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摘 要：本文着重介绍了汽车前撞时后排座椅需满足的碰撞要求，以及通过使用CAE模拟对座椅的安全性进行分析并提出相应的改进。
关键词：后排座椅 CAE分析 设计改进
中图分类号：U46 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）09（b）-0221-02
1 CAE概述
所谓CAE，是计算机辅助工程（Computer Aided Engineering）的英文缩写。在工程设计中，它主要指通过使用计算机对产品进行全面而系统的分析，并通过模拟出未来的工作状态和运行行为，发现产品设计中存在的缺陷；同时也可以对产品功能的可用性和可靠性进行确认。在CAE分析中以有限元分析为主体，其基本工作原理就是将产品模型划分为若干个单元格，通过这些单元格的简单变形模拟出整个产品的复杂变化；每个单元格之间以有限个节点相互联系，并通过边界条件的设置来达到综合求解的目的。因为设置的单元格和节点个数是有限的，所以将其称之为有限元分析法。通过单元格个数的改变能使求解答案的精确度提高，通常单元格划分越细，与真实情况之间的误差就越小，更接近实际值，但求解过程也越长。所以有限元分析法的核心思想就是将产品的结构离散化。
CAE分析一般包含三个步骤：（1）建立产品的模型；（2）对模型进行单元格划分，材料添加以及边界条件的设定；（3）对模型进行求解运算，输出直观的图形和精确的数据，使设计人员能对结果进行检查，并帮助工程师判别设计方案的可行性和合理性。
2 座椅的前撞试验
在模拟汽车正撞试验中，对后排座椅的考核是通过座椅的变形程度来衡量的。在后座椅行李箱试验中使用的试验样块尺寸为300mm×300mm×300mm的立方体，立方体棱角倒圆R20mm，每个样块的质量为18kg。将两个试验样块放置在后排行李箱的地板上，样块与后排座椅靠背之间的水平距离为200mm，两个样块之间的横向距离是50mm，如图1所示。
试验时试验台以规定的速度和加速度向前碰撞，由于惯性作用使2个样块产生的向前运动动能作用在了后排靠背上，使靠背发生变形；如果在试验过程中以及试验后，座椅靠背上邵尔（A）硬度大于50的零件，例如靠背骨架，头枕，紧固件等发生变形，但零件前轮廓向前变形的范围没有超出规定的平面，那么就可认为座椅的碰撞强度满足要求。
平面定义如图2所示：
（1）座椅靠背部分不得超过经过座椅R点前方100mm的横向垂直平面；
（2）座椅头枕部分不得超过经过座椅R点前方150mm的横向垂直平面。
3 前撞时座椅的安全性
（1）座椅靠背的结构分析。以后排分体式靠背为例，通常分体式靠背主要由靠背主钢管，中间支撑板，下支撑板，中间支架，靠背锁支架，两侧安装支架和安全带固定装置等构成。在碰撞试验中，靠背骨架下部是通过两侧安装支架和中间支架被固定在白车身上的，而中间支架通过螺栓打紧被固定在白车身上；骨架上部通过两侧的靠背锁支架与靠背锁相连；当靠背锁处于锁止状态时，整个座椅靠背就被固定在了白车身上，而白车身又被固定在试验台上。因此碰撞时，对座椅的碰撞要求就转变为了对靠背结构和连接件的强度考核。
由于座椅碰撞试验的成本较高，且试验时对座椅关键部位发生的变形也很难跟踪，这就增加了工程师对新产品的设计难度，因此运用CAE分析则能够很好的解决该问题。通过CAE分析能够得到碰撞时座椅靠背的变形情况和能量分布情况，通过对薄弱零件的结构更改，提高整个靠背的强度，使后排座椅的设计成本和生产周期得到明显改观。
