解析基于PAM-CRASH软件的轿车座椅动态特性

　　1 引言

　　PAM—CRASH软件起源于法国，由ESI公司开发研制而成，主要用于三维模型的抗撞性分析，其包括设置参数和边界条件的处理软件(PAM—GENERIS)以及分析计算结果后处理软件(PAM—VIEW)。目前，PAM—CRASH软件在汽车被动安全性研究领域得到广泛的应用。PAM—CRASH的碰撞模型由不同类型的有限单元构成空间模型，每个节点有6个自由度(3个移动自由度和3个转动自由度)；其采用拉格朗日方法对变形体进行物理描述并使用“简单单元”的有限元方法。这主要是由于复杂单元的形函数不足以描述变形后单元之间的褶皱，而且工程实践已经证明，采用大量简单单元可以获得比使用少量复杂单元更好的效果。另外，PAM—CRASH采用显式积分方法，利用显式积分方法的优越性在于只有质量矩阵出现在分母中，即在多自由度系统中，只有质量矩阵需要求逆，大大减少了计算量。节约计算时间，如果质量矩阵是对角矩阵，则计算将变得更为容易。

　　座椅是汽车最重要的被动安全系统之一，是乘员约束系统重要的组成部分。它在冲击载荷作用下的响应特性对汽车被动安全性影响很大。较软的座椅头枕软垫会使头枕吸能失效，较硬的座椅头枕软垫又会给乘员带来意外伤害，因此，根据冲击速度不同合理匹配头枕软挚材料特性显得尤为重要。设计靠背强度一方面要满足在追尾碰撞时能为乘员提供良好的保护，同时也要考虑侧面碰撞时对乘员的保护作用。在座椅安全性设计中，必须考虑到不同强度碰撞。由于靠背在不同条件下对其强度要求不同，产生了两种设计概念——柔性靠背设计概念和刚性靠背设计概念。这两种靠背强度设计概念是针对不同强度的碰撞条件形成的，如何做到各种条件下保护效果的兼顾，是座椅靠背强度设计的关键点。

　　本文讨论座椅头枕和靠背在不同冲击载荷作用条件下，反映在假头型上的加速度特性曲线形状，并进一步讨论座椅头枕软垫材料特性以及座椅靠背刚度对座椅动态特性的影响。

　　2 有限元模型的建立

　　座椅动态特性主要是考查座椅头枕和靠背在受到冲击载荷时，各部件的变形、受力情况，又称作座椅的动态吸能特性。在进行座椅头枕吸能性分析时。根据在有限元前处理软件MSC．PATRAN中建立的某轿车驾驶员座椅骨架的有限元模型。对主要的吸能性部件——座椅头枕软垫进行有限元建模。根据国家标准规定，作用在头枕上的假头型应满足以下要求：头型质量等于6．8 kg，头捌直径为165 mm，基于此构建假头型的有限元模型。按座椅总成中的实际装配位置，将头枕软垫和假头型的有限元模型添加到座椅骨架总成有限元模型当中，最终生成用于座椅头枕动态特性研究的座椅总成有限元模型。

　　座椅骨架总成中各部件的结构形式可分为实体、壳体以及梁。根据座椅骨架在冲击下变形及材料特性，将各种杆件定义为弹性梁；将各种板、壳件定义为弹性壳体；将头枕软垫实体定义为带有迟滞效应的弹性泡沫。在获得以上有限元模型的基础上，进一步利用PAM—CRASH软件的前处理软件PAM-GENERIS进行计算模型定义。对于座椅这样复杂的薄壁板壳结构系统，在碰撞模拟分析时最常用的结构单元是三维板单元。少量用到梁单元和体单元。

　　3 动态特性分析

　　座椅头枕和靠背的动态特性在美国FMVSS-202中以及欧洲ECE—R17中都有明确规定，它要求当假头型质量为6．8 kg，直径为165 mm时。以25 ± 1 km／h的冲击速度，对座椅头枕规定部位进行前向或后向撞击(前向撞击沿水平方向向后移动假头型，后向撞击沿与水平方向成45°角向前撞击)，此时假头型加速度超过800 m／s2(80g)的连续作用时间不得超过3 ms，我国国家标准GB 15083—2006《汽车座椅、座椅固定装置及头枕强度要求和试验方法》中也做了类似规定。

