汽车座椅滑车碰撞有限元分析与试验研究

车体分离等。
为便于对比分析， 测点的选择主要考虑结构关
键点和在仿真中应力值较大的点以及便于测量及布
置的部位。
另外， 由于影响试验结果的未知因素较多， 所以
在允许的情况下应多选择一些测点。同时， 为了能够
更好地为校正有限元模型提供参考， 可以在测量关
键点的基础上， 适当地选择一些应力较小但较好测
量的点进行测量。
（ ｄ） 第 ４ 测点， 试验最大应力为 ２３５．４ ＭＰａ
３００
２５０
应力 ／ＭＰａ
２００
试验
仿真 １５０
１００
５０
０ ０ ４０ ８０ １２０ １６０ ２００ 时间 ／ｍｓ
（ ｅ） 第 ５ 测点， 试验最大应力为 ２５８．１ ＭＰａ
２５０
２００ 试验
１５０
仿真
应力 ／ＭＰａ
１００
５０
０ ０ ４０ ８０ １２０ １６０ ２００ 时间 ／ｍｓ
— ３０ —
发生装置所产生的加速度不小于 ２０ ｇ， ＥＣＥ 法规和
ＧＢ１５０８３－ ２００６ 规定加速度大于 ２０ ｇ 时的作用时间
应不小于 ３０ ｍｓ［２， ３］。法规还要求， 在试验中及试验后
座 椅 骨 架 、座 椅 固 定 点 、位 移 系 统 、调 节 系 统 或 锁 止
系统不应失效； 锁止机构不应自动打开； 座椅不能与
１２０
１００
应力 ／ＭＰａ
８０ 试验
６０
仿真
４０
２０
０ ０ ４０
８０ １２０ １６０ ２００
时间 ／ｍｓ
（ ａ） 第 １ 测点， 试验最大应力为 １１５．３ ＭＰａ
１８０
１６０
１４０
试验
１２０
仿真
应力 ／ＭＰａ
１００
８０
６０
４０
２０
０ ０ ４０ ８０ １２０ １６０ ２００
时间 ／ｍｓ
（ ｂ） 第 ２ 测点， 试验最大应力为 １７９．７ ＭＰａ
２ 汽车座椅滑车碰撞试验
汽车座椅滑车模拟碰撞试验是通过模拟、再现 实际撞车时所产生的加速度波形对座椅系统施加载 荷来综合评价整个座椅系统的强度。试验可用模拟 碰撞滑车或其它加速度发生装置来进行。试验前先 将座椅按实际装车位置和固定力矩固定在车身上或 模拟车身的试验台架上， 再将该车身或试验台架固 定在模拟碰撞滑车或加速度发生装置上。试验过程 中不搭乘假人， 座椅的各调节装置应分别在各自设 计范围内的最不利于座椅强度的位置［１］。在 ＥＣＥ 法 规、ＧＢ１５０８３－ ２００６、ＦＭＶＳＳ 法规、日本车辆 认 证 标 准及澳大利亚标准中， 要求模拟碰撞滑车或加速度
成； Ｆ 由单元应力场的等效节点力矢量组集而成； Ｈ
为总体结构沙漏粘性阻力。
为节省计算时间， 在非线性方程组求解时， 时间
积分采用显式中心差分算法。
先建立座椅的几何结构， 因座椅的零件主要是
薄壳件， 可以选择壳单元， 头枕竖梁选择梁单元， 然
后划分网格并定义材料、边界条件和载荷， 最后进行
分析计算。建立的模型如图 ４ 所示。
Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｓｅａｔ，Ｉｍｐａｃｔ，Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ，Ｔｅｓｔ
１ 前言
随着我国汽车工业的迅猛发展， 人们对汽车的 乘坐舒适性及安全性等方面的要求越来越高， 汽车 座椅的设计、研究与开发已越来越引起汽车界的重 视。目前， 关于汽车座椅动态特性的研究比较少， 因 此本文针对汽车座椅的滑车碰撞特性进行了仿真分 析与试验研究。
Ｙ Ｘ Ｚ
图 ４ 座椅滑车碰撞有限元模型 在对模型施加载荷时， 为了能够与试验结果对
比， 验证所建座椅动态特性仿真模型的准确性， 直接
对模型中的滑车及座椅施加试验时的碰撞速度
５１．６９ ｋｍ ／ｈ， 对滑车施加试验时产生的加速度进行
仿真。试验中各测点的应力分析如图 ５ 所示， 各测点
的材料参数如表 １ 所列。
（ ｆ） 第 ６ 测点， 试验最大应力为 ２０４．１ ＭＰａ
图 ５ ６ 个测点的应力曲线
表 １ ６ 个测点的材料参数
ＭＰａ
测点 １、２ ３、４、５
６
材料 ０８Ａｌ ＳＴ１２ １６ＭｎＲＥ
屈服极限 ２１５
≤２８０ ≥３０４
Baidu Nhomakorabea
强度极限 ２７５～３９０ ２７０～４１０ ４６０～５７８
由图 ５ 和表 １ 可看出， 除第 ３ 测点外， 试验应力 曲线与仿真曲线趋势基本一致， 最大应力值的误差都
１
６
２
５
３、４
１．座盆连接内外板处 ２．座盆与管框连接处
３、４．左 、右 外 侧 板 拐 角 处 上 端 ５．右 外 侧 板
拐角处下端 ６．调角器小板前侧
图 １ 座椅各测点的布置示意
Ｂ
Ｒ１
Ｒ２
Ａ
Ｃ ΔＵ
Ｒ４
Ｒ３
Ｄ
Ｅ 图 ２ 供桥电路
试验时， 座椅安装在滑车上， 其定位方式必须与
