专用小学生校车座椅的CAE仿真分析及试验验证

马瑞雪，王 欣，覃祯员，李 弢，毛星子

（重庆车辆检测研究院 国家客车质量监督检验中心，重庆 401122）

校车座椅标准[1]发布实施后，由于该标准与现有的座椅标准有较大的差异性，没有引起多数座椅企业的重视，导致很多试验样品不能满足标准要求。某款校车座椅初次试验不合格，企业自己进行多次直观改进，再多次试验都未通过该标准要求。后经重庆车辆检测研究院为其进行仿真分析，有针对性地进行结构改进后试验才合格。基于此，本文采用有限元仿真分析方法建立该校车座椅有限元模型，并结合试验验证该模型的有效性和可靠性；通过CAE仿真模拟座椅试验全过程，根据CAE仿真分析结果提出校车座椅结构改进的可行性方案。

1 有限元模型的建立

1.1 三维模型的建立及有限元网格化

根据某校车座椅厂家的座椅实物模型和二维图纸利用CATIA软件建立三维几何模型。分别建立了坐垫泡沫、靠背泡沫、座椅骨架、支撑架的三维模型，然后根据安装螺栓孔进行三维装配。为了减少不必要的计算量，在实际建模时进行适当的简化，除去一些对结果影响不大的倒角和凸台。

将建立好的三维模型转化为IGES格式输出后导入ANSA软件中，对模型进行几何清理及网格划分。座椅骨架和支撑架采用四边形网格，座椅泡沫采用六面体网格；体单元采用的是SOLID95，壳单元采 用 的 是 SHELL181。SHELL181是厚壳单元，包含弯曲、薄膜和剪切效应[2]。建立的校车座椅网格有限元模型如图1所示。

1.2 边界条件的设置

在仿真分析中，为防止座椅骨架与泡沫之间相互穿透或者部件产生大变形时自身产生穿透，需要对可能接触部件表面之间的接触类型以及接触相关的一些参数进行定义。座椅与泡沫部件之间采用自动单面接触(*Contact_Automatic_Single_Surface)，座椅支撑架与地面的接触采用自动面-面接触（*Contact_Automatic_Surface_To_Surface）。边界条件根据标准要求及座椅试验情况定义。采用国内外广泛采用的有限元后处理软件LS-DYNA仿真座椅前倾和后倾试验过程。

1）座椅前倾性能试验的模拟。根据文献[1]的要求对座椅靠背后部施力，位置从座椅后部向前，施力高度在被测座椅的后面座椅R点上下102 mm之间的任意水平面内。通过下模板在5～30 s内施加3114 N的力。达到规定力后，在1 s内立即降到1557 N，将下模板保持在此位置，同时放置上模板。上模板位置为从座椅后部向前，高度在被测座椅的后面座椅R点以上406 mm的水平面内，对上模板设置一个位移为356 mm的边界条件[1,3]。并根据文献[1]中的力-位移曲线区间判定计算结果。仿真模型如图2所示。

2）座椅后倾性能试验的模拟。根据文献[1]的要求对座椅靠背后部施力，位置从座椅前部向后，施力高度在被测座椅的后面座椅R点以上343 mm之间的任意水平面内。对模板设置一个位移为356 mm的边界条件[1，3]，并根据文献[1]中的力-位移曲线区间判定计算结果。仿真模型如图3所示。

2 仿真结果与试验结果对比

原校车座椅在重庆车辆检测研究院国家客车质量监督检验中心进行过试验。图4为校车座椅的某次前倾试验结果；图6为该校车座椅的后倾试验结果。因此，可通过将仿真结果的变形情况、力-位移曲线与试验数据进行对比分析，从而验证仿真分析的可靠性和有效性。

2.1 变形结果对比

图5为该座椅某次前倾试验对应的仿真分析最大变形图，靠背与坐垫的夹角为34°；图5中试验结果为最大变形状态下靠背与坐垫的夹角为37°。图7为该座椅某次后倾试验对应的仿真分析最大变形图，靠背与坐垫的夹角为118.5°；图7中试验结果为最大变形状态下靠背与坐垫的夹角为122°。仿真分析与试验结果基本一致。座椅变形比较大，靠背和坐垫的连接部件发生极大的扭曲变形，导致座椅失效。

2.2 力-位移响应曲线对比

根据文献[1]要求的力-位移曲线区间判定分析结果。力-位移曲线能够综合地反映座椅在整个试验过程中受到不同阶段力的变化过程，也可通过力-位移曲线看到座椅在施力过程中座椅骨架结构变化以及变形的影响因素。因此，仿真分析中采用力-位移曲线响应作为判定座椅是否合格的依据，并根据试验与仿真结果的力-位移响应曲线的吻合程度来验证仿真分析的有效性和可靠性。

通过图8可以看到，该座椅在某次前倾试验和仿真分析中，第二个模块对座椅靠背施加力之后，座椅向前移动105 mm时，曲线超出了边界线；在第二个模块向前移动200 mm时，曲线急剧下降，座椅发生失效。仿真曲线和试验曲线的变化趋势基本吻合，其最大峰值误差仅为8.7%。图9为该座椅某次后倾试验和仿真分析的力-位移曲线。通过曲线可以看出，在座椅靠背向前运动110 mm时，曲线超出了边界线。仿真分析，曲线在同一处超出边界线，在第二个模板向前250 mm时座椅发生失效。试验与仿真曲线基本吻合。表明所建立的有限元仿真模型能够反映座椅在试验过程中的响应。

2.3 座椅的安全性评价

根据对应的应力仿真计算的分布云图，如图10可知，该座椅的“前倾试验”与“后倾试验”的最大应力分别为417 MPa和407 MPa，而且最大应力位置均集中在靠背与坐垫骨架的连接部件上和座椅固定件与地板的连接处，与试验情况相符合。靠背与坐垫的连接部件与座椅固定件均采用的是Q235材料，其屈服极限为235 MPa。该座椅的“前倾试验”和“后倾试验”最大应力均远远超过了其屈服极限，座椅发生严重的塑性变形[4-6]，从而失效。分析结果与2.2相吻合。

2.4 改进设计

本次改进方案的目的是通过CAE分析，有针对性地增强座椅强度，同时尽可能不带来大的成本增加；尽可能确保结构材料和结构形式变化不大，而且还要具有良好的工艺性[7-10]。因此，本次改进从两方面着手：对分析过程中应力偏大的位置进行加厚；对局部高应力区域修改结构[11]。

结构改进设计后的前倾、后倾仿真分析的力-位移曲线如图11和12所示。依据文献[1]，改进设计后的座椅前倾、后倾性能均在要求边界线之内，而且曲线并没有急剧下降的趋势，吸收能量均大于904 J，这表明座椅未发生失效，符合标准要求。对应改进设计的座椅实物的试验结果与其仿真分析结果一致，最终顺利通过了文献[1]要求的试验。

3 结束语

采用仿真分析方法对座椅进行文献[1]要求的模拟试验，其有效性和可靠性通过某校车座椅的试验得到了验证。在此基础上对校车座椅的结构安全性进行评价，并提出改进措施。改进后的校车座椅结构安全性得到了改善，通过了文献[1]的要求。这表明采用CAE仿真分析和改进设计是很有效的，可以降低开发成本和缩短开发周期，提高试验通过率。

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