复合材料座椅前、后极限强度仿真分析

王迪，郑欲锋，张健

（上海汽车集团股份有限公司前瞻技术研究部，上海 201804）

引言

复合材料的应用是汽车轻量化的一种重要途径，座椅是汽车的安全部件，尽管座椅重量占车身总重量的比例较小（仅为1.5%-2%），但作为乘员舱内最重要、质量较大的部件之一，座椅为整车轻量化所做的贡献不容忽视。所以，考虑采用复合材料应用于靠背骨架和座盆、结合包胶注塑工艺，实现复合材料座椅的轻量化目的。

在复合材料座椅靠背和座盆结构开发时，需要进行一系列性能分析，其中包括前、后极限强度性能分析。因此，本文通过定义复合材料座椅结构力学分析流程、有限元建模方法，对前、后极限强度性能进行评价。

1 复合材料座椅结构

复合材料座椅结构包括靠背发泡总成、座垫发泡总成、头枕总成、靠背骨架、座垫滑道总成、座盆、旁侧板，其中，复合材料座椅靠背和座盆选用了一种热塑性连续纤维板材（预浸料编织板材）和短纤维塑料粒子（注塑于热压后的连续纤维板材上，起增强及塑形的作用）为原材料（材料参数见表1、表2），座垫骨架等部件仍为金属件，如图1所示。

表1 短纤维粒子参数

表2 连续纤维板材参数

图1 复合材料座椅爆炸图

2 结构力学分析流程

复合材料座椅靠背、座盆结构力学性能分析流程如图 2所示。

图2 分析流程图

3 有限元建模方法

3.1 有限元模型组成

有限元基础模型包含以下内容：

a）靠背骨架、座盆、头枕

b）连接钣金、下横梁

c）靠背和座垫弹簧

d）靠背和座垫泡棉

e）地板

材料和属性信息：

a）复合材料参数

b）铺层角度、厚度等

3.2 软件要求

分析过程所需软件，如表3所示。

表3 软件列表

3.3 建模要求

3.3.1 统一单位

模型单位统一如表4所示。

表4 单位制

3.3.2 坐标系

由于需要定义材料的方向，分析时需要同时使用全局坐标系和局部坐标系。

全局坐标系X轴正方向是从车头指向车尾，Y轴的正方向按照驾驶员的角度，从左指向右，Y=0位于车辆的中心线处，Z轴的正方向是从地面指向车顶。

局部坐标系用于定义材料的方向，X轴一般情况下平行于复合材料中增强相材料的铺设方向。

短纤维区域不需要定义局部坐标系。

3.3.3 网格划分与尺寸定义

复合材料结构件的网格只能使用壳单元模拟，并根据结构的特点，将结构网格分为不同的区域，便于定义局部坐标系。

靠背和座盆网格尺寸3mm。

3.3.4 连接方式

a）靠背骨架与连接钣金的连接模拟

靠背骨架与连接钣金单边采用两组 M10螺栓螺母进行固定连接，内嵌螺母用壳单元模拟，螺栓采用BEAM单元，内嵌螺母与靠背骨架间采用Tied连接模拟，如图3所示。

图3 靠背骨架与连接钣金的连接

b）短纤维区域与连续纤维区域连接模拟

靠背骨架和座盆采用包胶注塑工艺，连续纤维区域包裹在短纤维区域中，从而提高靠背和座盆整体的刚度和强度。在处理靠背骨架网格时，在短纤维区域中偏移出同连续纤维区域对应的面积相等的区域。短纤维区域与连续纤维区域连接通过Tied连接进行模拟。