其在轿车上的定位方式完全相同； 座椅前、后方向调
— ３２ —
在 ２０ ％以内。第 １、２、４、５、６ 测点的最大试验应力和最 大仿真应力及第 ３ 测点的最大仿真应力均未达到各 自材料的屈服极限。第 ３ 测点的试验应力曲线和仿真 应力曲线的最大值虽然相差很大（ 相差 ３４．９ ％） ， 但其 应力的变化趋势相似。另外， 第 ３ 测点和第 ４ 测点是 对称的， 此两个测点的仿真应力曲线变化趋势基本 一致， 最大应力值也很接近， 因此第 ３ 测点可能是出 现问题的坏点。
出现坏点的原因是： ａ． 试验座椅 运 输 过 程 中 出 现 问 题 ， 使 第 ３ 测 点处的固化胶出现松动， 造成试验时产生较大应变。 ｂ． 试验过程中， 由于滑车运动速度较快， 测量 线的高速移动可能造成导线内线丝的部分断裂， 引 起导线电阻的变化， 从而影响了测量结果。 ｃ． 连接应变仪的线路屏蔽不好。 根据以上分析可以认为， 所建立的汽车座椅滑 车碰撞动态特性有限元模型是可信的， 可用于指导 汽车座椅的设计。
２００７ 年 第 ５ 期
并用沙漏粘性阻尼控制零能模式。经有限单元离散、
对单元虚功原理的变分列式组集后， 得到结构的非
线性动力学方程：
ＭＸ（ ｔ） ＝Ｐ（ ｘ， ｔ） － Ｆ（ ｘ， ｔ） ＋Ｈ
（ ２）
式中， Ｍ 为总体质量矩阵； Ｘ（ ｔ） 为总体节点加速度矢
量； Ｐ 为总体载荷矢量， 由节点载荷、面力、体力等组
试验座椅上所有测点均贴直角应变片， 应变片
粘贴位置如图 １ 所示。为了减小误差， 数据采集时用
补偿片与测点的应变片连接成半桥， 供桥电路如图 ２
所示。
图 ２ 中， 电桥输出电压 ΔＵ 和应变片测量的应
变之间的关系为：
ΔＵ＝
ＥＫ ４
（ ε１＋ε２＋ε３＋ε４）
（ １）
汽车技术
·试验·测试· 式中， Ｅ 为供桥电源电压； Ｋ 为应变片的灵敏系数； ε１、 ε２、ε３、ε４ 分别为桥臂电阻 Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４ 的变形应变。
— ３１ —
·试验·测试·
３５０
３００
应力 ／ＭＰａ
２５０
试验
２００
仿真
１５０
１００
５０
０ ０ ４０ ８０ １２０ １６０ ２００ 时间 ／ｍｓ
（ ｃ） 第 ３ 测点， 试验最大应力为 ３４５．８ ＭＰａ
２５０
２００
试验
仿真
１５０
应力 ／ＭＰａ
１００
５０
０ ０ ４０ ８０ １２０ １６０ ２００ 时间 ／ｍｓ
４ 误差分析
在试验与仿真对比分析中， 发现试验应力曲线 与仿真应力曲线并不完全一致， 最大值也不相同， 即 存在一定的误差。本次试验中产生误差的原因主要 有以下几个方面：
ａ． 座椅固定不牢固； ｂ． 座椅骨架总成存在质量问题； ｃ． 应变片的粘贴质量［４］； ｄ． 长导线引起的误差； ｅ． 测量过程中干扰源的影响。 另外， 仿真分析本身也存在误差， 如模拟的焊接 单元不能与实际的焊接完全一致， 简化的有限元模 型、材料模型与实际的座椅和材料存在一定的差别 等， 这些都会导致仿真与实际试验结果出现误差。 误差虽然不可避免， 但应采取措施尽量减小误 差， 主要方法有： ａ． 设计合理 的 装 夹 装 置 ， 尽 可 能 做 到 与 实 车 安装一致。 ｂ． 多布置测点并适当选择 对 称 点 ， 测 点 布 置 避开焊接点和加载区域。 ｃ． 选择优质 应 变 片 和 粘 合 剂 ， 提 高 应 变 片 的 粘贴质量； 选用尺寸合适、阻值和灵敏系数一致的应 变片； 选用稳定性好的应变仪。 ｄ． 在计算时间和速度允许的条件下细化模型， 特别是一些关键部位， 以提高仿真结果的精度。
汽车技术
·试验·测试·
５ 结束语
建立了汽车座椅滑车碰撞动态特性有限元模 型。试验与仿真分析对比表明， 各测点应力的试验曲 线与仿真曲线随时间变化的趋势都很接近， 即所建 立的汽车座椅滑车碰撞动态特性有限元模型是可信 的， 所提供的座椅动态强度的研究方法是可行的， 可 以通过有限元仿真分析来对座椅的改进设计进行指 导， 提高座椅设计改进的效率。
主题词： 汽车座椅 碰撞 有限元 试验 中图分类号： Ｕ４６３．８３ 文献标识码： Ａ 文章编号： １０００－ ３７０３（ ２００７） ０５－ ００３０－ ０４
Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｔｅｓｔ Ｓｔｕｄｙ ａｂｏｕｔ Ｓｌｅｄ Ｉｍｐａｃｔ Ｔｅｓｔ ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ Ｓｅａｔ