（2）座椅行李箱试验的CAE分析。以上述靠背为例，按GB15083中对行李箱碰撞试验的规定进行建模，单元格划分，材料和边界条件的设定等；建立的主模型包括座椅靠背骨架，车身固定点和试验样块。在模拟座椅碰撞时，一般假设车身固定点是不被破坏的，因此将固定点设置为刚性体；座椅两侧的靠背锁可以采用梁单元的单元格类型进行划分；而座椅下部的中间支架和两侧支架与车身的连接可以模拟为旋转铰连接。整个碰撞过程大约需要130ms，碰撞波形如图3所示。
通过模拟可以发现在碰撞过程中60%靠背出现了最大变形，但没有超出规定的平面范围，如图4所示。
同时还可以精确的得到作用在靠背锁上的力，该力来自于2个试验样块所产生的冲击力。60%靠背锁承受了约22kN的拉力，40%靠背锁承受了约12kN的拉力，因此在实际碰撞试验前，可以先通过对单个锁进行拉力试验来验证锁的强度是否能满足碰撞要求，从而保证碰撞试验的成功率。
（3）搭载假人的前撞CAE分析。如果后排座椅的中间安全带固定点是设置在座椅上的，且在汽车行驶过程中有乘员坐在后排中间位置并系好安全带，那么当汽车前撞时，由于惯性作用使中间乘员前倾，通过拉扯安全带将拉力传递到座椅靠背上，如果靠背强度较弱则会产生过度变形，从而伤害到乘员；因此运用CAE分析可以在后排座椅中间位置放置一个Hybrid Ⅲ50百分位的假人，通过模拟假人在系好安全带的情况下汽车以60km/h的速度进行前撞，并对试验后的座椅强度和假人在碰撞过程中的动态行为进行考量。因此可以通过大变形有限元法和多刚体耦合法来模拟该试验。将安全带固定点设定为刚性体，安全带织带采用三节点的壳单元格划分，将边界条件设置完成后，可以运用LS-DYNA求解器对试验进行模拟，从而求解出座椅的变形程度和假人的运动情况。模拟后可以发现产生严重变形的零件是60%靠背上的中间支撑板和下支撑板。这是因为中间支撑板和下支撑板本身的结构承载力较弱，在碰撞过程中无法将碰撞产生的能量传递出去，因此吸收了大部分能量，产生了较大的弯曲变形；所以需要对零件进行改进，合理的布局靠背所受力的传递路径，使碰撞能量能够被合理地分配吸收。
4 座椅的改进
基于上述分析，提出的改进方案为：（1）增加中间支撑板和下支撑板的翻边结构，加强零件的结构承载力；（2）提高中间支撑板和下支撑板的材料性能，材料由原来的QSTE340变更为QSTE420；（3）两侧支架增加翻边结构，使支架对靠背主钢管形成加强作用。将改进后的方案与原来方案进行对比可以发现，零件强度的提高妥善解决了碰撞过程中力被截断的问题，使碰撞产生的力能有效的传递到座椅靠背的安装固定点上，如图5所示，降低了零件所承受的弯曲力，减少了骨架变形，因此改进方案有效。
经过优化后的座椅经过实际的前撞试验，所得结果与CAE模拟结果具有很高的相似性，再次说明了在设计阶段对座椅安全性进行CAE分析的必要性和可靠性。
5 结语
通过使用CAE模拟对后排座椅的安全性进行分析，根据模拟结果对座椅结构提出改进方案，并通过实际试验验证，提高了试验的成功率，同时由于CAE模拟结果与试验结果之间的高度相关性，也为今后后排座椅的设计和提高产品的经济性提供了保障。
参考文献
[1] 黄炫，张君媛.某轿车后排座椅骨架CAE分析及轻量化设计[J].汽车技术，2010（5）.
[2] 张君媛，黄炫.汽车正撞時后排座椅安全性的CAE分析与改进设计[J].汽车工程，2011（9）.
[3] 林逸，姚为民.承受冲击时汽车座椅结构安全性研究[J].北京理工大学学报，2005（1）.
[4] 翟喆文，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（6）.
[5] 张健，万鑫铭.侧面碰撞过程中乘用车座椅安全性仿真分析[J].计算机辅助工程，2011（2）.
[6] 符大兴，李海.汽车座椅动态试验CAE分析及结构优化[J].汽车实用技术，2011（7）.
[7] 谭克诚，许冠能.汽车座椅测试与分析系统开发研究[J].制造业自动化，2010年（15）.
