長(zhǎng)纖維復(fù)合材料乘用車后排座椅骨架輕量化設(shè)計(jì)

摘要:
以某款乘用車后排座椅骨架為例，采用長(zhǎng)纖維復(fù)合材料（LFT）替換金屬，在其初始結(jié)構(gòu)無法滿足GB15083-2006法規(guī)要求的前提下，采用拓?fù)鋬?yōu)化方法分析座椅骨架的重點(diǎn)設(shè)計(jì)區(qū)域和傳力路徑，提出采用長(zhǎng)纖維復(fù)合材料的座椅骨架新結(jié)構(gòu)，并利用CAE 仿真技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，新結(jié)構(gòu)不僅能很好地滿足法規(guī)要求，且質(zhì)量相對(duì)金屬結(jié)構(gòu)減輕了約10 %，輕量化效果明顯。
主題詞:
乘用車后排座椅輕量化復(fù)合材料拓?fù)鋬?yōu)化

前言

長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性（Long Fiber Thermoplastic，LFT）復(fù)合材料是由增強(qiáng)纖維和各種熱塑性塑料組成的具有可回收性和良好力學(xué)性能的一種復(fù)合材料。隨著汽車輕量化要求的不斷提高，LFT材料已經(jīng)越來越多地成為金屬材料的替代品。

本文以某款乘用車后排座椅骨架為研究對(duì)象，采用纖維含量為50 %的長(zhǎng)玻璃纖維-聚丙烯復(fù)合材料替換傳統(tǒng)的金屬材料，參照GB15083-2006中行李沖擊臺(tái)車試驗(yàn)的要求，利用試驗(yàn)和有限元仿真方法研究了初始LFT座椅骨架的抗沖擊性能，并進(jìn)行LFT座椅骨架的拓?fù)鋬?yōu)化，根據(jù)得到的沖擊力傳遞路徑和材料分布結(jié)果提出了座椅結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，使其能在滿足法規(guī)抗撞性要求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了輕量化目標(biāo)。

LTF 復(fù)合材料特點(diǎn)與座椅抗撞性要求

LFT復(fù)合材料在工程中一般采用長(zhǎng)度為10~90 mm或連續(xù)不斷的玻璃纖維作為增強(qiáng)體，具有更好的力學(xué)性能，能夠應(yīng)用在對(duì)承載能力要求更高的零部件上。在汽車工業(yè)中，LFT復(fù)合材料已經(jīng)在汽車防撞梁、前端模塊、儀表盤骨架、車門中間承載板、座椅骨架板等結(jié)構(gòu)件和半結(jié)構(gòu)件中得到廣泛應(yīng)用。德國(guó)大眾公司一款車型的前端模塊最初采用金屬制造，零件數(shù)量為7個(gè)，質(zhì)量為9.5 kg，而采用LFT工藝成型后，零件數(shù)量減至1個(gè)，產(chǎn)品質(zhì)量約3 kg。

GB15083—2006中《行李位移乘客防護(hù)裝置的試驗(yàn)方法》對(duì)于汽車后排座椅沖擊強(qiáng)度的認(rèn)證規(guī)定采用臺(tái)車試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行座椅的沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)樣塊尺寸為300 mm×300 mm×300 mm，棱邊倒角為20 mm，質(zhì)量為18 kg。試驗(yàn)樣塊放置于行李艙的地板上，縱向與骨架有200 mm 的水平距離，兩試驗(yàn)樣塊之間有50 mm 的橫向距離，安放位置如圖1所示。



試驗(yàn)過程中及試驗(yàn)后，若座椅及靠背鎖仍保持在原來位置，則認(rèn)為滿足要求。在試驗(yàn)期間，允許座椅骨架及其緊固件變形，條件是試驗(yàn)骨架和頭枕部分的前輪廓不能向前方超出一橫向垂面，此平面經(jīng)過座椅R點(diǎn)前方100 mm處的點(diǎn)（對(duì)座椅骨架部分）。

初始座椅骨架結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)測(cè)試與性能分析

根據(jù)已有的座椅設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，提出了初始的后排座椅骨架結(jié)構(gòu)，并加工出樣件進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試。該骨架為分體式結(jié)構(gòu)，由60 %座椅骨架和40 %座椅骨架兩部分組成，頂端通過中心鎖與臺(tái)車相連，底部通過中間與兩側(cè)的支架與臺(tái)車相連接。參照GB15083-2006中行李沖擊試驗(yàn)的要求，將兩個(gè)行李塊布置在臺(tái)車上，臺(tái)車所施加的減速度曲線如圖2所示。



