头枕静强度CAE分析
汽车座椅头枕强制性试验影响因素分析
汽车座椅头枕强制性试验影响因素分析发布时间：2021-07-08T07:33:38.938Z 来源：《中国科技人才》2021年第11期作者：王月刘于[导读] 座椅是汽车上与乘员接触最为紧密的零部件之一，能够为乘员提供舒适的驾乘感受，更为重要的是保证车辆行驶过程中或遭遇事故时车内乘员的安全，最大限度减少乘员所受到的伤害"。
诺博汽车系统有限公司河北省保定市 071000摘要：汽车座椅是乘员约束系统的至关重要的组成部分，起到保障乘员安全性和舒适性方面的重要作用。
伴随着汽车技术的迅速发展以及人们对汽车性能需求的不断提升，从而对汽车座椅的要求也在不断增加。
座椅及头枕主要作用是为乘员提供舒适的乘坐环境、支撑乘员重心。
与此同时，在车辆发生事故时候，可以防止乘员受到伤害或者把伤害降到最低。
所以，汽车座椅以及头枕性能的质量好坏可以直接影响到车内乘员在发生碰撞事故过程中的人的安全。
所以，汽车座椅及头枕性能- -直是国家重点要求的强制性检验项目，当下国际社会都建立了相应的标准法律法规去保障其稳定性和安全性。
关键词：汽车座椅头枕；强制性试验；影响因素引言：座椅是汽车上与乘员接触最为紧密的零部件之一，能够为乘员提供舒适的驾乘感受，更为重要的是保证车辆行驶过程中或遭遇事故时车内乘员的安全，最大限度减少乘员所受到的伤害"。
特别是座椅头枕，除了提供乘员头枕支撑，减缓乘员乘坐疲劳外，在车辆发生碰撞时，可以有效减轻乘员颈椎受到的损伤，对于保护乘员头部和颈部的安全起着至关重要的作用。
因此，座椅头枕作为重要的安全部件，国家认监委规定对座椅头枕实行强制性检验。
目前针对座椅头枕的国家标准主要有GB1 5083-2006《汽车座椅、座椅固定装置及头枕强度要求和试验方法》、CB11550-2009《汽车座椅头枕强度要求和试验方法》。
这两个标准中，除了对头枕的外观和尺寸的要求外，主要的两项试验为头枕静态强度试验和头枕能量吸收性试验，目的在于考察头枕在受到人体头部冲击时，对乘员头部保护效果以及对座椅结构，调节和锁止功能的影响，是评价头枕安全性能的最基本要求[”。
《汽车座椅、座椅固定装置及枕强度要求和试验方法
长春汽车检测中心
07－固定强度 a. 安装在车底板上的座椅总成，通过座椅质心，分别承受水平 向前和向后各施加的相当于座椅总成重量20倍的负荷，座椅总成和 车身本体不得分离。对于可调试座椅，其调节装置在试验中应能使 座椅保持原调节位置，但试验后调节装置允许失去调节功能。在座 椅背面有防止座椅后退的结构件时，对座椅可进行向前加载。 b. 对于向前座椅，当汽车安全带安装固定点在座椅上时，要求 在对座椅施加20倍座椅总成重量负荷的同时，还要按国GB14167《汽 车安全带安装固定点》中的有关规定在加13500±200N的负荷, 因为 在这种情况下安全带固定点受到的负荷也同时加到座椅固定点上,此 时对座椅的要求仍与a中规定一致。 c. 对铰链式可翻转座椅，通过座椅质心，沿水平方向只向前施 加相当于座椅总成重量20倍的负荷。座椅总成与车身本体不得分离。
07－04－04
• 编制原则： • 1、采用国际先进的汽车座椅系统技术法 规和安全标准； • 2、标准的编写按照GB/T1.1－2002《标 准化工作导则 第一部分：标准的结构和 编写规则》； • 3、在深入调研的基础上，吸收和听取汽 车主机厂和座椅生产企业等有关座椅的 科研、设计、制造、使用和管理等各相 关部门的意见。
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07－04－04
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3）在技术要求方面： a． 一般技术要求： 首先标准中与原标准修订前一致，强调了座椅调节 装置和移位装置方面的要求，但比原标准规定的更具体 和更有操作性。对M1类和M2、M3和N类汽车座椅分别进 行技术要求方面的详细说明。并对座椅背面部件按区域 规定了具体要求；对不适用于一些特殊座椅和部件的情 况作了具体解释说明。即“不适用于：表面凸起部分的 突出高度小于3.2mm，且突出高度不超过突出部分宽度一 半的区域；最后排座椅和背对背安装的座椅；位于通过 该排座椅最低R点的水平平面以下的座椅靠背部分（如果 每排座椅高低不同，则从后排座椅起，该水平面应通过 前排座椅的“R”点，在垂直方向或高或低形成一个台阶） 以及“柔性金属网”部件”。 长春汽车检测中心
