汽车座椅头枕强度CAE分析及优化设计

严莉

湖北航天技术研究院特种车辆技术中心 湖北武汉 430040

1 前言

汽车座椅不仅为司乘人员提供乘坐的舒适性，而且应在发生汽车追尾事故时，保证座椅头枕能够对乘员颈椎起到保护作用。2008年欧洲NCAP对25款新车首次进行了汽车座椅碰撞安全测试，结果表明只有少数汽车能够保护好乘员的头部及颈椎。从2009年开始，车辆后方碰撞引起的头颈部伤害也已纳入欧洲NCAP成人安全保护评价项目[1]。我国也出台了汽车头枕强度法规GB 11550－2009来代替旧版的GB 11550－ 1995，对汽车座椅头枕的要求进一步提高，因此，对汽车座椅头枕及骨架的仿真分析在开发新车型时具有积极的指导作用。

本文以某款专用汽车座椅为研究对象，按照GB 11550－1995标准，通过有限元分析软件Hypermesh建立有限元模型，用LS－ DYNA进行计算求解，针对计算结果，用Hyperstudy对模型进行全析因试验设计，最终得出最佳设计方案。

2 座椅头枕强度试验及有限元模型

2.1 座椅头枕静强度试验方法及要求

GB 11550－ 2009《汽车座椅头枕强度要求和试验方法》对座椅头枕静强度试验方法简介如下：

a.将相对R点产生向后373 Nm力矩的初始作用力作用在假背上，以确定移动后基准线；

b.在头枕顶部向下65 mm处，通过直径为165 mm的头型，施加一个相对于R点产生的向后373 Nm的力矩；c.将第二步中的载荷进一步增加至890 N。具体加载方法如图1所示。

GB 11550－ 2009对座椅头枕静强度试验一般要求为：a.头型后移量必须小于102 mm，同时检查头枕有无破损；b.进一步将载荷加载至890 N时，座椅不被破坏[2]。

2.2 汽车座椅有限元模型

将CATIA所建立的座椅集合模型导入到Hypermesh中的dyna模块中进行有限元网格划分，并且根据GB 11550－2009对座椅头枕试验要求建立有限元仿真模型，模型壳单元尺寸控制在8 mm，三角形单元控制在5%以内，并通过关键字“*CONTROL_HOURGLASS”增加单元附加刚度控制缩减积分单元的沙漏问题[3]。有限元模型如图2所示。

3 计算结果分析

3.1 移动后移量的确定

相对R点产生向后373 Nm力矩的初始作用力作用在假背上后，将模型导入Dyna，计算后结果如图3所示。借助图标数字化软件Getdata测出头型后移量为76.2 mm，小于GB 11550－ 2009规定的102 mm，符合要求。

3.2 座椅头枕及骨架强度

进一步将作用于头枕的载荷加载至890 N，待座椅变形稳定后观察座椅变形情况。从图4中可以看出，头枕弯管vonmiss最大应力为291.1 MPa，超过了其材料Q235的屈服极限235 MPa，且座框弯管处变形较大，局部最大vonmiss应力为221.6 MPa，也超过了其材料Q195的屈服极限195 MPa，座框弯管局部应力图如图5所示，可见，座椅骨架强度达不到GB 11550－ 2009的要求。

4 优化设计

座椅弯管以及头枕弯管强度不够，有可能是其自身强度不够，但也不排除是受座椅其他受力较大部件影响而导致，故选取座椅骨架上述敏感部件进行DOE分析，找出影响最大部件并改进。

4.1 静力分析有限元建模

本文采用Hyperstudy作为优化软件，由于用动力分析做优化过于耗时（即用LS_dyna作为Hyperstudy优化的求解器），故考虑采取静力分析，即用Radioss作为求解器。建模时，仅在座椅头枕弯管中心处加载垂直于头枕弯管的大小为890 N的力，用于模拟试验最后阶段，建立完成的有限元模型如图6所示。

由于静力分析计算时不包括头枕泡沫及头型，仅直接将力施加在头枕弯管上，且根据以往计算经验，静力分析结果中的vonmiss应力值比实际情况偏大，故静力分析结果的应力值会明显偏大。

4.2 DOE分析

通过观察座椅骨架应力分布，发现在头枕弯管、座框大弯管、靠背边板以及调角器上板处的应力较大，故将它们的厚度作为试验设计变量，以座框弯管应力最大单元的应力值与头枕弯管应力最大单元的应力值之和最小为优化目标，并对其做精度较高的全析因试验设计，以找到对目标优化影响最大的变量[4]。为提高效率，同时保证精度，每个因素选取2个水平。各个变量对目标的影响结果如图7所示，图中直线斜率代表影响程度，斜率越大，则影响程度越大。

从图7可以看出，头枕弯管（图中绿色线条）、座框大弯管（图中紫色线条）对目标的影响最大，且厚度越大，目标值越小。靠背边板厚度（图中蓝色线条）以及调角器上板厚度（图中红色线条）对目标几乎没有影响。因此增加头枕弯管和座框大弯管厚度可最大程度地增加座标的强度。

4.3 动力分析计算及分析

将座框大弯管厚度设为2.5 mm，并将头枕弯管厚度由2 mm改为3 mm，再次进行动力分析计算，计算结果如图8所示。头枕弯管处最大vonmiss应力为222 MPa，座框弯管最大vonmiss应力为195 MPa，均在屈服强度以内，可见改进后的座椅强度能够达到国标要求。

5 结束语

通过有限元软件Hypermesh建立了座椅头枕及骨架静强度分析模型，并用Ls_dyna进行求解，从结果可以看出，该座椅设计强度不足。针对试验结果进行了DOE分析，发现座椅头枕弯管和座框大弯管的厚度对其强度的影响大于座椅其他部件，并针对试验结果提出改进方案，通过对改进方案的计算分析结果表明，改进后的座椅结构能满足座椅头枕强度试验的国标要求。

[1] 霍庆泽.欧洲NCAP将汽车座椅及头枕碰撞结果纳入新标准[J].汽车世界.2009(2):42-43.

[2] GB 11550－ 2009.汽车座椅头枕强度要求和试验方法[S].

[3] 赵 海鸥.L S-DYNA动 力分析指南 [M ].北 京:兵 器工业出版社,2003.

[4] 侯 淑娟.薄 壁构件的抗撞性优化设计 [D ].湖 南大学,2007.