汽车座椅

收稿日期 : 2004 - 07 - 22 作者简介 : 王宏雁 (1962 - ) ,女 ,黑龙江哈尔滨人 ,工学博士 ,副教授. E2mail :why2sos @vip . sina. com 汽车座椅有限元建模与计算 王宏雁 , 张　丹 (同济大学 汽车学院 ,上海　200092) 摘要 : 采用“壳 - 体相结合”的方法建立座椅计算机辅助分析 (CAE)模型. 利用 Ansys 软件计算了座垫弹性 ,与 座椅试验的力 - 变形曲线对比 ,以验证建模与材料定义的正确性. 另外还利用正面模拟碰撞中乘员的运动响应 ,分 析了座椅材料的软硬程度对乘员伤害指标的影响. 关键词 : 汽车座椅 ; 有限元 ; 建模 ; 计算 中图分类号 : U 270. 2 　　　　　　文献标识码 : A 　　　　　　文章编号 : 0253 - 374X(2004) 07 - 0947 - 05 Modeling and Simulation with Finite Element Method in Vehicle Seats W A N G Hong2yan , ZHA N G Dan (College of Automobiles , Tongji University ,Shanghai 200092 ,China) Abstract : Establish the computer2aided engineering model of car seat with the methods“shell and solid elements combining”,calculate the elasticity of seat with Ansys. Compared with the“force2distortion” curve of seat test ,we examine the validity of modeling and the definition of materials. The influence of seat softness to the injury index of the driver in frontal crash is also discussed. Key words : car seat ; finite element method ; model building ; simulation 　　汽车座椅不仅要能够支撑乘员身体的重量 ,减 轻乘员的疲劳以满足主动安全性要求 ,还要求能与 安全带和安全气囊匹配 ,对乘员定位 ,缓解碰撞的强 度 ,使乘员的损伤指标达到最小 ,以满足被动安全性 要求[1 ] . 在汽车碰撞安全性模拟分析过程中 ,乘员 约束系统的作用不可忽视 ,所以作为系统因素之一 的汽车座椅的建模方法以及它对碰撞模拟分析精度 的影响值得探讨. 1 　座椅模型的建立 在整个有限元求解过程中最重要的环节是有限 元前处理模型的建立. 这一般包括几何模型、网格划 分、添加约束与载荷以及定义材料等. 它直接影响着 碰撞仿真的计算精度和效率. 建模的基本原则是准确性 ,为了保证计算精度 , 模型必须能够如实反映座椅的几何特性和力学特 性. 为了提高模拟计算的效率 ,在建模时还必须考虑 单元类型、数量和质量等因素. 座椅有限元模型的建立原则为 (1) 在保证计算目的和精度的条件下 ,适当简 化模型. (2) 合理选择单元类型 ,减少输入数据量和计 算时间. (3) 合理控制单元大小 ,相应分配模型单元数. 1. 1 　壳单元的选取 第 32 卷第 7 期 2004 年 7 月 同 济 大 学 学 报 (自 然 科 学 版) JOURNAL OF TON GJ I UN IV ERSITY(NA TURAL SCIENCE) Vol. 32 No. 7 　J ul. 2004 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 壳单元的选取应从精度、效率以及对几何型面 进行离散化时的方便性和准确性加以考虑. HY2 PERMESH 软件提供了 103 ,104 ,106 ,108 号等多种 壳单元类型 ,座椅骨架有限元模型通常采用三角形 (103 号)和四边形 (104 号)壳单元. 从几何模拟角度看 ,采用三角形单元进行空间 型面离散化 ,较为灵活、方便、准确 ,尤其易于逼近复 杂的过渡面 ,在许多 CAD/ CAM 软件中常常采用三 角形单元 ,用作基本的离散化单元 ,但在有限元分析 中 ,三角形单元的计算精度和准确度较差[2 ] . 四边形单元具有较高的精度和准确度 ,可以有 效保证座椅有限元模拟计算与实车碰撞结果的一致 性 ,但四边形单元的计算效率比较低 ,需要较长机时 才能完成模拟计算. 建立座椅有限元模型时 ,尽量采用了四边形单 元 ,尤其是对于座垫、靠背、底座骨架等关键受力部 位 ,全部采用四边形单元划分网格 ;个别尺寸、形状 变化较大的区域 ,如座椅侧两表面相交处 ,采用了少 量三角形单元. 