应用Hypermesh软件进行汽车座椅强度及碰撞仿真分析
应用Hypermesh软件进行汽车座椅强度及碰撞仿真分析随着汽车工业现代化技术的发展，汽车广泛的进入人们生活中，而汽车座椅做为与人体直接接触的部件，其舒适性和安全性的重要程度是不言而喻的。
本文应用Hypermesh软件对汽车座椅静强度及碰撞及逆行有限元仿真分析，以供参考。
标签：汽车座椅；强度；碰撞；有限元仿真分析引言近年来，随着汽车保有量的增加，汽车道路交通事故呈逐年上升趋势。
在这些事故中，座椅作为减少损伤的安全部件对乘员起到了决定性的保护作用，使其成为汽车安全性研究中的重要部件。
采用有限元仿真技术，对座椅靠背进行静强度以及碰撞冲击强度分析，可减少开发过程中设计、试验、分析和评价循环的成本，缩短研究时间。
GB15083-2006标准中要求：当座椅处于制造厂所规定的正常使用位置时，构成行李舱的座椅靠背或头枕应具有足够的强度以保护乘员不因行李的前移而受到伤害。
试验的过程中及试验后，如果座椅及其锁止装置仍保持在原位置，则认为满足此要求。
一、汽车座椅有限元模型的建立（一）、搭建模型：用Hypermesh中的提取中面功能，抽取中面建立有限元模型，搭建被测汽车座椅骨架模型和地板模型，在不影响正常分析结果的前提下适当简化了运算模型，见图1。
图1 座椅强度分析的有限元模型其中座椅骨架采用壳单元进行网格划分，采用单元长度基准为10mm、最小单元长度不小于5mm、最大单元长度不大于13mm的规则来划分网格。
各钣金件之间的焊点和螺栓用刚性连接模拟。
建立的有限元模型共有节点个28640，壳单元23477个，体单元7718个，刚性连接694个。
利用ANSA软件LS-DYNA 模块对图1所示模型进行边界条件的加载及其属性（材料参数和厚度）定义，其中座椅骨架所用材料及厚度、直径见表1。
模型的加载过程按照标准GB15083-2006中的要求进行，发生碰撞前，行李箱模块以50km/h的初速度做减速运动，减速度为20g。
表1 座椅骨架材料（二）、边界条件的确定在进行座椅强度分析时，根据座椅与车身地板的连接形式和安装位置，在座椅骨架中锁柄连接处以及靠背与车身地面的铰接处施加约束。
catia静强度有限元分析1
CATIA静强度有限元分析
（5）定义属性 通过3D Property按钮给转向管柱赋予3D实体属性。在Supports一栏
里选择实体并点击OK确认。
14
CATIA静强度有限元分析
（6）定义约束 通过Clamp按钮在转向管柱下端选择如图所示曲面来施加全约束。
15
CATIA静强度有限元分析
（7）施加载荷 通过Moment按钮，选择转向管柱的花键连接部分的曲面，如下图所
CATIA软件在机械设计方面功能强大，但机械设计只是软件功能的一部 分。对于机械设计工程师来说，在设计完成产品中，对于产品能否满足强 度要求，能否满足各种行业标准和规范的要求，就需要对设计的产品进行 强度分析。
CATIA软件此方面的功能特别有助于新产品的开发。对于新的设计模型， 设计者可以方便地了解结构的应力分布情况，随时修改结构。
59
一、实体零件分析方法
CATIA静强度有限元分析
[开始-分析与模拟-Generative Structural Analysis（通用求解器）]，弹出的模 块选择静力分析，并确定。
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CATIA静强度有限元分析
（1）装配体模型加载：
打开悬置支架Product产品模型，由于可以用接触关系模拟螺栓连接，选择所有 的螺栓及螺母，然后隐藏。
