梅一丹　严杰　刘盼　夏汤忠　李世泽

摘 要：依据法规GB 15083-2019《汽车座椅、座椅固定装置及头枕强度要求和试验方法》，对带座椅背板结构车身进行行李动态冲击仿真分析，并对仿真分析与试验结果进行相关性分析。针对座椅背板结构失效，在有限元仿真模型中引入Johnson Cook失效模型，来提高CAE分析结果与试验的相关性。在对标相关性良好的有限元模型基础上，引入DOE 正交试验矩阵，进行座椅背板结构及连接螺栓等级的综合优化设计，确保车身结构及座椅总成满足行李动态冲击法规试验的要求。关键词：座椅背板;行李动态冲击;Johnson Cook失效分析;DOE正交试验中图分类号：U463.83+9.2  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）08-143-04

Abstract： According to the regulation GB 15083-2019 "Strength Requirements and Test method of automobile seats， their anchorages and any head restraints "， the dynamic impact simulation analysis of luggage on the body with seat backplane structure is carried out， and the correlation between simulation analysis and test results is analyzed. In order to improve the correlation between CAE analysis results and test results， Johnson Cook failure model is introduced into the finite element simulation model for seat backplane structure failure. On the basis of the finite element model with good standard correla -tion， DOE orthogonal test matrix is introduced to carry out the comprehensive optimization design of seat backplane structure and connecting bolt grade， so as to ensure that the body structure and seat assembly meet the requirements of dynamic impact test of luggage.Keywords： Seat backplane; Luggage retention; Johnson Cook failure analysis; Doe orthogonal testCLC NO.： U463.83+9.2  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）08-143-04

1 引言

汽车被动安全性是汽车最为重要的一项整车性能指标，座椅作为汽车的重要组成部分，其能在汽车碰撞过程中能给乘员提供决定性的保护作用。为防止在急刹车时因行李移动而伤害乘客，国家市场监督管理总局推出强制法规GB 15083- 2019，该标准技术内容参考了欧洲经济委员会ECE R 17《机动车座椅、座椅固定装置及头枕认证的统一规定》。因车辆在高速行驶时突然急刹车，行李厢中的行李由于受到惯性力的作用会对后排座椅产生巨大的冲击，如果后座椅靠背及安装点强度不够，行李移动的冲击力会直接作用到后排座椅上，给后排乘客带来严重的伤害[1]，所以后排座椅及头枕系统的强度在一定程度上决定后排乘客的生命安全。

国外研究机构开展了许多深入的研究工作，其中包括研究座椅安全带固定点的强度，预测座椅骨架失效形式和采用参数化方法对座椅进行设计开发和结构优化[2]。国内的研究主要依据GB15083—2019《汽车座椅、座椅固定装置及头枕强度要求和试验方法》法规要求，分析座椅骨架和头枕的静强度、头枕吸能性和座椅靠背行李舱的冲击强度，以及采用铝镁合金对座椅骨架进行轻量化设计[3]，但针对带背板结构的座椅的行李冲击性能的研究参考论文并不多见。

本文根据行李位移乘客防护装置的试验方法，建立有限元模型，对某款带座椅背板结构的中级轿车进行行李冲击碰撞仿真分析，并对CAE分析结果与试验结果进行相关性分析，通过引入Johnson Cook材料失效模型，提高CAE分析结果与试验结果的一致性。在基础模型上，采用DOE正交设计试验矩阵进行优化方案迭代分析，给出了座椅背板结构改进方案，解决了原方案因座椅背板强度偏弱，不满足法规要求的问题。

2 行李舱动态冲击试验分析

2.1 行李动态冲击试验要求

根据 GB 15083-2019 法规中的要求，将座椅固定在试验台车上， 同时确保将车体装在台车上的连接方式不对座椅靠背和隔离系统有所加强。并在行李舱地板上按图1所示的位置摆放两个撞击块，标准中规定的类型1撞擊块参数要求：尺寸为 300mm ×300mm×300mm，所有边棱倒圆角均为20mm，每个撞击块的质量为18kg。试验时将车体固定在试验台车上，台车以一定的初速度（km/h）撞击吸能器，试验过程中吸能器提供给台车的减速度参照图2，加速度要求满足法规规定的20g加速度持续至少30ms的要求。当座椅在规定的使用位置时，构成行李舱的座椅靠背或头枕应具有足够的强度，以保护乘员正面碰撞中不因行李的前移而受到伤害。在试验过程中及试验后，若座椅靠背及其锁止装置仍保持在原位置，则认为满足要求。但在试验期间，允许座椅靠背及其紧固件变形，条件是试验靠背和/或头枕部分的前轮廓不能向前移出一横向垂面，此平面经过：对头枕部分，座椅R点前方150mm处的点;对座椅靠背部分，座椅R点前方100mm处的点[4]。

2.2 行李舱动态冲击试验结果分析

某中级轿车，在行李动态冲击试验后，座椅背板中间的两个支架断裂，同时对行李舱冲击碰撞后的试验结果进行分析，座椅靠背部分的位移已超出座椅R点100mm的平面，头枕部分的位移也超出座椅R点150mm的平面，不符合标准要求。初步分析，因冲击块在冲击加速度的作用下直接冲击后座椅背板中间的两个支架，支架强度偏弱导致在试验中支架结构直接被撕裂拉脱，由于支架的撕裂导致座椅背板总成在冲击能量的作用下的变形量增大，而导致钣金焊点撕裂和左下螺栓脱出。本次试验不满足行李冲击动态法规试验的要求，为保证行李动态冲击性能，需要对座椅及座椅背板进行系统性的结构优化计。

