张科峰，李 弢，王 欣，马瑞雪，颜长征

（重庆车辆检测研究院国家客车质量监督检验中心，重庆 401122）

座椅作为乘员约束系统的主要安全部件，在汽车被动安全保护中起着重要作用。在发生事故时，保证乘员处于自身的生存空间之内，并防止其它车载体（如其它乘员、货物等）进入这个空间；使乘员在事故发生过程中保持一定的姿态，配合其它的约束系统（如安全带、安全气囊等）充分发挥其保护效能[1-3]。

针对客车座椅的被动安全性，欧洲、澳大利亚分别规定了客车座椅强度动态试验方法的相关法规ECER 80、ADR68/00，其中ADR68/00被认为是目前最为严格的座椅动态试验方法。

国内某款客车座椅在我院进行ADR68/00出口认证初次试验时，出现两个问题：一个是其固定件强度无法满足标准要求；另一个是座椅质量太大，达到了33 kg（澳方要求座椅质量不超过28 kg）。经澳方多次改进并委托我机构试验后，仍然不能解决以上两个问题。故澳大利亚重型汽车公司委托我方对该座椅进行CAE仿真分析及座椅结构的轻量化设计，并要求新设计的座椅在满足ADR68/00固定件强度试验的同时，座椅质量不能超过28 kg。

1 座椅固定件强度仿真分析

1.1 有限元模型建立

整个有限元模型的建立主要包括网格划分、模型装配、假人定位及安全带佩戴、材料数据获取与输入、边界条件施加等[4-6]。建立好的有限元模型，如图1所示。

1）网格划分。一般认为，有限元模型越精细，计算的结果越准确。但模型越精细，网格尺寸越小、单元数量越多，所需要的计算时间就越长。综合考虑计算效率与计算精度，座椅骨架用壳单元模拟，单元平均长度5 mm，最小3 mm，坐垫泡沫用体单元模拟，单元长度为10 mm。

2）模型装配。模型装配主要是一些链接关系的处理，比如螺栓连接、缝焊连接的简化处理等。缝焊处理为将连接件处于缝焊区域的连接点共节点。螺栓采用梁单元模拟，其中梁单元beam截面尺寸为螺栓的实际尺寸。梁单元的端点与螺栓孔周围的节点用刚性单元连接。

3）假人定位及安全带佩戴。为了保证仿真分析模型中假人位置及坐姿与试验一致，所以首先需要通过3D-H装置测量H点坐标及骨盆角度。然后根据实际测量数据在VPG中调用hybrid III 50%男性假人，并调节其坐姿。最后根据座椅安全带的固定点位置给假人佩戴安全带。

4）材料数据获取。座椅骨架材料为钢材，座垫为泡沫材料。材料数据的获取通过在座椅上取样，然后通过拉伸和压缩试验获得。金属材料拉伸试验如图2所示，泡沫材料压缩试验如图3所示。

5）边界条件施加。给整个系统施加一个前向49 km/h的初速度。给地板施加一个后向的减速度。减速度曲线如图4所示。

1.2 仿真分析与模型验证

对建立好的有限元模型进行仿真计算，仿真计算结果与试验结果对比如图5所示，椅腿变形如图6所示。从图5和图6中可以看出，在前排假人安全带的拉力和后排假人的撞击力下，前排座椅椅腿后安装孔与车身固定件的连接已经脱落，失去了对后排假人的约束、保护作用，导致后排假人躯干飞出了后排座椅H点前方1.6 m的横向垂直平面。

试验测得座椅靠背顶部在X方向的变形量为1 195 mm，仿真分析值为1 167 mm。仿真分析结果和实验结果非常吻合，证明所建立的有限元模型是可靠的，可以用于以下的轻量化设计分析。

2 座椅轻量化设计

2.1 座椅受力分析

前排座椅受力如图7所示，座椅主要受到后排假人的撞击力，前排假人惯性力和座椅本身的惯性力[7-10]。

座椅所受的剪力及弯矩图如图8所示。

从座椅所受剪力图与弯矩图可以看出，座椅椅腿及座骨架所受剪切力最大，靠背所受剪切力最小。椅腿受弯矩最大，座骨架次之，靠背最小。所以椅腿在整个碰撞过程中是最容易破坏的部件。故整个座椅的轻量化设计思路是座椅椅腿强度最高，座骨架次之，靠背较低。

在座椅设计时，首先保证椅腿及侧挂与车身连接部分的强度，一旦椅腿及侧挂与车身连接部位失效，整个座椅就失去了对假人的约束作用。同时靠背需要有足够的强度，通过安全带来约束其假人，并抵抗后排假人的撞击，约束后排假人使其不能超过后排假人前方1.6 m的横向平面。

2.2 座椅轻量化设计

实现座椅轻量化一般有两种途径：一是采用高强度等级钢减轻质量；二是通过结构优化设计减轻质量。材料轻量化方面：主要受力部件采用高强钢SAPH440及SAPH590替代普通材质钢材Q235。结构轻量化方面：主要涉及到椅腿的结构设计、螺栓数量及位置布置设计。座骨架底架中板、左侧板、右侧板及挂脚架加强筋的布置设计，翻边高度及布置设计，靠背折弯件及靠背套管的设计。轻量化设计后的座椅比旧座椅质量减少了约5 kg，其结构如图9所示。

2.3 轻量化设计座椅仿真与试验

对轻量化设计后的座椅再次进行仿真分析，并在重庆车辆检测研究院国家客车质量监督检验中心再次进行试验。仿真分析与试验对比如图10所示。从试验和仿真结果中可以看出，前排座椅虽有变形，但并未发生失效，后排座椅假人的躯干及头部位移量未超过距离后排座椅H点往前1.6 m的横向垂直平面。试验测得改进后的前排座椅靠背顶部在X方向的变形量为504 mm，仿真分析值为492 mm。证明该座椅的轻量化设计方案是成功的。仿真分析的座椅变形与试验座椅变形吻合很好。

3 结束语

针对该座椅在ADR68/00固定件强度初次试验中无法满足标准要求问题，采用有限元模拟方法，建立仿真分析模型，并进行模型验证。通过座椅受力分析，提出整个座椅的轻量化设计思路，并进行座椅轻量化设计。轻量化设计后的座椅不但满足了ADR68/00的要求，而且质量还减少了5 kg，达15%。证明该座椅的轻量化设计是成功的。

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