汽车座椅强度仿真分析及优化
Static Strength Analysis and Structure
Optimization by FEM in Vehicle Seat
宋广晶，李翠萍，朱莉，牟雪雷，刘加林，王志奇
（长城汽车股份有限公司技术中心，河北省汽车工程技术研究中心，保定071000，中国）摘要：本文基于HyperMesh软件建立座椅强度仿真分析的有限元模型，通过 HyperView 后处理提取分析结果，得到了整个分析过程中座椅的变形过程及应力分布情况，并对模拟结果进行了优化，同时对优化结果进行了计算验证。
关键词：汽车座椅；强度；仿真分析；优化;HyperMesh
Abstract：A finite element model of an automobile seat strength was established using HyperMesh. The distortion and stress distribution was displayed by HyperView . The model was optimized , while the optimization results was verify by calculations.
Key words：Automobile seat；Strength ;Simulation analysis；Optimization；HyperMesh 前言
随着汽车保有量的日益增加，人们对汽车安全性能的要求越来越高。
汽车安全性能分为主动安全性和被动安全性，被动安全性在汽车工业中更是发展迅速的领域。
汽车座椅强度是汽车被动安全的一个重要指标。
GB 15083-2006标准中要求[1]，当座椅处于制造厂所规定的正常使用位置时，构成行李舱的座椅靠背或头枕应具有足够的强度以保护乘员不因行李的前移而受到伤害。
试验的过程中及试验后，如果座椅及其锁止装置仍保持在原位置，则认为满足此要求。
在试验期间，允许座椅靠背及其紧固件变形，但是被测座椅靠背向前方移动的距离不能超过座椅的R点前方100mm处的一横向垂面，被测座椅头枕向前方移动的距离不能超过座椅的R点前方150mm处的一横向垂面。
一、模型搭建
利用HyperMesh中MidSurface（提取中面）功能抽取中面[2]建立有限元模型。
搭建被测汽车座椅骨架模型和地板模型，在不影响正常分析结果的前提下适当简化了运算模型见图1。
钣金件之间的焊点和螺栓用刚性连接模拟。
其中座椅骨架采用壳单元进行网格划分，单元长度基准为10mm，最小单元长度不小于5mm，最大单元长度不大于13mm的规则来划分网格。
建立完成的有限元模型共有节点28640个，壳单元23477个，体单元7718个，刚性连接694个。
表1座椅骨架材料 材料 厚度/mm 直径/mm
Q195 2.0
Q195 5.0
SPHC 1.5
SPFH780 3.0
SAPH44
2.6 QSTE42
4.0 QSTE34
0 3.0
Q235 6.0
DC06 1.4
B340LA 1.0
利用HyperMesh 软件LS-DYNA 模块对图1模型进行边界条件的加载及其附属性（材料参数和厚度），其中座椅骨架所用材料及厚度/直径见表1。
模型的加载过程按照标准GB15083-2006《汽车座椅、座椅固定装置及头枕强度要求和试验方法》4.15.1中的要求进
4.1
5.1中的要求进行加载，发生碰撞前，行李箱模块以50km/h 的初速度做减速运动，减速
度为
20g 。
二、仿真分析
经Ls-dyna 求解计算[3]，通过HyperView 后处理提取分析结果，后排座椅的运动趋势如图2所示。
其中（a ）～ （d ）表示 0～0.12s 后排座椅的运动趋势，从（d ）图中靠背骨架及头枕靠背骨架均超出标准平面，靠背骨架超出参考平面43mm （x 方向垂直距离），头枕骨架超出参考平面70mm （x 方向垂直距离），不能满足法规要求。
三、原因分析
图3为行李箱模块与座椅靠背发生碰撞后，模型的应力云图[4]。
从图中可以看出，应力最大值为500MPa 以上，主要集中在座椅调角器的支架位置，最大值为510.8MPa ，其余部
后排座椅运动趋势 （a ） （c 70mm
位的应力均处于400MPa以下。
图4为行李箱模块与座椅靠背发生碰撞后，模型的位移云图。
从图中可以看出，最大位移发生在头枕骨架，位移量为1321mm，且超出参考平面，不满足法规要求，并且座椅靠背骨架中上部严重变形，位移量较大，影响了座椅乘坐安全性。
图5为座椅的严重变形区域，其中图（a）为调角器支架的变形图，图（b）为调角器
主板的变形图，从图5中可以看出，调角器支架、调角器主板都发生严重变形，是导致行李箱与座椅发生碰撞后座椅头枕和骨架超过参考平面的主要原因。
造成座椅骨架损坏件较多的原因主要有：
1）座椅靠背骨架整体结构强度不够、调角器支架材料强度及主板结构强度差，不足以提供行李箱在碰撞过程中的支撑力；2）调角器强度差，降低了调角器主板和调角器支架的整体刚度。
（a）调角器支架变形（b）调角器主板变形
图6优化后座椅骨架
图4 后排座椅位移云图
图5 后排座椅严重变形区域
图3后排座椅应力云图
调角器支架
（新增翻边结构）
调角器主板
（新增加强筋结构）新增加强管梁
四、优化与计算验证
参考模拟结果，对座椅骨架进行优化如图6所示，其中1）合理增强座椅靠背的强度，采用在座椅靠背骨架增加加强板方案；2）合理增强调角器主板的结构方案，采用增加加强筋；3）合理增强调角器支架，增加翻边方案，还可采用材料屈服强度较大的材料。
并对优化后的模型进行计算验证，验证结果如图7所示，改进后头枕杆及座椅骨架均未超出参考平面，靠背骨架距标准平面77mm （x 方向垂直距离），头枕骨架距参考平面98mm （x 方向垂直距离），满足法规要求。
图7改善后座椅强度分析有限元模型
五、结论
针对被测汽车座椅，利用HyperMesh 、LS-dyna 、HyperView 有限元软件，依据GB15083法规进行了座椅强度仿真分析，从中可以观察整个碰撞过程中座椅系统各部件的形状、应力等变化过程，从而方便设计人员对其结构及材料进行优化和改进。
利用有限元分析的方法，在产品开发前期，设计阶段避免设计重复，缩短产品开发的周期、节约产品成本。
参考文献
[1] 中华人民共和国国家质量监督检查检疫总局，中国国家标准化管理文员会. GB
15083-2006汽车座椅、座椅固定装置及头枕强度要求和试验方法[S]. 北京：中国标准初版社，2007
[2]杨忠俊 HyperMesh 在轿车车座椅动态分析中的应用[J].Altair 2011 HyperWorks 技术大会论文集
[3] 韩峰 陈现岭 座椅行李箱冲击仿真分析[J]. 汽车工程师, 2012（11）：45-47.
[4]徐中明 郝炜雅 张志飞等 汽车座椅强度及碰撞仿真分析[J].重庆大学学报2009（5）513-515 98mm
77mm。