c）加强筋和本体的连接采用Tied连接模拟。

d）头枕与靠背连接采用Rigidbody刚性单元模拟。

e）靠背、座盆面套挂钩和面套之间的连接通过关键字*CONSTRAINED_NODE_SET模拟。

f）靠背弹簧与挂钩固定点的连接方式通过Rigidbody刚性单元模拟。

g）座盆与座垫骨架连接模拟。

座盆与座垫骨架采用螺栓螺母连接，座盆内置嵌件用壳单元模拟，嵌件同座盆通过 Tied连接模拟，螺栓用 BEAM单元模拟，如图4所示。

图4 座盆与座垫骨架连接

h）复合材料座盆与座垫弹簧采用挂钩连接，座垫弹簧与挂钩通过Tied连接模拟，如图5所示。

图5 座盆与座垫弹簧连接

3.4 控制卡片说明

为了提高座椅复合材料分析精度，要减小分析时间步长，经验值为 3×10-7。

4 材料测试及力学参数

4.1 材料测试

连续纤维增强材料测试包括：准静态和动态测试，如果只进行准静态虚拟分析，则不需要进行动态测试。

a）沿纤维方向和垂直纤维方向的拉伸力学性能测试；

b）沿纤维方向和垂直纤维方向的压缩力学性能测试；

c）面内和面外剪切力学性能测试。

尽可能的获得多个铺层方向上的力学性能，如30°、45°，用于标定材料模型。

短纤维增强材料测试包括：任意方向切割试样，进行拉伸、压缩和剪切力学性能测试。

4.2 仿真所需的材料参数

材料参数主要包括强度参数和刚度参数等，具体的材料参数见表5。

表5 材料参数

4.3 材料卡片

定义的连续纤维增强材料为正交各向异性材料，用MAT58号材料卡片模拟，材料局部坐标通过AOPT定义，关键字信息如图6所示。

图6 MAT58材料卡片定义

短纤维增强材料近似为各向同性材料，用 MAT24号材料卡片模拟。

材料卡片说明：

a）采用经典层合板理论解析复合材料结构力学行为；

b）不考虑层合板的分层失效；

c）可考虑材料的拉压不对称特性。

4.4 铺层卡片

铺层通过壳单元属性定义，积分点个数代表层数，ICOMP选1，同时定义铺层方向。如图7所示为总厚为1mm的方向均为0°的2层铺层结构。

图7 铺层卡片定义

4.5 复合材料结构失效评价

通过以下判断材料失效：

a）连续纤维区域：当所有层均达到最大有效应变值，单元失效。最大有效应变值由拟合得到。

b）短纤维区域：超出失效应力，单元失效。

当材料不允许出现破坏时，连续纤维区域材料主方向应力和剪切应力应小于许用强度。

5 前、后极限强度仿真分析

5.1 要求

复合材料靠背骨架和座盆取代原座椅靠背骨架和座盆，相关零部件进行适应性设计；复合材料座椅结构性能要求不低于原座椅。骨架的永久变形都不得超过 20°，骨架不能有任何裂缝或者损坏的紧固件。靠背调节机构不需要可操作，但需要能够解锁。

5.2 工况介绍

5.2.1 前向极限强度

在靠背骨架上施加向前的1500 Nm的力矩，并沿施加力的方向测量骨架的变形量，在500 Nm时施力点变形量不得超过130 mm，如图8所示。

图8 前向极限工况示意图

5.2.2 后向极限强度

在靠背骨架上施加向后的2500 Nm的力矩，并测量骨架在施力点的变形量，在500 Nm时变形量不得超过80 mm，在1500 Nm时不得超过150 mm，如图9所示。

图9 前向极限工况示意图

5.3 分析结果

5.3.1 前向极限强度

当施加力达500 Nm时，施力点变形量为6 mm；当施加力达1500 Nm时，骨架未出现失效现象。综上所述，靠背骨架满足前向极限强度要求。相关结果数据见图10所示。

图10 前向极限后处理

5.3.2 后向极限强度

当施加力达500 Nm时，施力点变形量为1 mm；当施加力达1500 Nm时，施力点变形量为44 mm；当施加力达2500 Nm时，骨架未出现失效现象。综上所述，靠背骨架满足后向极限强度要求。相关结果数据见图11所示。

图11 后向极限后处理

6 总结

本文提出了复合材料座椅结构力学分析流程、有限元建模方法，通过仿真方法对前、后极限强度性能进行评价。

[1] 沈观林,胡更开,刘彬.复合材料力学（第2版）[M].北京:清华大学出版社,2013.

[2] 赵丽滨,徐吉峰.先进复合材料连接结构分析方法[M].北京:北京航空航天大学出版社,2015.