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CATIA静强度有限元分析
（2）定义属性和材料
选择 命令，弹出下图所示对话框，选择Metal下的Steel材料，单击OK。
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CATIA静强度有限元分析
（2）定义属性和材料
单击 （3D Property） 命令，弹出下图所示对话框，在绘图窗口选择悬置支
架实体，在Supports中显示在1 Body(on Publication),表示悬置支架已选中；激
轿车驾驶员座椅骨架强度的有限元仿真分析
轿车驾驶员座椅骨架强度的有限元仿真分析孙丹丹姚为民（吉林大学汽车工程学院）摘要：在座椅骨架的强度分析中应用运算机仿真方式能够有效地降低开发本钱、缩短开发周期。
本文要紧针对某轿车驾驶员座椅骨架的强度和头枕的后移量进行了仿真分析，在研究的进程中利用公司的有限元前、后处置软件和有限元分析软件进行建模、仿真分析和结果处置，并通过实验对仿真分析的结果进行了校验。
关键词：轿车座椅骨架有限元分析1.结构的几何模型该轿车驾驶员座椅骨架的几何模型是对其座椅骨架的零部件进行分析、测量、简化后，在提供的几何建模模块中构建完成的。
第一考虑简化座椅骨架中对强度阻碍很小的部份，这部份结构的特点是形状较为复杂，构建几何模型时可能会有必然的困难，但在整个座椅系统中又是不可缺少的，如盆形底座中的孔结构,在整个座垫骨架总成中要紧起到减轻结构重量的作用，对座椅骨架的强度大体没有阻碍，因此，在进行强度分析时能够临时不考虑；还有一些零部件的设计只是知足结构上的需要，对强度的阻碍也很小，咱们以为这部份结构能够进行适当的简化，如靠背侧梁上的一些翻边和圆孔，要紧辅助靠背的横、竖钢丝和弹簧与侧梁的连接，对结构强度的阻碍也很小，因此该部份结构在作强度分析时也能够作适当的简化；另外，靠背骨架总成中的横、竖钢丝和弹簧元件对座椅的强度阻碍不大，能够将该部份结构在建模时忽略。
第二，座椅骨架中一些小的过渡圆角结构，若是在构建几何模型时将其考虑到模型中，那么在成立有限元模型时就可能产生一些质量较差的单元，因此能够在构建几何模型时不考虑这部份结构，而是在成立有限元模型时进行补充，如此处置一方面能够减轻几何建模的工作量，同时也能够减少在划分有限单元时由于孔洞结构带来的质量较差的单元，这对提高计算精度也很成心义。
2.结构的有限元模型中的有限元模块，为用户提供了丰硕的单元库，对不同的结构如杆、梁、板、实体进行有限元概念十分方便。
本文研究的座椅骨架主若是由诸多薄板件和长管结构件焊接而成的，在利用进程中常常会受到弯曲力和剪切力的作用，因此在进行有限元模型概念时要紧采纳SHELL板单元和BEAM梁单元。
CAE分析要求
序号
内容 结果
1 机构强度：在限制换出的所有档位上，通过操纵杆上的测量点P，沿选档和换档方向上分别施加400N的拉力，均保持5s
后在释放拉力；重复此过程两次；样件无影响功能的损坏和
变形，观察运动部件动作是否灵活、有无卡滞、无异响现象。
2
静态强度：
将手动变速操纵机构水平固定在支座上；
拉线负载（50±3）N；
分别在X方向和Y方向用300N的力冲击；
试验次数：一次（前后左右四个方向分别做一次）
换档零件不出现永久变形、破坏或功能障碍 3
重载强度: a) 将手动变速操纵机构水平固定在支座上，将换档杆
刚性固定在空挡位置；
b) 在X方向施加300N的力，在Y方向施加200N的力冲
击；
c) 试验次数：一次（前后左右四个方向分别做一次）；
换档零件不出现永久变形、破坏或功能障碍。
运用CAE技术进行机械结构的强度分析
运用CAE技术进行机械结构的强度分析随着现代工程技术的不断发展，计算机辅助工程（CAE）技术在机械结构的设计与分析中扮演着重要的角色。
特别是在机械结构的强度分析方面，CAE技术能够提供更加精确和可靠的分析结果，帮助工程师优化设计、提高安全性和降低成本。
本文将介绍运用CAE技术进行机械结构强度分析的基本原理和常见方法。
