1、西安航空职业学院毕业论文移动行李对后排座椅冲击的仿真分析与结构优化姓 名： 专 业： 航空电子 班 级： 完成日期： 指导教师: 摘要：国标 GB15083-2006 中新增了附录 F 行 李 位 移 乘 客 防 护 装 置 的 试 验 方 法 ， 其 目 的 在 于 防 止 车 辆 紧 急制 动 或 者 碰 撞 过 程 中 ， 行 李 舱 内 未 固 定 的 行 李 向 前 运 动 ， 冲 击 后 排 座 椅 靠 背 ， 从而对后排乘员造成伤害。东风某车型根据开发需要设计了无靠背锁的新型后排座椅结构， 通过有限元仿真分析发现该方案不满足法规的要求，通过对座椅的结构及连接方式的优化， 使得该座
2、椅的新方案满足国标 GB15083-2006 的要求。关 键 词 ： 移 动 行 李 后排座椅 仿真分析1.引 言随 着 汽 车 越 来 越 多 的 进 入 家 庭 ， 汽 车 安 全 的 问 题 也 日 益 成 为 消 费 者 关 注 的 焦 点 ， 国 家 最 近 几 年 来 也 加 快 了 汽 车 安 全 方 面 的 法 规 的 制 定 和 修 订 ， 使 得 汽 车 的 安 全 性 越 来 越 好 。 汽 车 座 椅作 为 汽 车 内 饰 的 重 要 组 成 部 分 ， 不 仅 兼 具 美 观 舒 适 的 作 用 ， 还 要 满 足 法 规 中 对 乘 员 的 保 护 要 求 。国 标
3、 GB15083-2006 中新增了附录 F 行 李 位 移 乘 客 防 护 装 置 的 试 验 方 法 ， 其 目 的 在 于 防 止车 辆 紧 急 制 动 或 者 碰 撞 过 程 中 ， 行 李 舱 内 未 固 定 的 行 李 向 前 运 动 ， 冲 击 后 排 座 椅 靠 背 ， 从而对后排乘员造成伤害。本文为在某新车型的开发阶段，按照 GB15083-2006行李位移乘客防护装置的试验方 法的实验要求，利用 Hyper Mesh 软件建立了该车行李位移乘客防护装置的有限元模型； 用 PAM-crash 软 件 对 其 进 行 加 载 、 求 解 计 算 ； 对 该 车 的 后 排 座
4、椅 靠 背 强 度 进 行 分 析 ， 发 现 其 后排 座 椅 的 强 度 不 能 够 满 足 法 规 的 要 求 ， 进 而 对 该 后 排 座 椅 靠 背 方 案 的 结 构 进 行 了 优 化 设 计 ， 使其 能 够 满 足 法 规 的 要 求 。 在 该 车 型 后 排 座 椅 的 开 发 过 程 中 ， 通 过 有 限 元 方 法 的 利 用 ， 有 效 的减少了试验次数，降低了开发成本，缩短了开发周期。2.有限元模型的建立2.1 国标 GB15083-2006 附录 F 简介国标 GB15083-2006 附录 F行李位移乘客防护装置的试验方法中要求采用采用试验 台车进行行李冲
5、击座椅靠背强度试验，标准要求在距离后排座椅靠背 200mm 处的行李舱内 放置两个 300*300*300mm， 重 量 为 18kg 的 试 验 样 块 ， 样 块 沿 车 身 纵 线 左 右 对 称 且 相 距 50mm, 如图 1 所 示 。 试 验 台 车 采 用 减 速 进 行 试 验 ， 其 减 速 度 波 形 应 在 图 2 所示的减速度通道范围以 内，且减速前，车体的自由速度应为 5052km/h。图 1，试验样块布置位置图 2 台车减速度通道时间函数GB15083-2006 规定按附录 F 所进行试验过程中及试验后，如果座椅及其锁止装置仍保 持 在 原 位 置 ， 则 认 为
6、 满 足 此 要 求 。 试 验 期 间 ， 允 许 座 椅 靠 背 及 其 紧 固 件 变 形 ， 条 件 是 试验 靠 背和头枕邵尔（A）硬度大于 50部分的前轮廓不能向前方移出一横向垂面，此平面经过：a) 座椅的 R 点前方 150mm 处 的 点 （ 对 头 枕 部 分 ） ；b) 座椅的 R 点前方 100mm 处 的 点 （ 座 椅 靠 背 部 分 ） ；2.2 模型说明本 文 分 析 的 模 型 为 东 风 某 车 型 全 新 开 发 的 靠 背 角 度 可 调 节 的 新 型 后 排 座 椅 ， 该 座 椅 的 4/6 分靠背仅通过安装支架连接在汽车身地板上而与白车身上装无连接