　　头枕是用来限制乘员头部相对躯干向后移位的弹性装置。在发生碰撞时，可减轻乘员颈椎受到的损伤。尤其是在汽车发生追尾碰撞时。可抑制乘员头部后倾，防止或减轻颈部损伤。它是追尾碰撞中最常发生的一种伤害形式。当汽车尾部受到强烈撞击时，乘员头部对头枕产生很大的冲击力，其冲击方向近似为水平方向。统计资料表明：此时头部的运动速度可达25 km／h。在没有缓冲的情况下，头部与头枕之间的最大作用力可达890 N，即使是在有缓冲的情况下，乘员头部的运动加速度也可能超过800 m／s2。因此，法规要求：为保证乘员颈部不受伤害，在头枕缓冲作用下，头部超过800 m／s2的绝对连续作用时间不能超过3 m。头枕除了在突然启动和汽车追尾碰撞时受到乘员头部冲击之外，当紧急制动时，还会受到来自后排乘员头部的冲击，冲击点一般在头枕后上方，与水平方向成45°角。

　　在这个方向的缓冲性能要求与水平方向时相似，头部最大运动速度可达25 km／h。在此冲击速度下，头部超过800 m／s2的绝对连续作用时间不能超过3 ms，否则人体头部将不能适应。将某轿车驾驶员座椅总成固定到试验台上，用质量为6．8 kg，直径为165 mm的刚性头型(百分之95％男性头型)，沿水平方向将头型以25±1 km／h的速度向头枕的前面撞击，撞击点在座椅中心面上距头枕顶端，平行于躯干基准线向下65 mm处。此时假头型加速度时间历程曲线如图1所示。

图1 假头型加速度时间历程曲线

　　从图1可以看出：仿真分析获得的假头型加速度曲线的峰值为0．475 mm·ms-2，假头型f：的加速度最大值为484．7 m/s2(48．47g)，整个碰撞过程假头型与头枕软垫作用时间为20 ms，在7 ms左右出现第1个峰值，在8 m左右出现第2个峰值。整个碰撞过程中，加速度没有超过800 m／s2，满足法规中加速度超过800 m／s2的连续作用时间不超过3 ms的规定。

　　4 影响座椅动态特性的主要因素

　　4．1 头枕软垫材料的影响

　　汽车座椅头枕软垫材料特性是影响座椅动态特性的主要因素，分两组材料研究头枕软垫材料特性对动态特性的影响。第1组：以某轿车驾驶员座椅头枕(材料b)软垫实际材料特性曲线为依据，参照相关的聚氨酯泡沫塑料材料特性曲线构造两条虚拟特性曲线，分别用来代表较软(材料c)和较硬(材料a)两种聚氨酯泡沫材料特性，图2为3种材料的应力应变曲线，横坐标为应变，纵坐标为应力(kPa)。在座椅靠背刚度一定的情况下，按照GB 15083-2006要求(假头型的冲击速度为25±l km／h)，对座椅头枕冲击过程进行仿真分析，结果如图3所示。

　　由图3所示加速度特性曲线可知：在低速即假头型撞击速度为25 km／h时，利用较硬的材料a(mat_a)计算所得假头型上加速度曲线峰值较大，而利用较软的材料c(mat_c)计算所得假头型上加速度曲线峰值较小，这说明材料应力-应变特性曲线代表越“硬”的材料，反映在头型上的加速度曲线峰值越大。

图2 3种材料的应力应变曲线(第1组)

图3 3种材料的加速度曲线(第1组)

　　反之是否可以认为在低速时，材料特性越“软”，头型上加速度曲线峰值就越小，对人体头部的保护越有利呢?据此，选取第2组材料特性曲线进行研究，在整体趋势上第2组曲线代表软垫材料特性较第1组软垫材料特性要“软”的多，该组软垫材料特性曲线如图4所示。其中：sa代表的软垫材料最“硬”，sb次之，sc最“软”。

图4 3种材料的应力应变曲线(第2组)

　　同样在低速条件下，观察此时头型上加速度曲线变化趋势，图5所示为第2组软垫材料计算所得的加速度曲线。该组软垫材料虽然在特性上较第1组软垫材料要“软”，但反映在头型上加速度曲线的峰值没有减小反而增大了；而且，对该组曲线内部各个曲线进行比较发现：随着材料硬度的增加，头型加速度曲线峰值没有增加反而减小。

图5 3种材料的加速度曲线(第2组)