一、CAE技术概述CAE技术是通过计算机模拟工程系统的行为和性能的一种工程分析方法。
它采用了数值计算方法，通过对结构的数学建模和计算求解，得到结构的力学响应、变形和应力等相关信息。
CAE技术的主要应用领域包括结构分析、热分析、流体分析和振动分析等。
在机械结构的强度分析中，CAE技术通过建立结构的有限元模型，通过求解有限元方程，分析结构在外部载荷作用下的响应和性能。
通过这种方法，工程师能够获得结构的应力分布、变形量以及其他相关参数，从而判断结构在工作条件下的强度和可靠性。
二、CAE技术在机械结构强度分析中的应用1. 有限元建模在进行机械结构的强度分析前，首先需要建立合适的有限元模型。
有限元模型是结构和载荷的数学化表示，它是进行强度分析的基础。
在建立有限元模型时，需要考虑结构的几何形状、材料特性以及约束和载荷条件等因素。
通过将结构划分为若干离散的单元，然后根据其几何形状和边界条件等，将结构划分为三角形单元、四边形单元或其他形状的单元。
有限元建模的精度和适用性对强度分析结果的准确性有着重要的影响。
2. 边界条件和载荷定义在进行机械结构强度分析时，需要定义合适的边界条件和载荷。
边界条件包括结构的约束条件，如支撑点或固定点；载荷包括结构所受到的静载荷、动载荷以及热载荷等。
合理的边界条件和载荷定义对于准确的强度分析结果至关重要。
在定义载荷时，还需要考虑载荷的大小、方向和作用持续时间等因素。
3. 线性静力学分析线性静力学分析是机械结构强度分析的基础。
在进行线性静力学分析时，假设结构的应力-应变关系满足线性弹性，载荷是静载荷，并且结构的变形较小。
驾座头枕静强度有限元分析报告
右靠背边板的应力/应变图T=1.2mm
材料： QSTE420 屈服强度：420MPa 极限应力：556.8MPa 极限应变：14.8%
左靠背边板的应力/应变图T=1.2mm
材料： QSTE420 屈服强度：420MPa 极限应力：556.8MPa 极限应变：14.8%
结论
从以上分析计算结果表明，在靠背施加373Nm的载荷后，头型施力 373Nm情况下，头型和泡沫的接触点相对于基准线距离为为65.7mm （见第10页、 第11页 ）, 没有超过102mm！但加力至890N时，头枕 杆弯曲严重，其强度存在风险，建议更换材料。
300ms时,没发现骨 架破坏，但变形很大， 头型有滑出的风险。
头枕杆的应力/应变图（空心杆D12-2mm） 此杆严重弯曲，有风险存在！
材料： Q195 屈服强度：195MPa 极限应力：415.8MPa 极限应变：27.8%
背框管的应力/应变图（空心杆D25-1.5mm）
材料： Q235 屈服强度：235MPa 极限应力：472.5MPa 极限应变：23.1%
前座静强度有限元分析报告 GB11550-2009
加载示意图
373Nm后增到890N
373Nm
820mm
65mm
人体模型靠背加载曲线
100%
加载曲线 (作用在头型上的力）
890N
195%
施力460N,相当于373Nm
100%
整个座椅的变形过程（动画）
头枕在受力时的变化情况（动画）
整个座椅骨架的变形过程（动画）
另：从以往的经验来看，本座椅较高，请确认是否和车身顶部校验过 ，是否有功能上的干涉？
骨架在受力时的变化情况（动画）
Hale Waihona Puke 靠背施加373Nm时状态100ms时，靠背 施加力矩373Nm结束。
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最大塑性应变出现在左侧靠 背支架处，应变值为：2.2%
Max. plastic strain: 2.2%
分析结果(Analysis Results)
头枕杆的应力应变图（Stress and Strain ）：
真实屈服应力 Yield Strength
0.015
最大应变没有超过极限值，零件没有损坏。 Effective plastic strain not exceeding the ultimate value throughout the thickness. No Risk.
