刘宇1，赵民1，王宇2，范燊2
（1.沈阳建筑大学机械工程学院，辽宁沈阳110168；2.上海鸿仿汽车技术有限公司，上海201506）
来稿日期：2019-12-15
基金项目：住房和城乡建设部项目
（2012-K3-44）作者简介：赵民，（1958-），男，辽宁沈阳人，博士研究生，硕士研究生导师，教授，主要研究方向：机械工程；
刘宇，（1993-），女，辽宁铁岭人，硕士研究生，主要研究方向：汽车结构设计及安全
1引言
随着汽车工业的飞速发展，人们对于汽车的安全性能要求
也越来越高。汽车座椅是汽车事故中最重要的零部件之一，因而我国对于汽车座椅结构的安全性标准也越来越严格[1-2]。现如今大部分汽车后排座椅构成行李舱一部分，国家标准GB15083-2006针对这一情况增
加附录F 《行李位移乘客防护装置的试验方法》。行李箱冲击座椅试验是后排座椅碰撞仿真分析中的一个难点。目前国内的相关研究提出使用拓扑优化技术设计座椅骨架布局。通常采用在座椅骨架结构上增加加强件以提高座椅的抗冲击能力，
但这种方法使得座椅质量增大，不符合设计轻量化原则。运用Hypermesh 前处理器软件结合Ls-dyna 求解器模拟后排座椅在受到行李箱冲击时的情况，根据输出的详细数据对试验中座椅骨架形变及受力较大的零件进行分析。选取问题零件进行优化设
计，从而得最优设计方案，为提高座椅安全性提供一定的参考[3-5]。
2座椅行李箱有限元模型建立
2.1元有限模型建立
运用Hypermesh 前处理软件对某车型后排座椅行李箱冲击试验建立有限元模型。模型采用二维网格对金属壳体零件进行划
摘要：为满足法规GB15083-2006要求，设计安全优质的后排座椅骨架结构。应用Hypermesh 前处理器对某款车型建
立座椅行李箱冲击试验的有限元模型，并利用Ls-dyna 求解器对冲击过程进行仿真分析。分析结果表明该座椅在行李箱冲击试验中不满足法规要求。选取行李箱冲击后排座椅过程中变形量较大的靠背管并对其结构进行优化。提出了将靠背管横截面由圆形改进为椭圆形和将靠背管改进为钣金件两种方案。通过分析优化后座椅靠背管应力、应变最大值以及座椅头枕及靠背与评判面之间的距离，在轻量化的前提下选定方案2为最优。该方案提升了后排座椅的抗冲击能力，座椅头枕及靠背与评判面之间的距离曲线峰值明显降低，座椅结构满足法规要求。关键词：座椅；行李箱；冲击；仿真；强度中图分类号：TH16；U467.3
文献标识码：A
文章编号：1001-3997（2020）08-0259-04
Simulation Analysis and Optimization of the Vehicle Seat and Trunk Impact
LIU Yu 1，ZHAO Min 1，WANG Yu 2，FAN Shen 2
（1.School of Mechanical Engineering ，Shenyang Jianzhu University ，Liaoning Shenyang 100168，China ；2.Shanghai Hongfang Automotive Co ，Ltd.，Shanghai 201506，China ）
粤遭泽贼则葬糟贼：To meet the requirements of the regulations GB15083-2006and design safety and
quality rear seat frame structure.The Hypermesh is used to establish a finite element model for the impact test about the seat and trunk.The impact process is simulated and analyzed with Ls-dyna.The analysis results show that the seat does not meet the requirements of the impact test in trunk.Select the backrest tube with large deformation in the process of impacting the back seat of the luggage and optimize its structure.The cross-section of the backrest tube is changed from circular to elliptical in the first proposal and the backrest tube is changed to sheet metal in the second proposal.After analyzing the optimized stress and strain of the seat back tube ，and the distance between the headrest and backrest of the seat and the judging surface ，proposal 2is the optimal solution on the premise of light weight.The solution enhances the impact resistance of the rear seats.After optimization ，the curve peak of the distance between the headrest and the backrest of the structural headrest with the judgment surface is obviously reduced ，the seat structure meets regulatory requirements.