三角单元的比例控制在占总单元数 的 10 %以下 (如图 1) . 1. 2 　体单元的选取 HYPERMESH 软件提供了 204 ,206 ,208 ,210 , 215 ,220 等多种体单元类型 ,根据国外体单元建模 经验与笔者的研究结果 ,座垫、靠背和头枕泡沫的建 模选用六面体单元 (208 号) ,质量较四面体单元好 , 而且计算速度快 (如图 2) . 图 1 　骨架底板 CAE模型 Fig. 1 　CAE model of skeleton plate 图 2 　座椅头枕 CAE模型 Fig. 2 　CAE model of headrest 1. 3 　单元质量的控制 根据经验和计算精度的要求 ,确定控制单元质 量原则 ,见表 1. 表 1 　单元质量原则 Tab. 1 　Principle of element quality 壳单元 体单元 共用参数 warpage (翘曲度) < 5. 0° < 5. 0° aspect (单元长宽比) < 5. 0 < 5. 0 skew (弯曲度) < 60. 0° < 60. 0° Length (单元长度) > 7. 5 mm > 20 mm Jacobian (雅克比) > 0. 7 > 0. 7 tet collapse > 0. 5 tetra AR < 5. 0 对四边形单元 min angle (最小角度) > 45° max angle (最大角度) < 135° 对三角形单元 min angle (最小角度) > 20° max angle (最大角度) < 120° 对四边形单元面 min angle (最小角度) > 45° max angle (最大角度) < 135° 对三角形单元面 min angle (最小角度) > 20° max angle (最大角度) < 120° 　　座椅有限元模型如图 3～5 所示. 1. 4 　模型各部分的连接 座椅骨架部分构件是通过焊接装配的 ,这就涉 及到零件焊接工艺的模拟. 目前 ,在有限元计算中对 焊接的模拟主要有杆单元连接法、公用单元法和公 用节点法等 3 种比较成熟的方法 ,如图 6～8 所示. 　　公用节点法是一种比较简单的焊接模拟方法 , 即在焊点位置将所对应的 2 个零件的单元节点连接 起来 ,两单元公用同一节点 ,从而模拟焊点的连接功 能. 杆单元连接法是指在焊点位置采用一无质量的 849　　　 同 济 大 学 学 报 (自 然 科 学 版) 第 32 卷　 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 刚性杆单元将对应位置的 2 个节点连接起来. 刚性 的杆单元约束住所连接的节点 ,使其具有相同的自 由度 ,以模拟实际焊点的焊接功能 ,并且还可以定义 杆单元承受的轴向力极限和剪切力极限 ,当超过极 限力时 ,杆单元的约束功能消失 ,从而模拟焊点失 效.公用单元法则可以单独定义公用单元的材料特 性 ,以模拟实际焊接处的金属材料特性 ,同时也可定 义相应的焊接失效条件 ,因此 ,这种方法可以对焊点 实现精确的模拟 ,但是工作量十分巨大 ,不仅需要对 焊点作专门的材料试验 ,而且在有限元网格处理方 面也具有一定的难度. 比较 3 种焊接模拟方法 ,公用 单元法虽然最精确 ,但工作量过于巨大 ,而且相应的 试验会大大增加研究的时间和费用 ,对本课题而言 不适合 ;公用节点法精度次之 ,相对也较为简单 ,零 件模型之间吻合精度较高 ,因公用节点产生的单元 翘曲问题比较少 ,所以在座椅各部分连接时选用了 这种方法. 1. 5 　计算模型的定义 本课题选用了 PAM2CRASH 软件进行模拟碰 撞分析 ,所以在它的前处理软件中建立座椅的计算 模型. 1. 5. 1 　材料参数选择 座垫泡沫选用 21 号材料 (elastic foam with hys2 teresis) ;座椅外包层选用 103 号材料 (iterative elas2 tic plastic) ;座椅骨架壳单元采用 100 号材料 ( null material for shell element) ,具体参数参考国外公司 提供的数据. 1. 5. 2 　接触定义 人体模型与座椅的接触采用“面对面”方式 ,即 利用软件提供的 33 号 surface/ surface 接触 ,对假人 臀部和座垫上表面之间的接触、假人背部和靠背内 侧表面之间的接触作定义. 座椅泡沫自接触 ( seat2 self) 采用边缘处理自接触方式 ,即软件所提供的 36 号 (self impacting with edge treatment)接触. 2 　座椅有限元模型的验证 通过网格划分和结构连接 ,将整个座椅离散为 4 079 个壳单元 ,2 955 个体单元 ,建立了完善的座 椅 CAE 模型 (见图 9) . 由于座椅 CAE 模型是经一 些简化后得到的 ,简化过程是否合理 ,各部分连接是 否恰当 ,尤其是材料的定义是否准确 ,直接关系到后 期碰撞模拟的真实性和可靠性. 