[8] 陈道炯，付大成.汽车座椅的轻量化设计[J].机械科学与技术，2011（6）.
关键词：后排座椅 CAE分析 设计改进
中图分类号：U46 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）09（b）-0221-02
1 CAE概述
所谓CAE，是计算机辅助工程（Computer Aided Engineering）的英文缩写。在工程设计中，它主要指通过使用计算机对产品进行全面而系统的分析，并通过模拟出未来的工作状态和运行行为，发现产品设计中存在的缺陷；同时也可以对产品功能的可用性和可靠性进行确认。在CAE分析中以有限元分析为主体，其基本工作原理就是将产品模型划分为若干个单元格，通过这些单元格的简单变形模拟出整个产品的复杂变化；每个单元格之间以有限个节点相互联系，并通过边界条件的设置来达到综合求解的目的。因为设置的单元格和节点个数是有限的，所以将其称之为有限元分析法。通过单元格个数的改变能使求解答案的精确度提高，通常单元格划分越细，与真实情况之间的误差就越小，更接近实际值，但求解过程也越长。所以有限元分析法的核心思想就是将产品的结构离散化。
CAE分析一般包含三个步骤：（1）建立产品的模型；（2）对模型进行单元格划分，材料添加以及边界条件的设定；（3）对模型进行求解运算，输出直观的图形和精确的数据，使设计人员能对结果进行检查，并帮助工程师判别设计方案的可行性和合理性。
2 座椅的前撞试验
在模拟汽车正撞试验中，对后排座椅的考核是通过座椅的变形程度来衡量的。在后座椅行李箱试验中使用的试验样块尺寸为300mm×300mm×300mm的立方体，立方体棱角倒圆R20mm，每个样块的质量为18kg。将两个试验样块放置在后排行李箱的地板上，样块与后排座椅靠背之间的水平距离为200mm，两个样块之间的横向距离是50mm，如图1所示。
试验时试验台以规定的速度和加速度向前碰撞，由于惯性作用使2个样块产生的向前运动动能作用在了后排靠背上，使靠背发生变形；如果在试验过程中以及试验后，座椅靠背上邵尔（A）硬度大于50的零件，例如靠背骨架，头枕，紧固件等发生变形，但零件前轮廓向前变形的范围没有超出规定的平面，那么就可认为座椅的碰撞强度满足要求。
平面定义如图2所示：
（1）座椅靠背部分不得超过经过座椅R点前方100mm的横向垂直平面；
（2）座椅头枕部分不得超过经过座椅R点前方150mm的横向垂直平面。
3 前撞时座椅的安全性
（1）座椅靠背的结构分析。以后排分体式靠背为例，通常分体式靠背主要由靠背主钢管，中间支撑板，下支撑板，中间支架，靠背锁支架，两侧安装支架和安全带固定装置等构成。在碰撞试验中，靠背骨架下部是通过两侧安装支架和中间支架被固定在白车身上的，而中间支架通过螺栓打紧被固定在白车身上；骨架上部通过两侧的靠背锁支架与靠背锁相连；当靠背锁处于锁止状态时，整个座椅靠背就被固定在了白车身上，而白车身又被固定在试验台上。因此碰撞时，对座椅的碰撞要求就转变为了对靠背结构和连接件的强度考核。
由于座椅碰撞试验的成本较高，且试验时对座椅关键部位发生的变形也很难跟踪，这就增加了工程师对新产品的设计难度，因此运用CAE分析则能够很好的解决该问题。通过CAE分析能够得到碰撞时座椅靠背的变形情况和能量分布情况，通过对薄弱零件的结构更改，提高整个靠背的强度，使后排座椅的设计成本和生产周期得到明显改观。
（2）座椅行李箱试验的CAE分析。以上述靠背为例，按GB15083中对行李箱碰撞试验的规定进行建模，单元格划分，材料和边界条件的设定等；建立的主模型包括座椅靠背骨架，车身固定点和试验样块。在模拟座椅碰撞时，一般假设车身固定点是不被破坏的，因此将固定点设置为刚性体；座椅两侧的靠背锁可以采用梁单元的单元格类型进行划分；而座椅下部的中间支架和两侧支架与车身的连接可以模拟为旋转铰连接。整个碰撞过程大约需要130ms，碰撞波形如图3所示。
