摘要：文章在研究与掌握现有（GB 15083-2006）关于行李箱冲击通过性车身结构的基础上，通过使用有限元分析软件进行模拟分析，对座椅结构及座椅在车身固定点结构优化进行了研究，并进行了实验验证，使座椅强度和车身结构强度满足国家要求。
关键词：座椅固定装置；行李箱冲击；安全指标
文章编号：2096-4137（2017）07-064-03
DOI：10.13535/jki.10-1507/n.2017.07.16
1 背景
汽车碰撞或者车辆急减速过程中的乘员安全性，避免行李冲击对乘员造成伤害。在碰撞事故中，因为座椅的破坏，座椅与车身固定部分的脱开等会给车内的乘员造成次碰撞致乘员严重受伤，所以汽车座椅很大程度上甚至直接决定了汽车乘员的安全。因此，在开发和设计汽车座椅系统时不仅要考虑到其舒适性，更重要的还要使其满足一定的安全性。为此，国内外都对汽车座椅系统安全标准的制定十分重视。GB15083 动态行李箱试验是检验碰撞过程中受到行李块冲击后，汽车座椅变形量是否处于一定范围内，从而实现对乘员的保护。汽车座椅
本文以某汽车后排座椅和车身为研究对象，建立该座椅骨架和车身模型，按照GB15083法规要求进行CAE分析，根据CAE分析结果实施改进方案，并对改进方案进行实物验证，表明改进方案满足GB15083法规要求。
2 法规试验条件和方法
汽车行李箱冲击（GB 15083-2006）试验条件及方法如下：将2个刚性试验样块（尺寸：300mm×300mm×300mm，一切边棱角倒圆皆为20mm，质量18kg）放置于行李舱的地板上。为了确定试验样品纵向安装位置，应将试验样块放置在行李舱底部，其前部与构成行李舱前边界的车辆部件接触，然后沿平行于车辆的纵向中心方向将其向后移动，直至其质心
移动200mm的水平距离。若行李舱的尺寸限制了上述200mm的移动，且后排座椅的前后位置可以调节，则将这些座椅向前移动到乘员正常使用位置范围的最后边界，或者移动到获得上述200mm的位置处（取两者中较小者）。对于其他情况，试验样块应尽可能远地放置于后排座椅之后。车辆纵向中心面与各试验样块内侧边缘的距离应该为25mm，以使两样块之间有50mm，如图1所示：
图1
在试验期间，必须对座椅进行调节以保证锁止系统不会由于其他的外界因素而松脱：纵向调节装置应该固定于制造厂规定的最后使用位置（对于科进行垂直调节的座椅，衬垫应置于其最低位置）之前一个切口大小距离或10mm处。试验应该在座椅处于起正常使用的位置处进行。
试验中将车体牢固低固定在试验台车上。将车体装在台车上的连接方式不应该对座椅靠背和隔离系统有所加强。按照上述要求放置试验样块后对乘员车体进行减速，起减速波形如图2所示。减速前，乘员车体的自由速度应为50（0，+2）km/h。
图2
GB 15083-2006标准要求：试验过程及试验后，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有变形，但座椅靠背和头枕部分的前轮廓不能向前超出-横向垂面（如图3所示），此横向平面经过：所述座椅的R点前方150mm处的店（对头枕部分）；所述座椅的R点前方100mm处的点（对座椅靠背）。
图3
3 某车型的行李箱冲击试验
某车型在进行国家行李箱冲击公告试验过程中，后排座椅及其锁止装置脱离原位置（右侧围钣金撕裂，后排座椅在右侧围的固定点脱出），试验不通过。其中后排座椅在衣帽板的2个固定点和左侧围的固定点没有失效，连接完好。如图4所示。故障原因分析如下：
（1）座椅支架挂钩强度不足。挂钩材料为Φ9mm实心规格的45#钢，2根挂钩CO2焊接构成对座椅靠背骨架下横管X向的限位，当座椅受到后部冲击时，座椅中间位置靠此挂钩来抑制靠背向前的位移。从试验状态来看，车辆后排座椅受到模拟块冲击时，座椅靠背的冲击使挂钩变形严重，挂钩上部由设计状态的X向后变形为Z向向上，挂钩塑性变形后无法抑制座椅靠背的前移，导致后座椅靠背超出R点+100mm平面。
（2）左/右侧围的座椅固定点强度不足。后座椅靠背支架厚度2.0mm，HC340LA高强钢材料。设计状态靠背支架能够充分座椅靠背下横管X向的位移，但冲击试验时由于座椅中间挂钩限制点的严重变形导致座椅骨架也严重变形，这样情况下左/右侧围的靠背支架就同时受到了座椅靠背骨架下横管X向和Y向作用，靠背支架的沉台结构无法承受最大Y向冲击载荷，最终侧围靠背支架被座椅靠背下横管撕裂，座椅固定点脱离车身。
4 车身和座椅模型虚拟分析和结构改进
