摘要：為解決某車身安全帶鎖扣與座椅本體干涉磨損的問題，開發出一套新的座椅結構，單獨將右側安全帶固定點設計在座椅本體上，對新座椅結構的骨架強度進行研究。再通過靈敏度分析法對骨架進行輕量化分析，優化過程中綜合考慮碰撞工況及模態工況，通過改變部分零件的厚度實現了骨架降重0.8kg，優化后靠背前向位移最大為66.5mm，與優化前的骨架前向位移偏差為2.2mm，模態頻率優化前后的波動率最大為8.1%。最后根據法規要求，對優化后的座椅骨架進行仿真驗證分析，以驗證實驗方案的可行性和有效性，從而驗證了優化后的骨架符合座椅強度法規與輕量化要求，新的座椅骨架結構解決了車身干涉的問題，為后期座椅結構設計提供了新的理念和方法。
關鍵詞：座椅強度；靈敏度分析；模態；輕量化
相對車身系統而言，座椅是將人體與車身連接起來的載體，研究汽車座椅的安全性、舒適性是座椅設計流程中不可少的環節［1］。一套商用車座椅除了其對應的骨架結構要具有足夠的強度特性以外，還應滿足輕量化及低制造成本的要求。汽車座椅骨架強度是車身被動安全性的一個重要指標，其中，安全帶固定點強度是影響交通事故中座椅及安全帶對乘員約束和防護能力可靠性的主要因素。據前期客戶市場反饋，座椅的最右邊安全帶固定點在車身上時，當插拔安全帶時座椅與車身副儀表之間的間隙較小，造成安全帶插接操作的不便性；同時，在車輛行駛過程中，經過顛簸路面時安全帶鎖扣與座椅產生反復摩擦，造成座椅鎖扣表面塑料件磨損，甚至擠破安全帶鎖扣，影響了座椅的安全性，如圖1所示。對座椅設計數據進行校核，產生該問題的原因主要是目前安全帶鎖扣與座椅骨架所在位置存在硬干涉5mm造成，伴隨座椅總成不可避免的制造誤差，實物裝車后干涉量會更大，由此造成干涉與磨損，如圖2所示。
圖1 車身鎖扣與座椅磨損
圖2 車身座椅數據校核
由于干涉部位的座椅包絡為整個鼓包側面，在車身地板鼓包上更改安全帶固定點無法解決該問題，故將右邊原固定在地板上的安全帶鎖扣布置在座椅上，即座椅骨架右側自帶安全帶鎖扣，取消原地板上的安全帶鎖扣。因此，當將右側安全帶固定點由車身轉移至座椅上時，就對座椅骨架設計及強度特性提出了更高的要求。文獻［2］用HyperMesh建立了座椅有限元模型，基于頭枕強度法規的要求，運用LS-dyna求解器對頭枕強度進行了仿真分析并對失效風險進行了優化改進。文獻［3］針對美國標準FMVSS和歐洲標準ECE的要求，采用顯式求解和隱式求解方法對座椅安全帶固定點強度進行了分析研究。文獻［4］根據安全帶錨固強度試驗過程，對座椅進行了試驗方法和有限元分析，評價了座椅主要部位對安全帶錨固強度的影響。為解決此干涉問題并提升座椅的舒適性，利用Hyperworks仿真分析法對座椅局部數據進行修正優化，并結合仿真結果對相關零件進行質量和位移靈敏度分析，優化出符合條件的結果，實現座椅骨架的輕量化，再對輕量化后的骨架進行實車試驗，以驗證仿真結果的有效性。
1 建模過程
安全帶固定點強度分析過程是準平衡、非線性的分析模型［5］，分析時將人體與靠背結構空間離散化。模型建立過程主要包含幾何模型的網格劃分、施加荷載、定義材料及控制卡片設置等，這些過程直接影響著仿真分析的精確度和效率［6］。考慮到座椅內部結構較為復雜，座椅骨架為座椅本體實際承載部件。模型選取時若將所有零部件及整個地板結構作為研究分析對象，將會使得分析模型變得復雜化，使得仿真分析時間變長，所以需要在進行仿真分析之前對研究對象進行精簡處理。主要手段是去除自由邊、多余面等多種檢查研究對象封閉性方法，同時刪除掉對于不影響強度分析的加強筋、倒角、圓角數據［7］。建立好的有限元分析模型，如圖3、圖4所示。