7、关系，这就要求该座 椅 靠 背 仅 依 靠 自 身 的 结 构 来 抵 抗 移 动 行 李 的 冲 击 ， 后 排 座 椅 与 白 车 身 地 板 通 过 座 椅 支 架由 螺 栓连接，对座椅的结构强度要求较高。2.3 载荷及约束为 了 提 高 计 算 的 效 率 ， 本 文 分 析 的 模 型 采 用 该 车 的 B 柱 以 后 的 部 分 ， 因 为 座 椅 与 白 车身 上 装 无 连 接 关 系 ， 只 保 留 了 白 车 身 下 装 ， 模 型 的 加 载 曲 线 为 台 车 减 速 度 通 道 的 上 限 ， 此时 加 载的工况最为恶劣，满足此工况下的后排座椅方案也将能满足其他各种
8、工况。图 3.仿真分析模型及加载曲线3.分 析 结 果建 立 有 限 元 模 型 后 ， 提 交 计 算 ， 并 利 用 PAM-View 软 件 对 结 果 进 行 提 取 ， 发 现 在 120ms 时 ， 座 椅 靠 背 的 前 倾 量 达 到 最 大 ， 此 时 座 椅 靠 背 由 于 承 受 不 了 移 动 行 李 的 冲 击 力 而 突 出 R 点前 100mm 垂直平面，因此此方案无法满足法规的要求。图 4.行李冲击座椅靠背变形图图 5.座椅靠背塑性变形云图由图 4 可以看出，座椅靠背头枕轮廓最前端突破了 R 点前 150mm 所在的平面，突破量达到了 126.4mm， 所 以
9、不 能 满 足 法 规 的 要 求 。 而 由 图 5 的 座 椅 靠 背 变 形 云 图 可 以 看 出 ， 6 分 靠背骨架在座椅连接板最上端的最大塑性变形达到 0.436， 而 该 处 材 料 的 断 后 延 伸 率 为 0.23， 塑 性 变 形 过 大 ， 存 在 失 效 破 裂 的 风 险 ， 也 不 能 满 足 设 计 要 求 ， 因 此 需 要 对 本 方 案 的 后 排 座 椅 靠背的结构进行优化。4.优 化 方 案通 过 对 初 始 方 案 的 结 果 进 行 分 析 发 现 ， 4 分靠背的变形量和靠背轮廓均能满足法规和设 计 的 要 求 ， 主 要 需 要 对 6 分
10、靠 背 骨 架 进 行 优 化 ， 优 化 可 以 分 为 两 个 方 向 ： 第 一 可 以 通 过对 靠 背 骨 架 的 结 构 进 行 加 强 ， 通 过 对 靠 背 骨 架 和 各 连 接 板 进 行 料 厚 的 加 厚 和 管 径 的 加 粗 ， 或者 通 过 使 用 更 高 等 级 的 材 料 的 方 法 来 通 过 提 高 其 自 身 的 结 构 强 度 来 抵 抗 移 动 行 李 对 座 椅 靠背 的 冲 击 ， 这 种 方 法 简 单 并 且 容 易 见 效 ， 但 是 不 利 于 座 椅 结 构 的 轻 量 化 提 高 ， 而 且 不 利 于 成本 的 控 制 ， 可 以
11、作 为 一 种 备 选 方 案 。 第 二 则 可 以 通 过 对 移 动 行 李 对 座 椅 靠 背 冲 击 的 受 力 分 析 ，通过 对 关 键 受 力 且 材 料 强 度 不 足 的 位 置 的 材 料 进 行 加 强 ， 而 在 其 他 位 置 通 过 结 构 上 的 优 化 提 高 座 椅 靠 背 整 体 对 移 动 行 李 的 抵 抗 能 力 ， 这 样 的 方 法 既 可 以 确 保 座 椅 靠 背 对 移 动 行 李 的 冲 击 力 的抵抗，也能够满足产品轻量化的需求，并且有利于产品成本的控制。对 于 单 纯 的 结 构 加 强 ， 由 于 产 品 成 本 和 轻 量 化 的