通过模拟可以发现在碰撞过程中60%靠背出现了最大变形，但没有超出规定的平面范围，如图4所示。
同时还可以精确的得到作用在靠背锁上的力，该力来自于2个试验样块所产生的冲击力。60%靠背锁承受了约22kN的拉力，40%靠背锁承受了约12kN的拉力，因此在实际碰撞试验前，可以先通过对单个锁进行拉力试验来验证锁的强度是否能满足碰撞要求，从而保证碰撞试验的成功率。
（3）搭载假人的前撞CAE分析。如果后排座椅的中间安全带固定点是设置在座椅上的，且在汽车行驶过程中有乘员坐在后排中间位置并系好安全带，那么当汽车前撞时，由于惯性作用使中间乘员前倾，通过拉扯安全带将拉力传递到座椅靠背上，如果靠背强度较弱则会产生过度变形，从而伤害到乘员；因此运用CAE分析可以在后排座椅中间位置放置一个Hybrid Ⅲ50百分位的假人，通过模拟假人在系好安全带的情况下汽车以60km/h的速度进行前撞，并对试验后的座椅强度和假人在碰撞过程中的动态行为进行考量。因此可以通过大变形有限元法和多刚体耦合法来模拟该试验。将安全带固定点设定为刚性体，安全带织带采用三节点的壳单元格划分，将边界条件设置完成后，可以运用LS-DYNA求解器对试验进行模拟，从而求解出座椅的变形程度和假人的运动情况。模拟后可以发现产生严重变形的零件是60%靠背上的中间支撑板和下支撑板。这是因为中间支撑板和下支撑板本身的结构承载力较弱，在碰撞过程中无法将碰撞产生的能量传递出去，因此吸收了大部分能量，产生了较大的弯曲变形；所以需要对零件进行改进，合理的布局靠背所受力的传递路径，使碰撞能量能够被合理地分配吸收。
4 座椅的改进
基于上述分析，提出的改进方案为：（1）增加中间支撑板和下支撑板的翻边结构，加强零件的结构承载力；（2）提高中间支撑板和下支撑板的材料性能，材料由原来的QSTE340变更为QSTE420；（3）两侧支架增加翻边结构，使支架对靠背主钢管形成加强作用。将改进后的方案与原来方案进行对比可以发现，零件强度的提高妥善解决了碰撞过程中力被截断的问题，使碰撞产生的力能有效的传递到座椅靠背的安装固定点上，如图5所示，降低了零件所承受的弯曲力，减少了骨架变形，因此改进方案有效。
经过优化后的座椅经过实际的前撞试验，所得结果与CAE模拟结果具有很高的相似性，再次说明了在设计阶段对座椅安全性进行CAE分析的必要性和可靠性。
5 结语
通过使用CAE模拟对后排座椅的安全性进行分析，根据模拟结果对座椅结构提出改进方案，并通过实际试验验证，提高了试验的成功率，同时由于CAE模拟结果与试验结果之间的高度相关性，也为今后后排座椅的设计和提高产品的经济性提供了保障。
参考文献
[1] 黄炫，张君媛.某轿车后排座椅骨架CAE分析及轻量化设计[J].汽车技术，2010（5）.
[2] 张君媛，黄炫.汽车正撞時后排座椅安全性的CAE分析与改进设计[J].汽车工程，2011（9）.
[3] 林逸，姚为民.承受冲击时汽车座椅结构安全性研究[J].北京理工大学学报，2005（1）.
[4] 翟喆文，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（6）.
[5] 张健，万鑫铭.侧面碰撞过程中乘用车座椅安全性仿真分析[J].计算机辅助工程，2011（2）.
[6] 符大兴，李海.汽车座椅动态试验CAE分析及结构优化[J].汽车实用技术，2011（7）.
[7] 谭克诚，许冠能.汽车座椅测试与分析系统开发研究[J].制造业自动化，2010年（15）.
[8] 陈道炯，付大成.汽车座椅的轻量化设计[J].机械科学与技术，2011（6）.