一种汽车座椅ISOFIX固定点强度分析

江 宏，苏永生

(1.芜湖职业技术学院 材料工程学院，安徽 芜湖 241006;2.安徽工程大学 机械与汽车工程学院，安徽 芜湖 241000)

儿童约束系统在保护儿童乘员的安全和减少碰撞过程中对儿童乘员的伤害作用明显[1-2]，其主要组成部分包括ISOFIX固定点系统和儿童座椅系统.ISOFIX固定点系统是使儿童座椅系统与车身连接的系统，通常包括座椅骨架上两个刚性固定点和一个刚性上拉带固定点.ISOFIX固定点强度需满足法规试验要求，工程开发中，为提高开发效率和减少试验费用，常采用计算机仿真方法，保证设计的可靠性[3].静态加载装置是检验ISOFIX固定点强度的试验装置，其可以有效评估儿童座椅系统连接的可靠性.

本文以某汽车座椅为研究对象，按照法规规定的试验方法和评价标准，运用Hypermesh建立了含静态加载装置的座椅系统有限元模型，采用Ls-dyna软件进行仿真计算，分析了该座椅ISOFIX固定点强度，并对不同工况的评价指标进行了对比.

1 试验方法和评价标准

GB14167-2013规定了ISOFIX固定点强度的静态试验方法和评价标准[4]：通过静态加载装置对ISOFIX固定点施加静态载荷，试验过程中需考虑座椅惯性力的影响，试验载荷大小及方向如表1所示.试验后要求前向力和斜向力引起的加载点X位移≤125 mm，ISOFIX固定点及其附近位置不失效.

表1 试验载荷及方向

根据法规要求，ISOFIX固定点强度试验共有4种工况，分别是固定两点向前加载工况、固定两点向左加载工况、固定三点向前加载工况、固定三点向左加载工况，如图1所示.

图1 ISOFIX固定点强度试验工况示意图

2 有限元模型的建立

2.1 网格划分及连接处理

本文采用通用前处理软件Hypermesh.首先将座椅模型导入Hypermesh中，接口选用LS-dyna；然后对模型进行几何清理后，抽取座椅钣金件及管件的中面；网格划分尺寸采用5 mm，螺栓采用一维beam单元模拟，钣金件采用二维壳单元模拟，座垫、靠背及静态加载装置采用三维单元模拟.网格划分好以后，还应对其进行网格质量检查，网格质量标准参照设定[5].

网格划分好后，需要将各零部件连接起来.其中烧焊连接采用spotweld单元模拟，点焊连接采用acm单元模拟，螺栓连接采用beam单元模拟.静态加载装置与座椅部件之间设置单面接触，有限元仿真模型如图2所示.

图2 有限元仿真模型

2.2 材料信息

座椅ISOFIX固定点强度分析具有很强的非线性，材料属性对分析结果影响很大.该座椅选用的材料共有12种，包括各种金属材料和发泡材料.根据材料厂家提供的材料信息，利用LS-dyna建立了用于有限元分析的材料库，分析时将材料属性赋予相应的零部件，图3给出了部分材料的应力应变曲线.其中,20#钢对应座椅骨架左右ISOFIX安装钩材料，QSTE420钢对应用于连接座椅骨架左右ISOFIX安装钩与座盆连接管的连接板材料.

2.3 边界条件

边界条件包括约束处理和载荷施加.根据试验要求，为尽可能使座椅分析模型与实际状态等效，且座椅地脚与车身地板采用螺栓连接，约束座椅地脚螺栓连接处三个平动自由度和三个转动自动度.根据不同工况，施加相应的载荷，考虑零部件可能存在的间隙及材料的非线性，采用缓慢加载方式，前向力加载工况历时150 ms，从0.5 kN缓慢加载到8.25 kN，并保持100 ms；斜向力加载工况历时150 ms，从0.5 kN缓慢加载到5.25 kN，并保持100 ms.以上加载工况均需考虑座椅20倍自重惯性力，载荷情况如图4所示.

图3 20#和QSTE420材料的应力应变曲线 图4 不同工况下载荷曲线

3 ISOFIX固定点强度仿真分析结果

图5 加载点位移曲线

3.1 加载点位移仿真结果

座椅有限元模型前处理完成以后，将模型提交LS-dyna计算程序，设置好相应的参数后，开始仿真计算.4种仿真工况中，加载点X位移曲线如图5所示.由图5可知，两点斜拉工况中加载点位移变化最大，三点斜拉工况加载点位移变化次之，两点前拉和三点前拉工况加载点位移变化最小.其中，两点斜拉和三点斜拉工况中，当加载时间从0～150 ms，加载点位移分别从0增加到33.03 mm和28.15 mm，150 ms后加载点位移达到稳定状态；两点前拉和三点前拉工况中，当加载时间从0～150 ms，加载点位移从0增加到20.63 mm，150 ms后加载点位移不再增加，说明座椅不再继续变形，达到稳定状态.

由此可见，该座椅由前向力和斜向力引起的加载点位移小于法规要求的最大值，加载点位移变化满足法规规定的加载点位移量的要求.

3.2 主要零部件应变情况

根据强度理论，零件失效的判定可采用零件的应变是否超过材料允许的极限应变[6].该座椅ISOFIX固定点强度分析中，ISOFIX固定点附近区域零部件为主要承力部件，需重点考察该区域主要零部件的强度.根据仿真结果，得到主要承力部件应变情况，如表2所示.

表2 主要承力部件应变情况

由表2可知，在4种工况下，左、右安装钩最大应变分别为6.56%，5.76%，小于20#钢材料的极限应变22%；连接板最大应变为4.36%，小于QSTE420材料的极限应变30%；连接管最大应变为5.6%，小于Q345B材料的极限应变27%.可见，左右安装钩、连接板及连接管的塑性应变均小于材料允许的极限应变，失效风险较小，很好地满足了设计要求.从座椅被动安全性角度来看，该座椅的设计是成功的.

另外，还可以看出，两点斜拉工况为该座椅最易失效工况，图6～图8分别给出了两点斜拉工况下，左右安装钩、连接板及连接管的塑性应变云图.由图6～图8可知，左右安装钩应变最大处在圆角，连接板和连接管应变最大处均出现在焊接位置，且应变均较小，具有较高的安全裕度.

图6 左右安装钩应变云图

图7 连接板应变云图

图8 连接管应变云图

4 结论

(1)该座椅ISOFIX强度的各项评价指标均满足法规要求，具有较好的被动安全性.

(2)通过4种试验工况的对比分析，两点斜拉工况为座椅最易失效工况.在该工况下，各项评价指标均具有较高的安全裕度，可以进一步研究该座椅的合理设计.