沖擊試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，座椅骨架上連接鉸鏈的區(qū)域由于設(shè)置了加強(qiáng)筋，在碰撞過程中完整性較好，但座椅骨架上與行李接觸的部分出現(xiàn)斷裂破壞，因此初始結(jié)構(gòu)未能滿足法規(guī)要求。為進(jìn)一步研究初始骨架結(jié)構(gòu)的抗撞性與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，本文通過非線性大變形有限元分析軟件Ls-Dyna建立了行李沖擊試驗(yàn)的動(dòng)態(tài)仿真模型。目前，由于LFT復(fù)合材料的力學(xué)性能受纖維方向的影響并且在斷裂破壞過程中出現(xiàn)多種失效形式（例如纖維斷裂、基體破碎、纖維和基體的撕裂以及分層等），CAE仿真技術(shù)很難對(duì)其各個(gè)方向的力學(xué)特性和破壞失效進(jìn)行模擬[3]。為了及時(shí)對(duì)初始結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，本文對(duì)LFT材料進(jìn)行了簡(jiǎn)化，采用軟件中24號(hào)彈- 塑性材料模型（*MAT_PIECWISE_LIN?EAR_PLASTICITY）來模擬，輸入的材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線由LFT復(fù)合材料試件的拉伸試驗(yàn)獲得，如圖4所示，同時(shí)設(shè)置失效塑性應(yīng)變EPPF來判斷材料破壞情況。



由圖3可知，試驗(yàn)樣塊與座椅骨架在65 ms時(shí)發(fā)生接觸；在71 ms與77 ms時(shí)，40 %座椅骨架與60 %座椅骨架分別出現(xiàn)破裂；在84 ms 時(shí)，整個(gè)座椅骨架徹底斷裂。對(duì)比試驗(yàn)錄像可見，破壞位置及發(fā)生時(shí)刻與試驗(yàn)基本相同。簡(jiǎn)化后的材料模型和邊界加載條件可以有效模擬行李沖擊試驗(yàn)。本文同時(shí)計(jì)算了不同骨架厚度的仿真模型，發(fā)現(xiàn)當(dāng)骨架厚度為15 mm時(shí)，座椅骨架能夠滿足法規(guī)要求，但質(zhì)量達(dá)到16.4 kg，超過一般金屬骨架質(zhì)量（10~12 kg[4]），所以需要對(duì)LFT復(fù)合材料座椅骨架結(jié)構(gòu)同時(shí)進(jìn)行抗撞性和輕量化設(shè)計(jì)。



LFT 座椅骨架結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化與改進(jìn)設(shè)計(jì)

本文采用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)對(duì)LFT座椅骨架在行李沖擊工況下的力傳遞路徑進(jìn)行分析，以獲得合理的材料分布信息，進(jìn)而有針對(duì)性地提出LFT座椅骨架改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。將座椅骨架有限元模型的幾何尺寸和局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖5所示，60 %、40 %座椅骨架主體簡(jiǎn)化為長(zhǎng)方形平板，寬度×高度×厚度尺寸分別為649 mm×610 mm×12 mm和370 mm×610 mm×12 mm。骨架頂端與臺(tái)車連接位置簡(jiǎn)化成長(zhǎng)方形并預(yù)留出中心鎖固定凹槽，底端的外支架和中支架結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了相應(yīng)簡(jiǎn)化。骨架結(jié)構(gòu)利用1D單元模擬螺栓和鉸鏈的連接，對(duì)兩塊座椅骨架頂端中心鎖、底部固定鉸鏈處的自由度共設(shè)置了6個(gè)約束。該模型采用靜力加載工況，從加厚至15 mm的初始座椅骨架模型中提取出行李與骨架X、Z向接觸反力曲線并將其峰值作為加載載荷（其中FX為35 kN，F(xiàn)Z為23 kN），均勻布置到骨架上行李塊接觸的位置。模型設(shè)定體積和加權(quán)應(yīng)變能為優(yōu)化響應(yīng)，優(yōu)化目標(biāo)為加權(quán)應(yīng)變能最小，由于加權(quán)應(yīng)變能與剛度為倒數(shù)關(guān)系，優(yōu)化目標(biāo)即是座椅骨架結(jié)構(gòu)的剛度最大。



