1、一、前言 汽车座椅碰撞试验的研究意义主要在于：当高速碰撞发生时，椅子结构不被破坏，乘员不会受到伤害。一般每个国家都有其各自的国家标准，椅子作为汽车中与乘客关系最为密切的部件，更因为其安全性的重要，而受到广泛关注。目前，欧美各国，有限元分析已成为汽车座椅设计阶段的重要辅助设计手段，对于真实试验的仿真模拟，提供结构改进意见。本文所阐述的碰撞试验，是利用两个试验块分别模拟人的胸部和腰部，将其用安全带固定在椅子上，施加外力，模拟汽车发生前碰撞的时候，人和椅子自身对于椅子的作用力。由于试验模拟的是瞬间碰撞过程，所以运用LS-DYNA来计算，能达到比较理想的结果。通常情况下，完成一把椅子的分析，需要由建模
2、、分析计算到后处理，三个主要部分，大约需要三到四周的时间。构建一把椅子的有限元模型，大约要有十万个节点和二十万个单元，这样一个普通双cpu服务器大约要算三十个小时。这是一般客户能接受的时间。有时客户还会需要缩短时间，得到一个较粗糙，但是可接受的结果。本文论述的这个分析，正是在客户的要求下，为了缩短分析周期，改用 Abaqus软件计算，同时用Beam单元（一维单元）建模。通过简化模型，不考虑接触的影响，对某座椅系统进行了有限元计算分析。这样大大减少了建模时间，计算时间也减小到一个小时左右。客户最关心的重点是椅子下边用来传力的四连杆机构，通过分析计算得到杆件的截面应力以及弯矩，判断失效情况，来指导
3、结构设计。图1 椅子CAD图 图2 四连杆机构二、 分析过程 2.1 问题描述 某汽车座椅的四连杆机构是一全新的设计，为了改进这一座椅系统四连杆机构的设计方案，通过建模控制整体的解题规模，并达到了优化设计的目的，建立了如下座椅系统Beam模型。计算条件和简化情况如下：1、基于Beam单元建模；2、材料常数：泊松比=0.3，弹性模量 206Gpa；3、四连杆机构采用弹塑性材料，其他的采用弹性材料；4、载荷的选取基于LS-DYNA的简化碰撞试验分析得到；5、解算器：Abaqus/Standard。2.2 分析步骤 步骤一 ：建立有限元模型 座椅背板用尺寸单元20mm较粗的壳体单元模拟，其他用Bea
4、m单元建模。BEAM GENERAL SECTION选项定义的Beam单元，不依赖于任何MATERAL CARD，只适用线弹性材料。BEAM SECTION选项定义的Beam单元，能够赋Beam单元弹塑性材料。特别对于四连杆机构，创建Beam单元使用BEAM SECTION选项，选用ARBITRARY项，通过选择特征点构建截面，指定截面的形状和尺寸，并赋弹塑性材料， 而不使用BEAM GENERAL SECTION选项。四连杆机构要准确的计算它的截面常数，因为只能创建等截面的Beam单元，所以把结构件尽可能多的划分截面，就能得到最理想的结果。图3 四连杆机构杆件1 图4杆件1有限元模型杆件1的
5、截面是一种规则的截面，用同一截面Beam单元就能模拟，杆件1用十个Beam单元B31模拟。注意Beam单元要通过局部坐标系的原点，见图5。图5杆件1 BEAM SECTION 卡杆件2的截面是一种不规则的截面，杆件用多个不同截面Beam单元来模拟，杆件2用十个Beam单元B31模拟。图6 四连杆机构杆件2图7 杆件2有限元模型座椅的其他部件都采用上述方法模拟，计算截面建立如下模型。整个模型总计2884个单元，节点数为2817。图8 座椅的有限元模型步骤二：定义材料性质 四连杆机构采用弹塑性的J2340_550XF材料，背板的壳体单元和其他部件的Beam单元都赋给弹性材料。弹塑性材料J2340_
6、550XF的应力与应变图如下：图9 J2340_550XF的应力与应变图步骤三：载荷的确定 先用LS-DYNA进行碰撞试验分析，这一计算主要为了得到每个安全带作用点的载荷，用刚体来模拟座垫和靠背，设置碰撞试验模型，得到每点的载荷。这样提取得载荷接近于碰撞试验数据。图10 座垫和靠背刚体模拟图图11 碰撞试验分析载荷步骤四：用ABAQUS进行座椅碰撞试验分析 在ABAQUS的Beam模型中，在安全带固定点施加载荷。并施加边界条件。在这里我们关心Recliner部件的螺栓的截面力和扭矩。四连杆机构杆件的截面力，弯矩和截面应变。图12 ABAQUS的碰撞试验有限元模型图13 碰撞试验分析的四连杆机构
7、在OUTPUT中输出下面内容：a. reaction forces （RF） b. beam section force and moment （SF, SM） c. beam section strain （SE） 步骤五：分析运算 解算器选取Abaqus/Standard。使用本文的简化模型可以用很少的一维单元来模拟椅子，故计算速度比用LS-DYNA分析的碰撞试验模型快很多。一个模型在一小时内即可完成。三、 结果分析 在最大在100%载荷情况下，变形图。ISO view Side viewTop view Front view 图14 椅子变形图（100% Load）椅子的Recliner
8、部位是一关键部位，Recliner部位的螺栓在碰撞试验中要承受很大的扭矩。关注Recliner部位的螺栓的扭矩值，这是评定椅子的一个重要数据。图15 recliner beam图16 Recliner Bolts Forces这里给出中间四连杆机构杆件的分析。通过观察在100%载荷下的变形情况，机构没有失稳。这里四杆件厚度均为3.5 mm 。OriginDeformation 图17 中间四连杆机构的变形图（100% Load）再取中间的四连杆机构中的一部件进行简要分析。图18 middle lower link bracket图19 截面图所示截面特性：A= 343.15 （mm2） y1=
9、20, z1=33.5;Iy= 87524.5 （mm4）y2= 17.7, z2= 0;Iz= 85235.4 （mm4） y3=-17.7, z3= 0;Iyz= 0 （mm4） 在dat 文件中可得到此截面在100%载荷下的截面力：Axial Force: N = 129660 ;Torque x: T = 5.0889E+06 ;Moment y: My = 2.0116E+05;Moment z: Mz = 3294. 也可算出各点的应力：通过得到的数据，运用材料力学知识计算，可以评估四连杆机构的性能。本试验中此杆件没有失效和失稳。随着对模型结构进行改进，可以得到更精确的模型。改变四连杆的杆件厚度和截面形状，通过模型分析，得到合理的初次设计。四 、结论 1、仔细分析椅子零部件的几何结构，选取恰当的截面，建立Beam单元，是模型构建的关键。Beam单元简化模型，应考虑与椅子实际结构的相符性。2、这种Beam单元简化模型分析方法有明显的优越性。Beam模型即降低了模型规模，且容易收敛，减少了计算时间，同时又保证一定的准确度。3、通过本次分析，我们能够体会得到Abaqus软件Beam单元简化模型可以用于初期设计的方案选择。简化模型可以优化设计，节省设计成本。可以定性的指导设计，改进设计方案。（end）