所以 ,必须对座椅 CAE 模型进行静态计算验证. 厂方提供了座椅的加载与变形试验曲线 ,因此 , 模型静态计算验证实际就是利用软件进行加载与变 形的模拟 ,考察计算数据是否与实际试验结果相符. 本课题采用了 Ansys 软件. 对单元进行定义 ,包 括单元类型、实常数、材料特性等. 其中骨架和外包 壳单元选用 Shell 63 号单元 ,泡沫体单元选用 Solid 45 号单元 ,见图 10. 根据座椅通常受力情况 ,对座垫内固定区域加 949　第 7 期 王宏雁 ,等 :汽车座椅有限元建模与计算 　　 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 载 ,见图 11 ,每个节点受力均匀. 加载节点数为 132 ; 面积为 400 mm ×400 mm ;载荷以 50 N 为步长 ,从 10 N 依次增加至 650 N ,每次加载位置不变. 对比计算与试验结果可知 :模拟计算结果与试 验曲线总的走势基本相符. 但在同一载荷作用下 ,模 拟计算的座椅泡沫变形量比真实座椅产生的变形要 大一些. 在载荷为 600 N 时 ,最大相对误差为29. 8 % (见图 12) . 说明模型对座垫泡沫材料的定义偏软. 图 12 　计算结果与试验曲线对比 Fig. 12 　Curve comparison between simulation and test 3 　座椅材料的软硬程度对碰撞安全性 分析的影响 　　如前所述 ,在座椅的计算模型建立过程中 ,座椅 材料的定义由于没有试验条件 ,所以参考了国外汽 车公司的试验和经验数据 ,静态计算结果也表明 ,所 定义的材料偏软. 因此必须对材料参数是否会影响 最终的整车乘员约束系统的运动响应模拟分析精 度[3 ]进行研究. 笔者通过对比不同的座垫泡沫材料 在碰撞时对乘员造成的伤害指标 ,来验证座垫泡沫 材料定义的可靠性. 根据国家标准 ,选取假人头部伤 害指标 I HIC值、胸部综合加速度 a3ms、大腿轴向受力 F 等 3 项伤害指标作为标准. 应用 Pam2crash 软件输入现有座椅泡沫材料 , 进行正面模拟碰撞 ,得到乘员的 3 项伤害指标. 然 后 ,用乘员的定位参数定义 ,在不改变乘员初始定位 H 点坐标的前提下 ,改变座椅座垫泡沫的材料特 性 ,保持应变相同 ,分别将应力值增加至原来的 2 倍 或者减少至原来的 1/ 2 ,再次进行模拟碰撞 ,得到乘 员的伤害指标与原来的数值进行比较. 3 种不同材 料对乘员的伤害指标的变化规律 ,见图 13～15. 图 13 　I HIC值及加速度曲线 Fig. 13 　Curve of I HIC and acceleration 059　　　 同 济 大 学 学 报 (自 然 科 学 版) 第 32 卷　 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 图 14 　a3ms值及加速度曲线 Fig. 14 　Curve of a3ms and acceleration 图 15 　腿部受力曲线 Fig. 15 　Axial force curve of the leg 　　通过以上 3 种指标的比较 ,可以看出它们的最 大峰值和出现的时间历程都相差无几 ,由此可知 :若 座椅泡沫材料相同 ,仅它的软硬程度不同 ,对于正面 模拟碰撞中乘员的伤害程度的影响很小. 其原因在 于 :座椅的软硬程度的改变 ,主要影响到了乘员在垂 直方向受到的作用力 ,对正面碰撞过程中乘员由于 惯性产生的纵向运动影响不大. 图 16 所示的是在正面碰撞过程中 ,座椅受最大 纵向碰撞力和乘员重力作用下的变形模拟情况. 图 16 　70 ms 时座椅变形形状 Fig. 16 　Deform shape at 70 ms 4 　结论 采用“体 - 壳”结合的方法对汽车座椅进行有限 元建模的研究是成功的 ,经试验验证和计算研究这 种方法独特且有效 ,所建模型合理可靠. 总的来说 , 座椅在整车运算过程中 ,值得注意的因素是体单元 质量 ,提高六面体单元的比例能保证运算的稳定性 ; 其次是材料的定义问题 ,应与静态试验结果尽量吻 合 ,运算更合理. 参考文献 : [1 ] 　姚卫民 ,孙丹丹. 汽车座椅系统安全性综述 [J ] . 汽车技术 , 2002 , (8) :5 - 8. [2 ] 　高广军. 有限元三维实体与壳单元的组合建模问题研究[J ] . 中 国铁道科学 ,2002 ,23 (3) :52 - 54. [3 ] 　龚　剑 ,张金换 ,黄世霖 ,等. PAM2CRASH 碰撞模拟中主要控 制参数影响的分析[J ] . 振动与冲击 ,2002 ,21 (3) :18 - 20. (编辑 :张 　弘) 159　第 7 期 王宏雁 ,等 :汽车座椅有限元建模与计算 　　 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.