分析结果动画：(Analysis Results)
Left
Right
谢谢！
Platform Model Year
Status
Report No.
中排座椅头枕静强度CAE分析
Middle Seat Headrest Strength Analysis Report
For Decision For Information/Update For Reference
Version 01
分析目的(Purpose)
考察中排座椅头枕静强度性能(To Assess Middle Seat Headrest Strength)
分析工况(Load Case)
基础模型的中排座椅头枕静强度性能(Middle Seat Headrest Strength Analysis for Base Model)
≥ 1.1*Target
Unacceptable
CAE 分析结果总结 (CAE Results Summary)
中排座椅头枕杆与靠背骨架最大塑性应变为2.2%，能满足目标要求。 头型的移动距离X=120.8mm，超过目标值102mm，不能满足目标要求。
建议通过加强材料或者料厚，来增强头枕杆与靠背骨架的强度，以达 到提升头枕杆抗弯性能的目的。
真实极限应力 True UTS
真实极限塑性应变 True Plastic Strain
235MPa 500MPa
0.05
结果应力应变值 Results
零件最大应力 Max. stress in component 329.2MPa
零件最大应变 Max. strain in component
0.003
FE Model
12.49 63137 109109
FE模型信息 (Information of FE Model)
FE模型 (FE Model)
中排座椅头枕静强度CAE分析目标(CAE Target of Front Seat Headrest Strength Analysis)
考察项目 (Items)
Iso
分析结果动画：(Analysis Results)
应力（Stress）
应变（Strain）
分析结果：头型位移量(Analysis Results)
F=503N
F=890N
中排头枕静强度头型位移量
Animation
分析结果 (Analysis Results)
调角器扭矩曲线(Recliner Torsion Plot):
GB15083-2006规定的F=890N
F=503N~890N
F=1828N
中排座椅头枕静强度分析模型描述 (FE Model Setup)
FE模型信息 (Information of FE Model)：
模型质量 Total Mass [kg]
模型节点数 Node Number
模型单元数 Element Number
分析结果(Analysis Results)
考察项目 (Items)
头枕杆与靠背骨架最大塑性应变 Max plastic strain
Middle Seat 2.2%
头型的移动距离X(mm)
120.8
Target <15% <102
≤ Target Good
≤ 1.1*Target Warning
最大应变没有超过极限值，零件没有损坏。 Effective plastic strain not exceeding the ultimate value throughout the thickness. No Risk.
分析结果(Analysis Results)
靠背骨架的应力应变图（Stress and Strain ）：
中排座椅头枕静强度分析模型描述 (FE Model Setup)
材料：考虑材料的应变率(To Consider the Strain Rate for Material) 假人模块躯干相对于座椅R点，扭矩为530N.m，转化为1828N的Force 假人模块头型相对于座椅R点，扭矩为373N.m，转化为503N的Force,并加载至
真实屈服应力 Yield Strength塑性应变 True Plastic Strain
235MPa 500MPa
0.05
结果应力应变值 Results
零件最大应力 Max. stress in component 397.6MPa
零件最大应变 Max. strain in component
头枕杆与靠背骨架最大塑性应变 Max plastic strain
头型的移动距离X(mm)
Target <15% <102
分析结果(Analysis Results)
最大应力应变的零件： Max. Stress and Strain Parts
最大应力出现在左侧下滑轨 处，应力值为：564.026Mpa
内容(Contents)
FE模型创建(FE Model Setup) CAE分析目标(CAE Targets) CAE分析结果(CAE Results)
➢ 能量检查(Energy Checking) ➢ 分析结果(Results) ➢ 分析结果总结(CAE Results Summary)