　　对两组软垫材料进行分析发现：发生以上现象主要是由于头枕软垫在正常情况下担负着吸收能量的作用，当材料变“软”时作用在头型上的加速度曲线峰值会随着头枕吸能能力提高而降低；但是当软垫变得太软时，头枕吸能能力大大降低，假头型所产生的冲击力相当于直接作用在头枕靠面和头枕骨架上，此时主要由头枕骨架以及靠背起吸能作用，必然导致头型上的加速度曲线峰值变大。如果在此基础上增加头枕软垫硬度，相当于提高头枕软垫的吸能能力，因此反映在头型上的加速度曲线峰值不但没有提高反而有所下降。通过以上分析可以得出以下结论：在低速时，头枕软垫材料“硬度”越小，假头型获得的加速度曲线峰值就越小，对人体越有利，即弹性特性“软”的软垫材料可以为乘员提供较好的保护。但头枕软垫材料也不能选择的过软，否则头枕软垫将失去吸能能力，在碰撞过程中使乘员头部直接与头枕靠面接触，对人体造成伤害。

　　4．2 靠背刚度的影响

　　为研究靠背刚度对座椅动态特性的影响，按照标准GB 11550—1995(汽车座椅头枕性能要求和试验方法》的要求，在头枕软垫材料一定的情况下，在不同靠背刚度下对座椅头枕动态特性进行仿真分析。图6所示为靠背刚度增加280 kN／m后，假头型上加速度曲线与原曲线对比。从图中可以发现：低速时增加靠背刚度会使头型加速度曲线峰值增大，对乘员不利，因此，在低速时采用较软的靠背为宜，即柔性靠背。但在高速撞击条件下，靠背对头型加速度曲线峰值的影响有所不同(在图6和图7中，mat_b表示原曲线，mat_b_strenth表示加强后的曲线)。

图6 低速碰撞时靠背刚度的影响

　　将碰撞速度由标准GB 11550-1995中的25 km／h提高到60km／h后得到1组高速碰撞时假头型加速度曲线，如图7所示。其中靠背刚度加强后加速度曲线峰值比原始刚度的加速度曲线峰值要低，也就是说乘员头部受伤害的可能性降低了。从另一个角度来看，在高速碰撞时靠背刚度小的座椅对人体是不利的，因为在高速碰撞过程中，只有保证乘员躯干竖直，使胸部与头部的速度差不至于过大。才能减小对颈部造成的伤害。因此，在高速时应该采用靠背刚度较大的座椅，即刚性靠背。

图7 高速碰撞时靠背刚度的影响

　　由此可得出以下结论：在低速碰撞时随靠背刚度增大，作用在假头型上的加速度曲线峰值也越大。对乘员安全越不利，因此，在低速碰撞时，采用柔性靠背为宜；反之。在高速碰撞时靠背刚度增大，作用在假头型上的加速度曲线峰值减小，对乘员安全有利，因此，在高速碰撞时，采用刚性靠背为宜。

　　5 结论

　　基于PAM—CRASH软件，以某轿车驾驶员座椅为例。建立座椅骨架、头枕及假头型的有限元模型，讨论座椅头枕和靠背在不同冲击载荷作用条件下，反映在假头型上的加速度特性曲线形状，以及讨论座椅头枕软垫材料特性及座椅靠背刚度对座椅动态特性的影响。

　　在座椅靠背刚度一定的情况下，低速时(冲击速度25 km／h时)，头枕软垫材料“硬度”越小，假头型获得的加速度曲线峰值就越小，对人体越有利，即弹性特性“软”的软垫材料可以为乘员提供较好的保护。但头枕软垫材料也不能选择的过软，否则头枕软垫将失去吸能能力，在碰撞过程中使乘员头部直接与头枕靠面接触，对人体造成伤害。

　　在头枕软垫材料一定的情况下，低速时，座椅靠背刚度加强。作用在假头型上的加速度曲线峰值逐渐增大，但在高速时(冲击速度60 km／h时)，座椅靠背刚度加强，作用在假头型上的加速度曲线峰值逐渐下降。表明了在低速冲击下。靠背刚度的加强，不利于人体的乘坐安全，而在高速冲击下，靠背刚度的加强，有利于人体的乘坐安全。

转载：感谢您对网站平台的认可，以及对我们原创作品以及文章的青睐，非常欢迎各位朋友分享到个人站长或者朋友圈，但转载请说明文章出处。