根據法規GB14167-2013《汽車安全帶安裝固定點、ISOFIX固定點系統及上拉帶固定點》要求［8］，同時對上、下模塊先施加總荷載10%的預加載，然后增加至總載荷，加載方向為平行于車輛縱向中心平面與水平線向上（10±5）°，仿真要求在100ms內加載至規定值，并至少保持100ms，法規加載示意圖及模型加載示意圖，如圖5、圖6所示。此外，在經過座椅質心的水平平面與靠背的接觸面上加載一個座椅骨架總成20倍的力，該座椅骨架模擬時進行了簡化，座椅總成質量為20.3kg。靠背后端有一根半徑為40mm、長度為535mm 的剛性拉桿，座椅骨架與剛性桿在座椅質心平面上通過剛性Beam單元實現連接。仿真過程中對假人上、下模塊分別加載13500N 的力，對座椅靠背質心加載4000N 的力［9］。根據力的加載要求，加載過程在（0～100）ms區間載荷加載至法規規定值，在（100～200）ms內保持加載，在（200～250）s撤銷載荷，其中，A-Block為假人模塊的加載載荷曲線，B-CG Bar為靠背質心加載的載荷曲線，如圖7所示。通過Hyperview模型進行結果后處理，由仿真結果可知假人固定位置良好，未出現脫離原坐標現象。安全帶固定點處的支架及骨架結構均未出現固定點脫落和較大變形情況。當加載至150ms時頭枕骨架的前向最大位移為42.87mm，在法規規定的設計值范圍之內，仿真輸出加載圖及總成的位移云圖，如圖8、圖9所示。試驗依照GB14167-2013《汽車安全帶安裝固定點、ISOFIX固定點系統及上拉帶固定點》和GB15083-2019《汽車座椅、座椅固定點裝置及頭枕強度要求和試驗方法》，對座椅安全帶固定點進行拉力試驗［15］，測試了安全帶固定點的強度及座椅骨架的強度，試驗參數設置，如圖15所示。對座椅安全帶固定點強度進行試驗驗證，上、下假人模塊及座椅質心載荷加載過程，如圖16所示。利用地腳支架將座椅固定在試驗臺架上，試驗載荷和加載方式對座椅靠背進行加載，如圖17、圖18所示。試驗后的頭枕測試點位移曲線，如圖19所示。試驗后骨架安全帶固定點均未脫落，所有部件均未發生較大變形及裂痕，表明靈敏度分析輕量化后的骨架強度符合法規強度要求，同時試驗結果得出靠背骨架的前向最大位移為69mm，與仿真分析的66.5mm相比，實際靠背變形量比仿真模型的結果大2.5mm，說明仿真結果的有效性及實際骨架強度的符合性。這里研究了某商用車的新品開發座椅，該座椅為解決車身安全帶鎖扣與座椅本體干涉問題，將右側安全帶固定點固定在座椅骨架上，結合座椅強度法規對骨架強度進行了仿真分析。由于安全帶固定點座椅的設計強度富余，為滿足整車客戶的輕量化目標并同時降低座椅的實物成本，且在不改變骨架強度及骨架固有頻率的前提下用靈敏度優化法，通過改變座椅骨架總成部分零件的厚度來實現了輕量化的目標，最終優化出了一組零件厚度值，實現了骨架質量從12.6kg降到了11.8kg，實現降重0.8kg，優化后的靠背骨架最大前向位移為66.5mm。輕量化后的骨架改變了座椅的質量分布，因此對優化前后的骨架進行模態分析，結果表明優化前后的骨架模態波動率為8.1%，說明優化后的骨架仍然具有良好的模態頻率特性。試驗過程表明，骨架總成及各子零件結構均未出現開裂或者失效現象，試驗中測得靠背的最大前向位移為69mm，與設計仿真值相差為2.5mm，誤差率為3.6%，說明了仿真結果的可行性，優化后的座椅結構解決了車身鎖扣與座椅裝配時的干涉問題。
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