12、 原 因 不 优 先 考 虑 ， 下 面 就 第 二 种 即 主 要 通过优化座椅结构的方法来对初始方案进行优化，由于 4 分靠背的强度基本可以满足要求，主要针对原始方案中座椅 6 分 靠 背 骨 架 偏 弱 、 受 力 不 均 匀 的 问 题 ， 通 过 受 力 分 析 对 6 分靠背的 座 椅 骨 架 结 构 进 行 了 优 化 ， 将 靠 背 的 纵 向 加 强 梁 改 为 横 向 加 强 梁 ， 且 横 向 加 强 梁 的 位 置 位 于 座 椅 上 连 接 板 的 与 靠 背 骨 架 连 接 位 置 的 上 方 处 ， 为 了 保 留 后 排 座 椅 靠 背 扶 手 的 位 置 ，
13、保 留 纵 梁 的 下 部 ， 作 为 扶 手 骨 架 的 安 装 梁 。 对 座 椅 靠 背 下 连 接 板 强 度 不 够 大 的 问 题 ， 优 化 方 案 对 座椅下连接板的料厚也由 2.0mm 增加至 3.0mm，提高它的抗冲击能力，同时增大了 46 座 椅 靠 背 的 中 间 支 架 的 跨 度 ， 提 高 白 车 身 地 板 的 抵 抗 向 下 凹 陷 的 能 力 ， 其 优 化 方 案 如 图 6 所示。5.优化方案的分析结果图 6.座椅靠背优化方案将 该 优 化 后 的 分 析 方 案 按 照 之 前 所 述 的 方 法 进 行 计 算 ， 提 取 结 果 可 以 发 现 新
14、 方 案 能 够 满 足 法 规 规 定 的 要 求 ， 座 椅 靠 背 轮 廓 最 前 端 所 在 的 平 面 距 离 法 规 规 定 的 平 面 的 最 小 距 离 为174.5mm， 能 够 满 足 法 规 的 要 求 且 保 留 有 足 够 的 设 计 余 量 ， 并 且 座 椅 靠 背 骨 架 连 接 处 的 最 大 塑性变形也降至 0.160，塑性变形量较小，没有破裂的风险，优化方案对工艺和成本的要求都不高，所以新的优化方案能够满足设计要求，改进后方案分析结果如图 7 和图 8 所示。图 7. 改进方案座椅靠背变形图图 8，改进方案塑性变形云图6.结 论本文根据 GB15083-2
15、006 附录 F 的要求，在某车型的开发阶段通过有限元的计算，分析 了 该 车 型 后 排 座 椅 靠 背 对 移 动 行 李 冲 击 的 性 能 ， 对 该 座 椅 初 始 方 案 存 在 的 风 险 进 行 考察 ， 并 对 该 方 案 的 结 构 进 行 了 优 化 ， 使 得 新 方 案 能 够 满 足 法 规 和 设 计 要 求 。 通 过 本 车 型 后排 座 椅 的 开 发 过 程 可 以 使 得 我 们 认 识 到 在 产 品 开 发 过 程 中 ， 对 不 满 足 设 计 的 产 品 进 行 优 化时 既 要 考 虑 使 其 满 足 法 规 和 设 计 的 要 求 ， 又 要
16、 考 虑 到 产 品 的 制 造 工 艺 和 产 品 开 发 的 成 本 控制 ， 而 通 过 有 限 元 软 件 的 使 用 可 以 及 早 发 现 设 计 方 案 中 存 在 的 风 险 并 对 其 进 行 针 对 性 的 优化 ， 可 以 有 效 的 减少试验次数，缩短了产品的开发周期，降低了开发成本。参 考 文 献1 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.2 瞿喆文,姜峻岭. 后排座椅抗移动行李冲击的优化设计J.上海汽车，2010.63 徐凯，肖光，陈飞. 整体式座椅对行李箱冲击影响的研究J.汽车使用技术，20154 曹飞. 移动行李对座椅冲击试验结果的影响因素分析J.客车技术研究，2014.3致 谢感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我了很多素材，还在论文的撰写和排版过程中提供热情的帮助。由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正!