Key Words ：Seat ；Trunk ；Impact ；Simulation ；Stress Tensor
Machinery Design &Manufacture
机械设计与制造
第8期
2020年8月
259
分以提高有限元仿真的精确度。并采用四边形作为网格单元，能
够更有效地控制单元数量并且能够更好地对应力、应变以及位移
情况进行仿真分析。该模型用5mm基础尺寸进行网格划分，网格
的最大翘曲度为15°，网格的长宽比不高于5：1，最小的单元尺寸
为2.5mm。模型共有77658个网格单元，包括1559个梁单元、64601个壳单元、11498个体单元。其中，将钢丝设置为一维的梁单元；将钣金件设置为二维的壳单元；将轴、销设置为三维的体单
元。在Hypermesh软件中根据法规要求建立的有限元整体模型，
如图1所示。
60%部分座椅骨架
Y车体地板
试验样块
图1座椅行李箱冲击试验前模型
Fig.1The Model of Seat Luggage Impact Test Before
2.2材料与属性设置
模型网格划分结束后，进行网格材料与属性的设置。模型中
材料分为弹塑性材料和刚体材料。其中试验样块及车身环境件为
刚体材料，默认其在任何环境下都不发生变形。其余零件均为弹
塑性材料。赋予模型厚度为零件真实厚度。
2.3连接关系设置
在后排座椅骨架中主要有焊接和螺栓连接两种连接方式。
行李箱冲击试验规定座椅中有限元模型的焊点和焊缝均不发生
失效，采用RigidBody对零部件进行刚性焊接；所有螺栓连接也
不发生失效，采用beam单元模拟螺栓连接。采用刚性单元rigid
对梁单元端点与螺栓孔进行连接。
2.4接触关系设置
在有限元软件中，零件间接触关系的定义在仿真分析中十
分重要。行李箱冲击后排座椅试验是一项动态试验，随着碰撞过
程中接触边界时刻发生变化，在进行仿真分析时就要不断搜索其
接触面[6]。模型中采用AutomaticGeneral的接触形式对座椅靠背表面与试验样块侧面做接触关系的定义。静摩擦系数为0.2，动摩擦系数为0.2。
2.5边界条件与载荷设置
行李箱冲击后排座椅试验主要考察座椅的强度，是一项考
量后排座椅安全性的重要动态试验。根据法规GB15083-2006，
试验时模拟行李箱的试验样块有2种类型，采用尺寸为（300×300×300）mm的质量为18kg的一切边棱倒圆角为20mm的薄壁金属壳体作为试验样块，其惯性中心与几何中心重合[7]。将试验样块放置在行李舱地板上并使其质心与构成行李箱前边界的车辆部件之间的距离为200mm。两试验样块之间的水平距离为50mm，与车辆纵向中心面的距离分别为25mm[8]。试验时根据法规要求设置边界条件：给整个模型赋予50km/h的初速度，方向沿X负方向，约束其它方向上5个自由度，即spc-23456。给台车一随时间变化的载荷使其加速度在法规所规定的范围内。整个冲击过程总时间为300ms。台车的加速度波形，如图2所示。满足法规要求。
时间/s
25
22.5
20
17.5
15
12.5
10
7.5
5
2.5
000.050.10.150.20.250.3
图2台车加速度-时间曲线
Fig.2Trolley Acceleration-Time Graph
3座椅行李箱冲击试验仿真析
3.1试验过程仿真分析
采用Hyperview后处理软件对Ls-dyna求解器中的结果文件进行分析。行李箱冲击后排座椅过程中第0ms、100ms、200ms、300ms 时刻行李箱与后排座椅的置示意图，如图3所示
（a）0ms图像（b）100ms图像
（c）200ms图像（d）300ms图像
图3行李箱与座椅位置示意图
Fig.3Trunk and Seat Position Diagram
3.2座椅骨架位移分析
根据法规GB15083-2006，在进行试验时以及试验完成后，座椅靠背以及紧固件可以发生变形，但不允许座椅以及车身固定点出现失效的情况。座椅靠背和头枕邵尔（A）硬度大于50部分的最前端不能向前方移出一横向垂面。其中，发泡部分不在这个范围内。评判面经过：
（1）座椅R点前方150mm的点（对头枕部分）；
（2）座椅R点前方100mm的点（对座椅靠背部分）。Hyperview后处理软件对Ls-dyna求解器中的结果文件分析表明，后排座椅在行李箱冲击过程中变形严重。在行李箱冲击后排座椅过程中座椅碰撞变形最大时，头枕及靠背超出评判面距
第8期
刘宇等：行李箱冲击某汽车后排座椅的仿真分析与优化260
离最大的点与其所对应的评判面，如图4所示。其中，A 面和B 面分别为R 点前方100mm 和150mm 处的评判面。
A 面
B 面R 点参考面
头枕上的点
靠背上的点
x
y z X
Y Z
图4头枕及靠背超出评判面距离最大点Fig.4Headrest and Backrest Beyond the Maximum
Distance from the Judging Surface
碰撞过程中座椅头枕及靠背超出评判面距离最大的点与评判面之间的距离曲线图，如图5所示。座椅头枕及靠背与评判面之间的距离为X 方向上的距离。由曲线图可知，座椅头枕在0.125s 时超出评判面最大距离36.85mm 。座椅靠背在0.125s 时超