参考文献 １ 王 王宣，李 宏 光 ，等 ．现 代 汽 车 安 全 ． 北 京 ： 人 民 交 通 出 版 社 ，
滑车分离。结果完全满足 ＥＣＥ－ Ｒ１７ 法规的要求。
加速度 ／ｇ
３６
３２
２８
２４
２０
１６ １２
＞３０ ｍｓ
８
４ ０
－４
－８ ０ ３０ ６０ ９０ １２０ １５０
时间 ／ｍｓ
图 ３ 试验测得的滑车加速度曲线
３ 仿真分析
采 用 ＰＡＭ－ ＣＲＡＳＨ 软 件 进 行 汽 车 座 椅 滑 车 碰 撞仿真分析， 算法采用显式有限元理论， 单元采用拉 格朗日列式。为节省计算时间， 采用单点高斯积分，
节到设计的最后位置， 上、下高度及座椅靠背的角度
调节到设计的标准位置， 头枕调节到最高位置； 被测
试座椅必须安装所有装饰和附件。
试验测得的滑车加速度曲线如图 ３ 所示， 加速
度大于 ２０ ｇ 时的时间超过 ３０ ｍｓ， 座椅各处未出现
破坏， 座椅骨架、座椅固定点及位移系统、调节系统
及锁止系统均未失效； 锁止机构没有打开； 座椅未与
·试验·测试·
汽车座椅滑车碰撞有限元分析与试验研究
李强红 １ 李剑平 ２ 李三红 １ 姚为民 ３ 张建文 ４
（ １．国家汽车质量监督检验中心； ２．重庆汽车研究所； ３．吉林大学； ４．国家机动车质量监督检验中心）
【摘要】对汽车座椅进行了滑车碰撞试验， 根据试验数据建立了汽车座椅滑车碰撞动态特性仿真模型， 采 用 ＰＡＭ－ ＣＲＡＳＨ 软件进行了仿真分析。仿真与试验结果对比表明， 各测点的试验应力与仿真应力曲线很接近， 所建立 的有限元模型是正确的， 可以有效指导汽车座椅的设计并提高设计效率。
Ｌｉ Ｑｉａｎｇｈｏｎｇ１，Ｌｉ Ｊｉａｎｐｉｎｇ２，Ｌｉ Ｓａｎｈｏｎｇ１，Ｙａｏ Ｗｅｉｍｉｎ３，Ｚｈａｎｇ Ｊｉａｎｗｅｎ４
（ １．Ｎａｔｉｏｎａｌ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ Ｑｕａｌｉｔｙ Ｓｕｐｅｒｖｉｓｉｏｎ ａｎｄ Ｔｅｓｔ Ｃｅｎｔｅｒ； ２．Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ； ３．Ｊｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ； ４．Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｓｕｐｅｒｖｉｓｉｏｎ ａｎｄ Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ｏｎ Ｍｏｔｏｒ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｑｕａｌｉｔｙ）
【Ａｂｓｔｒ ａｃｔ】Ｓｌｅｄ ｉｍｐａｃｔ ｔｅｓｔ ｉｓ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｆｏｒ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｓｅａｔ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｄａｔａ ｏｆ ｓｌｅｄ ｉｍｐａｃｔ ｔｅｓｔ，ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｓｅａｔ ｓｌｅｄ ｉｍｐａｃｔ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ＰＡＭ－ ＣＲＡＳＨ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｖｉａ ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｄａｔａ ａｎｄ ｔｅｓｔ ｄａｔａ，ｔｈｅ ｔｅｓｔ－ ｓｔｒｅｓｓ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｍｅａｓｕｒｅ ｐｏｉｎｔ ｉｓ ｓｉｍｉｌａｒ ｔｏ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ－ ｓｔｒｅｓｓ ｃｕｒｖｅ，ｔｈｅ ｖａｌｉｄｉｔｙ ｏｆ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｖｅｒｉｆｉｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｉｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｓｅａｔ ｄｅｓｉｇｎ．