该车型后排座椅在车身一共有5个固定点，座椅支架在中间位置通过2颗M10螺栓与车身后地板总成，座椅上部通过锁与衣帽板的挂钩连接固定（2个固定点），左、右两端分别与左、右侧围总成车身的靠背支架连接（从Z向装入，X、Y向限位）。通过建立有限元模型对此车型进行行李箱冲击试验虚拟分析，有限元模型包括座椅，座椅固定装置（左/右侧围总成、衣帽板总成、后地板总成、后端板总成车身模型），试验样块。
行李箱冲击试验的有限元分析依次分为前处理、求解和后处理三个步骤。前处理、求解和后处理要求分别采用前处理软件HyperMesh、求解器LS-DYNA和后处理软件HyperView。
4.1 有限元分析步骤
（1）前处理。建立基础模型，基础模型由地板、座椅及模拟行李的试验样块组成，座椅骨架网格单元采用5mm×5mm，其余网格采用10mm×10mm（网格划分的质量对仿真精度、求解时间都有显著影响），采用MAT100焊点类型来模拟零部件间的点焊，采用刚性单元RigidBody来模拟螺栓连接，模型建好后进行网格和节点穿透检查，并导入试验样块的标准模块，建立接触、设置边界条件
（2）约束。约束住车架除X方向以外的全部自由度，加载参看国标GB 15083-2006。
（3）求解。由Hypermesh软件导出K文件，提交LS-DYNA求解器进行计算，生成d3plot、glstat等结果文件
（4）后处理。A：结果检查：用后处理软件HyperView结果文件，对动画、能量进行检查；B：结果评价：用后处理软件HyperView打开结果文件，可查看有效应变云图，读取各零件应变大小。
通过有限元分析座椅和车身的行李箱冲击试验仿真结果可以看出车身和座椅挂钩的变形很大，应变接近0.2，设计强度不足，如图7（a）所示。
4.2 改进措施
针对该车型即将量产时间紧迫的情况，改进方案要满足短时间内可实施完成更改，更改量要相对较小但要求保证实施有效的方案。充分考虑以上因素，采取了以下改进措施：
（1）车身结构改进。左、右侧围总成的后座椅靠背支架支撑板的料厚由2.0mm改为2.5mm，其上的座椅固定点的周圈结构由沉台形式改为Y向翻边形式（增强提抗Y向载荷的能力），且Z向加长约13mm（加大Y向受力时候的材料面积）。通过更改左、右侧围座椅靠背支架的结构优化，提高侧围车身Y向抗变形能力，降低冲击试验时座椅固定点脱离车身的风险。
图5 车身靠背支架结构优化
（2）座椅结构改进。由有限元分析结果得知座椅的靠背支架挂钩受行李箱冲击载荷时变形最大，有必要对挂钩进行加强，加强方案为挂钩直径由Φ9mm改为Φ10mm。挂钩直径加粗后能抑制座椅靠背受行李冲击时靠背的前移。
图6 座椅靠背支架挂钩优化
采取以上措施后，经有限元分析车身变形减少，座椅的前浸入量减小：右侧围车身故障处和座椅支架挂钩的应变均减小，如图7和表1所示。更改后的座椅靠背的前浸量没有超出R点+100mm平面，冲击试验后座椅锁止装置没有脱离车身，车身变形很小，满足法规GB15083-2006要求，如图8所示。
（a）原设计状态 （b）优化后状态
图7 后座椅靠背骨架变形图
表1 车身、座椅优化前后状态对比
有限元分析结果-应变
右侧围车身靠背支架 座椅靠背挂钩
原设计状态 0.157 0.117
优化后状态 0.112 0.061
降低幅度 28.7% 47.9%
图8 车身和座椅优化后的试验照片
5 结语
本文在对某车型行李箱冲击试验失效的分析基础上，采用HyperMesh、LS-DYNA、HyperView对座椅和车身有限元仿真分析并提出优化方案，使该车型满足GB15083-2006法规要求，结果表明：
（1）车身的靠背支架沉台平面结构更改为Y向翻边结构更能抵抗座椅Y向载荷作用，有效降低行李箱冲击时座椅固定装置脱离车身的风险。
（2）座椅中部位置的支架挂钩强度对座椅受冲击时的前移量影响重大，提高挂钩的强度能有效减小行李箱冲击试时的靠背前移量。
（3）优化后的该车型座椅和车身强度满足GB15083-2006法规要求。
（4）采用有限元仿真分析和优化设计技术可有效、快速地解决问题。
[1]曹兆友，江南，王海亮.汽车座椅移动行李冲击的安全性分析[J].汽车工程师，2009，
（12）.
[2]沈军.汽车行李箱动态冲击座椅的静态等效试验研究[J].汽车零部件，2014，（10）.
[3]GB15083-2006，汽车座椅、座椅固定装置及头枕强度要求和试验方法[S].
（作者覃鹏飞系上汽通用五菱
汽车股份有限公司中级工程师）
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