出参考平面最大距离22.26mm ，均不满足法规要求。
时间/s
1000
-100-200-300-400-500-600
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
Head Back
图5座椅头枕及靠背与评判面距离曲线图Fig.5Seat Headrest and Backrest with the
Judging Surface Distance Graph
3.3座椅骨架强度分析
上述仿真结果表明，后排座椅在受到行李箱冲击过程中（台车减速行驶）虽然没有发生零件断裂的情况，但在冲击过程中，座椅头枕及靠背均已超出规定评判面。通过对试验冲击过程的分析，选取座椅骨架变形较为严重的靠背管进行应力分析，如图6所示。通过Hyperview 分析结果文件可知，在0.125s 时刻，靠背管的最大应力达到556.2MPa 。超出Q235材料的屈服极限235MPa 以及抗拉强度极限375MPa ，具有很大的危险性。
靠背管A
靠背管C
靠背管B
图6靠背管应力分布云图Fig.6Backrest Tube Stress Diagram
4优化方案
4.1优化方案
由仿真分析结果可知该座椅在动态工况下不满足法规要求，应加强座椅零件局部的刚度及强度[9-10]。综合零件变形及受力情况
选取靠背管C 进行优化。在充分考虑制造工艺与成本的前提下，提出两种方案对靠背管结构进行优化并进行对比。
方案1是将原靠背管的横截面从半径为12.5mm 的圆形改进为长半径为22.5mm 、短半径为12.5mm 的椭圆形，以增大靠背管的横截面面积；方案2是将靠背管改进为钣金件，优化后靠背U 形截面宽为45mm ，在零件中间平整处起（3.5×20×445）mm 的筋，两侧增加12mm 厚的翻边。图7（a ）~图7（b ）为优化前后靠背管结构横截面对比图。图8（a ）~图8
（c ）分别为靠背管原结构图及优化后结构图。对两种方案分别进行仿真分析，综合应力、应变以及位移情况选取最优方案。
原靠背管
横截面
优化后靠背管横截面
原靠背管横截面
优化后靠背U 型横截面
（a ）（b ）
图7优化前后靠背管结构横截面对比图Fig.7Cross-Section of Back Tube Structure
Before and After
Optimization
（a
）
（b ）
（c ）
汽车座椅图8优化前后靠背管结构图
Fig.8Backtube Structure Diagram Before and After Optimization
4.2优化结果
经过上述改进后，重新对行李箱冲击后排座椅过程进行仿真分析。优化前后行李箱冲击后排座椅试验过程中座椅头枕及靠背与评判面之间的距离、最大应力、应变以及靠背管质量，如表1所示。由表1可知，经方案1及方案2优化后座椅头枕及靠背没有超过对应的评判面，均满足法规要求。通过对两种方案仿真分析的数据可知方案2中靠背管的最大应力、应变值较优化前明显减小，没有超出Q235材料的抗拉强度极限375MPa 。相比于方案2，方案1更好地提升了模型的整体性能，但没有提高靠背管的强度，质量也较大，所以选定方案2为最优。
表1优化前后结果对比
Tab.1Comparison of Results Before and After Optimization
序号
优化前
方案1方案2头枕与评判面距离（mm ）36.85-11.17-5.43靠背与评判面距离（mm ）
22.26-20.11-9.94最大应力（MPa ）420.3456.8342.7最大应变（%）24.2627.3819.78靠背管质量（kg ）
0.301
0.465
0.286
机械设计与制造No.8Aug.2020
261
5结论
（1）利用混合元胞自动机方法进行汽车低速碰撞拓扑优化，获得防撞梁和吸能盒的最佳材料分布。（2）在碰撞拓扑优化结构基础上参数化模型，搭建Isight集成Catia、Hypermesh和LS-Dyna优化平台，
实现设计变量的自动寻优求解。（3）通过本次研究，实现汽车防撞系统低速正面碰撞更高效吸能，同时减轻了质量。
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5结论
运用HyperMesh和Ls-dyna等有限元软件，在对某汽车后排座椅进行动态特性仿真分析结果不满足法规要求的情况下，以座椅结构变动较小并尽可能节约成本为前提，提出了有效的优化方案。两种方案的安全性分析结果验证了该方案的正确性和可行性，经对比分析选定方案2为最优方案。将方案2中优化结果与原结构进行对比分析，得到如下结论：
（1）优化后结构座椅头枕及靠背与评判面之间的距离明显降低，较优化前结构分别减少了42.28mm和32.20mm，所得优化结果满足法规要求。
（2）在碰撞过程中座椅变形较为严重的靠背管C的应力、应变最大值分别减少了77.6MPa、4.48%，该优化方案有效提高了靠背管的抗冲击能力。
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机械设计与制造
No.8 Aug.2020
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