模型在OPTISTRUCT軟件中經(jīng)過50步迭代優(yōu)化計(jì)算，得到了結(jié)構(gòu)單元密度云圖和X 向位移云圖如圖6和圖7所示。單元密度取值范圍為[0，1]，當(dāng)其等于1時(shí)表示材料保留，等于0時(shí)表示材料可以去除。從圖6中保留材料的分布位置可以看出，所施加靜載力從行李塊接觸位置傳遞到頂端和底部與臺(tái)車相連接的位置。優(yōu)化的座椅骨架結(jié)構(gòu)在靜力加載下，X 方向最大變形量由初始的145.4 mm減小至36.5 mm，如圖7所示，骨架剛度明顯改善。因此，本文將行李接觸部位和力傳遞路徑作為座椅骨架抗撞性設(shè)計(jì)的重要區(qū)域，在行李接觸位置可根據(jù)優(yōu)化結(jié)果布置交叉加強(qiáng)筋來提高強(qiáng)度；骨架頂端和底部區(qū)域在保證與臺(tái)車連接強(qiáng)度的同時(shí)與行李沖擊位置處的加強(qiáng)筋保持連續(xù)，以便沖擊載荷能有效通過金屬鉸鏈傳遞給臺(tái)車。



根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，對(duì)LFT座椅骨架的初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，提出了3種座椅骨架加強(qiáng)筋布置形式，通過調(diào)整骨架和加強(qiáng)筋的幾何參數(shù)來尋找滿足法規(guī)抗撞性要求的輕量化座椅骨架結(jié)構(gòu)。3種加強(qiáng)筋的布置形式如圖8所示，方案1中在行李碰撞區(qū)域布置了橫縱垂直交叉的加強(qiáng)筋，并利用凸臺(tái)和斜置的加強(qiáng)筋將沖擊力傳遞給金屬鉸鏈和臺(tái)車；方案2采用斜置加強(qiáng)筋連接骨架頂端和底部，中間沖擊位置通過加強(qiáng)筋的交叉進(jìn)行加強(qiáng)；方案3對(duì)行李碰撞區(qū)域設(shè)置了水平、X 型加強(qiáng)筋，通過斜置加強(qiáng)筋連接頂端和底部并與行李碰撞區(qū)域加強(qiáng)筋相連。



針對(duì)上述方案，本文將座椅骨架分成行李碰撞區(qū)、非碰撞區(qū)、頂端連接區(qū)和加強(qiáng)筋4個(gè)部分，選取了8個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)，包括40 %座椅碰撞區(qū)厚度t1，40 %座椅非碰撞區(qū)厚度t2，60 %座椅碰撞區(qū)厚度t3，60 %座椅非碰撞區(qū)厚度t4，40 %座椅頂端鏈接區(qū)厚度t5，60 %座椅頂端連接區(qū)厚度t6，加強(qiáng)筋厚度t7，加強(qiáng)筋高度h。提出的10種改進(jìn)方案計(jì)算結(jié)果見表1。本文建立了相應(yīng)改進(jìn)結(jié)構(gòu)的行李沖擊有限元模型來驗(yàn)證抗沖擊性能，其中，9號(hào)結(jié)構(gòu)的骨架變形如圖9所示。




從表1中可以看出，10組改進(jìn)結(jié)構(gòu)中只有4組通過了法規(guī)要求，且變形量遠(yuǎn)小于初始結(jié)構(gòu)，表明加強(qiáng)筋顯著提高了座椅骨架的抗沖擊性能。從質(zhì)量上看，方案3的改進(jìn)結(jié)構(gòu)輕量化效果最為明顯，達(dá)到9.8 kg，相對(duì)于金屬骨架減輕約10 %。

結(jié)束語

本文以乘用車后排座椅骨架作為研究對(duì)象，采用LFT復(fù)合材料來代替原金屬骨架，通過拓?fù)鋬?yōu)化方法分析將骨架結(jié)構(gòu)的碰撞部分和碰撞力傳遞路徑作為重點(diǎn)設(shè)計(jì)區(qū)域，提出了LFT座椅骨架改進(jìn)結(jié)構(gòu)。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)結(jié)構(gòu)在滿足法規(guī)行李沖擊試驗(yàn)要求的同時(shí)質(zhì)量相對(duì)金屬結(jié)構(gòu)減輕了約10 %，達(dá)到9.8 kg，輕量化效果明顯。

雖然本文的研究?jī)?nèi)容可以初步用于指導(dǎo)LFT復(fù)合材料座椅骨架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但在實(shí)際應(yīng)用上，除了需要考慮成本、工藝等技術(shù)問題，就LFT復(fù)合材料的仿真技術(shù)分析而言，還有很多問題需要進(jìn)一步研究，特別是LFT復(fù)合材料破壞過程中的多種失效形式（包括纖維斷裂、基體破碎、纖維和基體的撕裂以及分層等）的模擬，因此本文模型的準(zhǔn)確性仍需要試驗(yàn)數(shù)據(jù)來進(jìn)行驗(yàn)證和校正。

來源：期刊—設(shè)計(jì)開發(fā)
作者：張君媛 徐婷婷 張秋實(shí) 陸春林 楊常群