量，也可降低座椅轉(zhuǎn)軸支架的應(yīng)力和應(yīng)變；靠背骨架結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)變降為51%，方案3改善效果明顯。

5　方案驗(yàn)證

具體實(shí)施的更改包含如下措施：

方案1.1：增加左右后座椅支撐加強(qiáng)板，鎖鉤直徑增加到7.5 mm；

方案2.3：座椅中轉(zhuǎn)軸支架材料由P250改為St280，結(jié)構(gòu)調(diào)整為4個(gè)固定點(diǎn)，折彎處倒角為R6；

方案3：座椅靠背骨架管梁厚度由1.5 mm增加到2.0 mm。

更改后的實(shí)車進(jìn)行了行李箱沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)后，座椅及鎖止裝置能保持在原位置，如圖15所示。

圖15　某SUV行李箱沖擊試驗(yàn)實(shí)車驗(yàn)證圖

試驗(yàn)后座椅骨架未出現(xiàn)開(kāi)裂，焊接部位未見(jiàn)明顯失效等缺陷，如圖16所示。

圖16　某SUV行李箱沖擊實(shí)車試驗(yàn)后座椅靠背骨架圖

在試驗(yàn)過(guò)程中頭枕部分的前輪廓未超出R點(diǎn)前移150 mm的橫向平面；座椅靠背部分的前輪廓未超出前移100 mm的橫向平面，該SUV通過(guò)了法規(guī)要求。

6　結(jié)論

文章通過(guò)某SUV行李箱沖擊試驗(yàn)的CAE仿真計(jì)算結(jié)果，分析車身及座椅相關(guān)結(jié)構(gòu)的不足之處，根據(jù)分析結(jié)果制定優(yōu)化方案，最終對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行了實(shí)車驗(yàn)證，滿足了法規(guī)要求?？偨Y(jié)優(yōu)化過(guò)程及結(jié)果，可以得到3點(diǎn)結(jié)論：

1）車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，剛度和強(qiáng)度要求較高的位置要避免出現(xiàn)懸臂梁結(jié)構(gòu)，如布置條件需要，盡量將懸臂設(shè)計(jì)成盒式結(jié)構(gòu)，增加結(jié)構(gòu)剛度；

2）零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，首先要明確零件受力傳力狀況，在保證零部件功能的前提下做到結(jié)構(gòu)完整、傳力路徑連續(xù)；

3）驗(yàn)證了有限元分析在車身開(kāi)發(fā)中的有效作用，以及對(duì)后續(xù)座椅及其連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有一定的參考意義。