3 行李冲击有限元仿真分析

3.1 有限元模型

按照GB 15083-2019《汽车座椅、座椅固定装置及头枕强度要求和试验方法》的要求，并基于非线性求解器建立行李冲击CAE计算分析的有限元模型，如图3。有限元模型包括白车身、座椅背板、座椅总成模型以及试验冲击块总成。

3.2 CAE 仿真分析结果解析

首先不考虑材料及焊点失效，进行行李动态冲击 CAE 计算分析。从CAE结果分析可以看出，座椅背板的最大应力527MPa，最大应变达到 12%，如图4。根据失效判断准则，在该应变状态下，背板支架会出现断裂失效问题。从能量角度分析，因座椅背板系统首先与冲击块接触且在碰撞中为主要的吸能总成件，该子系统吸能占整个车身吸能的 30%。但因未考虑材料及焊点失效，CAE分析车身结构的变形模式与试验存在差异。

3.3 试验结果与 CAE 结果相关性分析

对CAE结果及试验结果进行相关性分析，根据碰撞分析的经验数据，当材料的应变达到材料断裂延伸率的20%时，相应位置根据经验被判定为断裂失效，根据原始模型的 CAE分析的应变结果可以看出座椅背板支架已失效，与试验的结果相符，但是无法直观的给出支架断裂，且支架断裂是否对后续的冲击结果有很大影响，在仿真分析中，未能模拟出焊点撕裂及螺栓断裂的现象。因此基础模型 CAE 分析结果与试验的相关性无法接受。根据相关性分析要求，对有限元模型进行了修正，针对失效区域结构的材料引入 Johnson Cook 失效模型。

3.4 引入 Johnson Cook 失效模型相关性分析

在有限元分析中，材料的失效参量是材料的行为描述的一个重要方面，材料的失效是一种具有复杂物理力学机制的现象，很多试验研究表明材料的失效参量显著的依赖于应力状态的三轴性、应变率和温度效应等因素。Johnson Cook失效模型[5] 由于考虑因素比较全面，而且参数较容易获得，因而在有限元中得到广泛应用。Johnson Cook 失效模型的基本理论方程为：

采用 Johnson Cook 失效模型进行行李冲击座椅动态仿真分析，从模型的变形模式可以看出座椅背板支架在冲击块的冲击能量的作用下，产生较大的冲击变形，随着冲击能量的增加，支架上端在螺栓的剪切作用下撕裂失效。对行李冲击的动态过程进行分析，在 57.5ms冲击块开始接触座椅背板，随着冲击能量的增加，在 70 ms 座椅背板中间支架上端开始出现撕裂，因支架撕裂失去承载能力，座椅背板中间钣金的变形不断变大，在 80ms 中间背板与侧边两钣金的焊点开始出现撕裂。将仿真分析结果与试验结果进行对比分析，可以得出引入材料的Johnson Cook失效模型，计算分析得到的变形模式与试验的相关性较好，如图5。

4 优化方案及试验结果

4.1 优化方案

针对座椅背板及车身结构在行李动态冲击试验中出现的失效及有限元仿真分析的相对定量结果，进行座椅背板结构及紧固件的综合优化改进。在对标相关性良好的模型基础上，通过各部件在动态冲击中吸能及螺栓受力分析，首先对背板支架结构进行局部优化设计，引入DOE 正交试验矩阵方法，进行背板总成零件材料、料厚及螺栓等级的综合优化分析。选择背板中支架材料、厚度以及螺栓等级为分析的3个因素，每个因素定义2个水平，构造出L4（23）正交表，见表1。根据正交表开展 CAE 仿真分析。

针对试验中座椅背板中支架上端撕裂的问题，首先在螺栓位置不变的情况下，延长支架钣金，增加支架抗剪强度。如图6在结构更改的基础上，根据正交试验矩阵进行材料和厚度的优化迭代。优化后，支架材料为E335D，厚度为 1.47mm。

（2）根据对行李冲击过程中背板及座椅安全螺栓受力的提取及分析，并考虑生产总装线方便性及效率，座椅背板与车身件的安装螺栓采用 8.8 级M10，如图 7。

4.2 优化后白车身试验验证

依据优化建议，准备行李冲击试验白车身，根据螺栓等级要求打紧螺栓并确保拧紧力矩的符合性，在中汽研汽车零部件宁波实验室进行行李冲击试验。新的车身结构满足行李动态冲击试验要求。

5 结论

本文针对某车型行李动态法规试验不合格问题，展开了仿真分析，并对仿真分析结果与试验结果进行了相关性分析，通过引入 Johnson Cook 失效模型，获得仿真与试验结果的良好相关性。在对标良好的有限元模型基礎上，建立 DOE 试验矩阵方案，根据试验矩阵完成优化方案的迭代计算，给出背板结构及紧固件的优化改进方案，并进行试验验证，优化后的结构满足GB 15083-2019法规中对行李动态冲击性能的要求。

参考文献

[1] 张科峰，刘刚，颜长征.乘用车移动行李对后排座椅撞击试验研究.机械研究与应用，2011 第2期.

[2] 符大兴，李海，谭园芳.汽车座椅动态试验CAE分析及结构优化，汽车实用技术开发研究，2011（7）.

[3] 张君媛，黄炫，田迪斯.汽车正撞时后排座椅安全性的CAE分析与改进设计，汽车工程，2011（9）.

[4] GB15083—2019《汽车座椅、座椅固定装置及头枕强度要求和试验方法》.

[5] 陈刚，陈忠富，陶俊林等.45钢的Johnson-Cook失效参量.中国力学学会学术大会，2005.